초록 ▼

반도체 기반 전자소자는 그동안 급속히 이루어진 기술적 진보를 통해 정보화시대를 이끌어왔고 앞으로 혁신적으로 이끌어갈 것이다. 그러나 근본적인 물리적 현상 및 나노공정에 있어 기술적 한계에 부닥치고 있어서 이를 극복할 수 있는 새로운 차세대 전자소자 기술의 출현이 요구되고 있다. 이에 대한 대안으로 지금까지 분자전자, 나노전자, 스핀트로닉스 및 양자정보기술 등 많은 새로운 방법론이 제안되었다. 그중에서도 스핀트로닉스는 가장 유망한 차세대 정보기술이라 할 수 있다. 스핀트로닉스(Spintronics)는 ‘스핀(spin)&rs

반도체 기반 전자소자는 그동안 급속히 이루어진 기술적 진보를 통해 정보화시대를 이끌어왔고 앞으로 혁신적으로 이끌어갈 것이다. 그러나 근본적인 물리적 현상 및 나노공정에 있어 기술적 한계에 부닥치고 있어서 이를 극복할 수 있는 새로운 차세대 전자소자 기술의 출현이 요구되고 있다. 이에 대한 대안으로 지금까지 분자전자, 나노전자, 스핀트로닉스 및 양자정보기술 등 많은 새로운 방법론이 제안되었다. 그중에서도 스핀트로닉스는 가장 유망한 차세대 정보기술이라 할 수 있다. 스핀트로닉스(Spintronics)는 ‘스핀(spin)’과 ‘일렉트로닉스(electronics)’의 합성어로 전자의 스핀을 활용하는 기술이다. 용어에서 보듯이 이 기술은 전자의 전하뿐만 아니라 스핀 정보, 즉 spin-up, spin-down을 제어하고, 구분하여 사용할 수 있어 비휘발성, 고집적도, 저에너지 소비, 및 데이터처리 속도 향상 등의 다양한 잠재적 이점이 있다(그림 1).



그림 1. 전하에 전자의 스핀을 포함한 스핀트로닉스의 새로운 정보 개념



최근 초진공 증착 기술의 발전과 표면 현상에 대한 이해를 바탕으로 나노 수준의 박막 제조가 가능해지면서, 거대자기저항(GMR: giant magnetoresistance)과 터널자기저항(TMR: tunneling magnetoresist-ance) 현상의 발견으로 인해 자성소자 분야의 연구 및 응용에 있어서 새로운 전환점이 마련되었다. 그리고 이를 이용한 정보 저장, 센서와 자기메모리(MRAM: magnetic random access memory) 등의 전자정보 관련 기술이 획기적으로 발전해왔다. 특히 GMR 현상의 발견은 본격적으로 스핀트로닉스의 시대를 연 것으로 평가되고 있다.[1] GMR은 두 개의 강자성금속층 사이에 비자성금속층이 샌드위치 타입으로 끼어 있는 형태로, 첫째 층의 강자성금속 전극의 자력을 고정하고, 두 번째 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하도록 소자를 구성한다. 두 전극층의 자력이 평행할 경우 특정 방향으로 스핀이 배향된 전자만 도체를 통과해 작은 저저항을, 반대의 경우 고저항을 갖는 원리를 이용한 것이다. 즉, 두 강자성 층의 자화 방향의 정렬 여부에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이가 발생하게 되고 이것을 디지털 신호로 인식한다. 층간 물질이 비자성 도체나 반도체인 경우는 GMR 현상을 이용하여 spin-valve, HDD의 재생헤드, 자기장 센서 등에 응용할 수 있다. 두 개의 금속 자성체 사이에 매우 얇은 절연체층이 접합된 소자인 자기터널접합(MTJ: magnetic tunnel junction)은 전류의 양자터널링(quantum tunneling) 과정을 통하여 전류가 흐르게 되며, 이 소자는 전력을 끄더라도 자기 상태의 스핀 보존이 가능하여 자기메모리(MRAM)에 응용될 수 있다. 또한 스핀 극성을 이용하는 spin-FET(spin-polarized field effect transistor)는 기존의 FET에 비해 에너지 소모가 적고 훨씬 빠르게 작동할 뿐 아니라 자기장을 변화시킴으로써 자화 방향을 조절할 수 있고, 또한 동작 중에 기능을 변화시킬 수 있는 추가적인 논리게이트를 구현할 수도 있다. 그러나 스핀 전류를 강자성체 전극에서 반도체로 주입시키기가 어렵기 때문에 아직까지 완벽한 spin-FET 소자를 만드는 데 한계가 있다. 이러한 스핀트로닉스 기술을 발전시켜 원자 수준까지 다룰 수 있게 된다면 새로운 방식의 양자(quantum)컴퓨터를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 이는 전하의 0과 1, 스핀-업(up), 스핀-다운(down)을 모두 사용하는 방법으로 큐비트(Qubit)를 구현하는 개념이며, 이를 적용하면 나노초 단위로 데이터를 저장하게 될 것이다.



그림 2. 대표적인 스핀트로닉스 소자들의 구조



그러나 이러한 다양한 장점과 기대효과에도 불구하고 스핀트로닉스는 현재 여러 가지 문제에 직면해 있다. 기술의 발전을 위해서는 관련 소자의 중요 원리가 되는 pure spin의 생성 및 주입, 장거리 스핀 전송, 스핀 방향 감지 등의 조작에 아직 많은 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 소자 개념의 도입과 신규 스핀트로닉스용 소재의 개발이 필요하다. 100% 분극화된 순수한 스핀의 생성 및 주입은 주로 스핀의 분극을 어떻게 조절하느냐에 달려 있으며, 또한 사용된 반도체 또는 금속 계면에서의 스핀 산란 여부도 중요한 영향을 끼치고 있다. 또한 소자들이 실제로 응용될 수 있는 상온에서의 소자 구현도 큰 숙제로 남아 있다. 비록 그래핀, 탄소나노튜브 등의 연구에 기반하여 장거리 스핀 전송의 진보가 있었지만 이 또한 추가적인 기술적 발전이 더 필요한 분야이기도 하다.[2]

위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 무엇보다도 다양한 스핀트로닉스 재료의 설계가 매우 중요하다. 전자 및 자기 특성에 따라 스핀트로닉스 재료는 크게 자성 금속체, 위상 절연체(TI: topological insulator) 및 자기 반도체로 나눌 수 있다(그림 3a).[3] 스핀트로닉스 소자 회로에서 자성금속은 양극단의 스핀 소스 및 드레인 전극 역할을 하며, 자기 반도체는 소자의 중앙부에서 활성화층의 기능을 담당한다. 위 세 가지 구성 요소는 스핀 조작/감지를 위해 스핀과 빛/자기장/전기장 사이의 결합 효과를 바탕으로 공통적이면서도 개별적으로 기능을 수행할 수 있다(그림 3b). 실용화의 관점에서 본다면 이러한 스핀트로닉스 재료는 상온에서 강한 자기 차수를 가져야 하며, 특히 페르미 에너지 준위 수준의 큰 스핀 분극도가 필요하다. 다음 서술하는 본론에서는 지금까지 사용되어온 기존 스핀트로닉스 소재의 종류별 특성 및 응용 현황에 대해 정리해보고, 이를 토대로 기술의 진보를 이루기 위해 필요한 요구사항을 검토해보고자 한다.



그림 3. (a) 스핀트로닉스 재료의 분류, (b) 스핀트로닉스 소자 구조별 재료의 요구 특성 개략도.[3]