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차세대 메모리 열쇠, 전자 스핀 작용을 탐구하다 |이경진 한국과학기술원 교수와 박병국 한국과학기술원 교수 본문

(연재) 최강 과학, 기초 과학

차세대 메모리 열쇠, 전자 스핀 작용을 탐구하다 |이경진 한국과학기술원 교수와 박병국 한국과학기술원 교수

Editor! 2021. 4. 23. 17:44

㈜사이언스북스가 기초연구연합회와의 콜라보로 한국을 대표하는 기초 연구자들을 소개하는 「최강 과학, 기초 과학」 2편은 한국 경제의 미래를 지탱해 갈 메모리 분야의 기초 연구를 소개합니다. 차세대 메모리의 핵심 열쇠로 일컬어지는 M램의 기초 연구를 수행한 이경진 한국과학기술원 교수와 박병국 한국과학기술원 교수의 연구 성과를 소개합니다. 코로나 팬데믹에 이은 반도체 대란이 세계 경제를 뒤흔들고 있는데, 그 물결 밑에서 끈질기게, 꾸준히 연구해 가고 있는 우리의 기초 연구자들의 열정을 확인해 보시죠.


이론적 모델링에서 특허까지: 자기 메모리 소자의 물리 현상 연구

“차세대 메모리 열쇠, 전자 스핀 작용을 탐구하다”

이경진 한국과학기술원 교수와 박병국 한국과학기술원 교수

 

 

자기 메모리는 반도체 메모리 시대를 이을 차세대 메모리 후보의 선두에 있다. 2000년대 중반부터 연구가 진행된 스핀 주입 자화 반전 자기 메모리(Spin-transfer Torque Magnetoresistive Random Access Memory, STT M)의 경우 세계 유수 메모리 기업이 양산 단계에 들어갔다. 또 다른 후보 스핀 궤도 토크 자기 메모리(Spin-orbit Torque, SOT M)는 기초 연구 단계에 있다.

 

한국과학기술원, 즉 카이스트 물리학과의 이경진과 카이스트 신소재 공학과의 박병국은 자성 물질에 대해 연구하는 과학자들이다. 이경진은 박병국을 비롯한 동료 과학자들과 함께 초기 단계의 STT 소자(2009) SOT 소자(2016, 2018)에 관해 연구해 주목받는 성과를 냈다. 그들은 차세대 메모리 소자에서 일어나는 물리 현상의 원리를 규명하고 실험으로 입증하여 학술적으로 기여했고 동시에 STT 소자의 기록 오동작 문제 해결에 실마리를 제공했다. 특히 박병국은 SOT M램의 구현을 앞당길 수 있는 새로운 자성 소재와 구조를 개발했다. 이 연구 성과들은 모두 기초 학문 특성이 강한 물리학 이론 연구와 응용 학문 특성이 강한 재료 공학 소재 연구 간의 공동 연구의 결과다.

 

기존 메모리에 비해 수십 배 빠를 차세대 메모리의 기초 연구를 수행 중인 카이스트의 이경진 교수와 박병국 교수. 사진: 카이스트 물리학과 홈페이지 이경진 교수 페이지와 카이스트 신소재 공학과 박병국 교수 홈페이지에서.

 

 

자성 물질, 반도체를 지나 자기 소자로: 정보 기록 매체의 진화

 

기술은 돌고 도는 것일까? 비디오테이프와 하드디스크 같은 자성 물질 매체에 정보를 기록하던 시기를 지나 반도체 메모리 전성 시대인가 싶더니 다시 물질의 자기 특성을 이용하는 소자가 차세대 메모리 소자로 주목받고 있다. 그런데 차세대 메모리를 위한 기본 소자의 발전이 20년도 더 된 하드디스크 헤드 기술에 일부 빚지고 있다는 점은 흥미롭다.

 

하드디스크는 자성 물질을 코팅한 금속 원판(플래터)에 헤드를 이용해 정보를 쓰고 읽는다. 기본 원리는 전자기 유도다. 헤드에 전류를 흘려 유도되는 자기장의 방향이 플래터의 자성 물질을 자화하는 방식으로 정보가 기록된다. 자기장이 없어져도 자화된 상태는 변하지 않기 때문에 정보는 저장된다. 그리고 플래터가 회전할 때 자기 저항 헤드에 발생하는 신호를 통해 기록된 정보를 읽을 수 있다.

