초절전형 정보저장 소자 개발 연구
전 세계적으로 이미 정보저장을 위해 수십 TW?hr 의 에너지를 소모하고 있다. 빅 데이터, 인공지능의 발달로 인해 데이터 저장량은 기하급수적으로 늘어날 것으로 예측되는 만큼 현재의 정보저장 소자들 보다 월등히 높은 에너지 효율을 갖는 소자개발이 필수적이다. 후속 연구수행에서는 단결정 벌크(bulk) 재료를 활용한 연구에서 얻은 노하우를 바탕으로 자성체를 이용한 나노 열전소자 연구를 진행할 계획이다. 자성체/열전물질 접합에서 발현되는 스핀-열전 현상을 이용한 새로운 형태의 초절전형 정보저장 소자를 개발하는 것을 목표로 한다.
자성-열전 접합소자를 기반으로 하는 초절전형 정보저장 소자
대표적인 열전재료인 Bi2Se3은 아래 그림 14 (왼쪽)와 같이 재료의 위상학적 특성으로 인해 표면에서 전하가 흐를 때, 전하의 흐름이 스핀의 흐름으로 바뀌는 스핀 홀 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이는 물질의 강한 스핀-궤도 결합 현상에 의한 것으로 그림 14 (오른쪽)과 같이 계면에 평행한 방향으로 온도 구배가 발생할 경우 스핀 네른스트 효과로 인해 스핀 전류(빨간색 화살표)가 흐를 수 있음을 의미한다.
<그림 14> (좌) 스핀 홀 효과에 의한 전하-스핀전환 현상, (우) 온도 구배에 의한 스핀 네른스트 효과.
같은 스핀 전류 발생은 인접한 자성체에 스핀을 주입할 수 있음을 의미하며, 자성체에 주입된 전자의 스핀은 스핀 각 운동량을 자성체에 전달하여 자성체의 자화 방향을 바꾼다. 다시 말해 자성체/Bi2Se3를 이용한다면 외부 자기장이나 전압인가 없이 온도구배만으로 자성체의 자화 방향을 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 폐열을 이용한 무전력(zero-bias) 전자 소자가 이론상 가능하다는 것을 의미한다.
자성-열전 접합 초저전력 구동소자 개발을 위해 1단계 1차년도에는 Bi2Se3와 같은 열전특성을 갖고 있음과 동시에 위상학적 특성을 가지고 있는 재료와 Co, Fe과 같은 자성 금속 박막, 혹은 니켈 페라이트 (NiFe2O4)과 같은 산화물 페리자성 박막의 에피택시(epitaxi) 인공격자 구조를 개발할 예정이다. 2-3차년도 연구에서는 1차년도 소재연구에서 개발된 자성체/열전재료 접합구조를 이용하여 나노소자를 제작하고 온도구배에 따른 자화 제어 효율을 연구하고자 한다. 자화 제어 효율은 온도구배 대비 홀 효과 혹은 자기저항과 같은 현상의 크기로 평가할 예정이다.