버려지는 열로 컴퓨터 쓴다…'0.3나노' 금속층의 비밀

원자 한 층보다 얇은 초박막 금속층이 스핀 관련 신호를 크게 향상시켜, 버려지는 열을 에너지원으로 쓰는 초저전력 장치 개발의 길을 열었다.

28일 일본 규슈대학교 연구팀은 자기 절연체와 백금 필름 사이에 이리듐 망간(IrMn) 초박막층을 삽입해 스핀 전달 효율을 높이는 방법을 발견했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '머티리얼즈 투데이 피직스'에 지난 9월 30일 게재됐다.

이번 연구는 전자의 전기적 특성뿐 아니라 '스핀'이라는 고유의 회전 특성을 정보 처리에 활용하는 스핀트로닉스 기술에 기반한다. 스핀트로닉스는 컴퓨팅, 데이터 저장, 에너지 수확 등 다양한 분야에서 주목받고 있다.

연구팀은 두 가지 스핀 현상인 '스핀 제베크 효과(SSE)'와 '스핀 홀 자기저항(SMR)'에 주목했다. SSE는 자성 물질의 온도 차이를 이용해 스핀 전류를 생성하고 전기로 변환하는 기술로, 폐열을 회수하는 데 쓰일 수 있다. SMR은 전류 방향과 자화 방향에 따라 금속의 전기 저항이 변하는 현상으로 데이터 저장 및 컴퓨팅에 유용하다.

하지만 스핀 전류는 물질을 통과하며 약해지는 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 이트륨 철 가넷(YIG) 자성 절연체와 백금(Pt) 사이에 삽입하는 이리듐 망간(IrMn) 층의 두께를 0에서 1나노미터(nm) 사이로 조절하며 실험을 진행했다.

실험 결과, IrMn 층의 두께가 0.3nm일 때 SSE 전압과 SMR 반응이 가장 강력하게 나타났다. 연구팀은 이 두께에서 IrMn이 연속적인 막이 아닌 '섬과 같은 구조'를 형성하며, 이 형태가 스핀 전달 효율을 높이는 원인일 수 있다고 설명했다.

연구를 이끈 히로미 유아사 교수는 "이번 연구 성과를 배터리 폭발 위험이 없는 정보 기기에 적용할 수 있다"며 "스핀 제베크 발전을 활용하면 외부 전원 공급이나 에너지 저장 장치 없이 작동하는 초저전력 장치를 만들 수 있을 것"이라고 말했다.