고효율·초저전력 웨어러블 스마트 소자 개발 단초 마련

인공지능(AI)과 빅데이터 기술이 발전할수록 처리해야 할 데이터양이 기하급수적으로 증가함에 따라 스핀-궤도 토크 소자를 이용한 고효율·초저전력 고속 자성메모리에 대한 관심이 증가하고 있다. 한국연구재단(이사장 이광복)은 부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 2차원 WTe2/Fe3GaTe2 물질을 스핀-궤도 토크 소자로 이용해 기존 자성메모리 소자 보다 전력소모를 10분의 1로 줄인 계산 결과를 발표했다.스핀-궤도 토크를 이용한 자성메모리 소자는 높은 안정성과 빠른 동작 속도로 활용 가능성이 높다. 하지만 소자 구동에 필요한 임계전류와 전력 소모가 높아 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 2차원 자성체를 이용한 고효율 저전력 소자 이론 연구가 활발하다.

새로운 소자를 실재 연구와 산업에 응용하기 위해서는 온도효과를 고려한 이론연구가 필요하다. 하지만, 현재 보고된 연구들은 대부분 절대영도에서 나타나는 현상을 설명한 것으로, 온도효과에 대한 근거를 제시하지 않았다.

연구팀은 2차원 자성체인 Fe3GaTe2와 비자성체 물질인 WTe2로 이루어진 이종접합 구조를 활용해 상온에서 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있는 가능성을 이론적으로 제시했다.

연구팀은 제일원리 방법을 이용해 WTe2/Fe3GaTe2 구조의 스핀-궤도 토크 효율을 결정하는데 필요한 다양한 물리량들을 실재 온도효과까지 고려해 계산했다. 이를 통해 새로운 소자는 기존의 탄탈류(Ta) 및 백금(Pt) 기반 소자들과 비교해 상온에서 전력소모량이 10분의 1 정도로 감소함을 밝혔다.

홍지상 교수는 “고효율, 저전력, 초스피드 작동 메모리 소자에 대한 요구가 증대되는 가운데 이번 연구 결과가 관련 소자 개발 연구의 이론적 근거를 제시할 것으로 기대된다”라며, “앞으로도 실험적으로 합성이 용이한 물질을 대상으로 고효율 저전력 소자 가능성을 확인하는 연구를 지속하겠다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 물리 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 투데이 피직스(Materials Today Physics)’에 3월 4일 게재됐다.