 

이와 달리 반도체 메모리는 반도체의 전기 특성을 활용한다. 덕분에 정보를 읽고 쓰는 속도가 매우 빠르고 작은 부피에 많은 데이터를 저장할 수 있는 고집적 메모리가 가능하다. 대표적인 반도체 메모리는 D램과 S, 그리고 플래시 메모리다. D램은 전원이 꺼지면 기록된 정보가 사라지는 휘발성 메모리이지만 고용량에 동작 속도가 빠르고 가격 경쟁력도 있기 때문에 컴퓨터의 메인 메모리로 사용된다. S램은 휘발성 메모리이고 가격도 비싸지만 D램보다 작동 속도가 훨씬 빠른 게 이점이다. 플래시 메모리는 하드디스크처럼 전원이 끊어져도 정보가 남아 있는 비휘발성 메모리이고 쉽게 정보를 기록하고 지울 수 있다. 흔히 사용하는 USB 메모리나 메모리 카드가 플래시 메모리의 일종이다.

 

메모리의 용도가 컴퓨터에서 각종 모바일 기기와 사물 인터넷까지 다양해짐에 차세대 메모리는 더 작은 크기, 더 큰 용량, 더 빠른 정보 처리, 더 낮은 구동 전력이라는 조건을 만족해야 한다. 차세대 메모리로 일찍부터 가장 전망이 밝았던 것은 자기 메모리(Magnetoresistive Random Access Memory, M).

 

M램의 과학적 배경에는 거대 자기 저항(Giant Magneto-Resistance, GMR)이 있다. 1988년 독일의 페터 그륀베르크(Peter Grünberg)와 프랑스의 알베르 페르(Albert Fert)는 독립적으로, 두 개의 강자성층 사이에 금속층을 끼워 넣은 박막의 경우 두 층의 자화 방향이 평행이면 전기 저항이 작고, 반대이면 전기 저항이 큰 현상을 발견했다. 특히 외부 자기장의 미세한 세기 변화에도 전기 저항의 큰 변화가 나타났다. IBM의 엔지니어들은 이 GMR 효과를 상업적으로 활용할 방법을 연구했다. 엄청나게 많은 시도 끝에 이들은 GMR 효과가 스퍼터링(sputtering)에 의해 만들어지는 다층 물질에서 나타난다는 것을 알아냈다. 이것은 마침 기존에 박막 매체 또는 박막형 읽기-쓰기 헤드를 만들 때 사용하던 기술이었다. 199712, IBMGMR 헤드를 장착한 하드디스크를 최초로 출시했는데 이는 하드디스크 용량을 획기적으로 늘린 제품이었다. GMR을 발견한 두 명의 과학자는 2007년에 노벨 물리학상을 받았다.

 

M램은 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)이라 부르는 소자에서 발생하는 터널 자기 저항(Tunnel Magneto-Resistance, TMR)을 이용해 정보를 저장하는 방식의 메모리다. 자기 터널 접합은 강자성체 사이에 비자성체 절연층을 둔 박막 다층 구조다. 이전의 GMR 소자와 달리 중간에 비자성체 절연층이 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 그러나 MTJ는 두께 수 나노미터의 박막 구조이므로 터널링이라는 양자 현상이 발생하여 전자의 이동 없이도 전류 효과가 발생한다. 따라서 두 강자성층의 자기 방향이 평행이면 자기 저항이 약하게, 반대 방향이면 자기 저항이 강하게 나타난다. 만일 두 강자성층 중 한 층의 자기 방향을 고정하고(고정층) 외부에서 자기장을 걸어 나머지 강자성층(자유층)의 자기 방향을 조정하면 자기 저항을 강하게 또는 약하게 만들 수 있다. 이 차이가 충분히 크면 한 상태에 1, 다른 한 상태는 0의 값을 주어 디지털 정보를 기록할 수 있으므로 MTJ는 디지털 메모리 소자가 될 수 있다.

 

MTJ가 메모리 소자로서의 현실적인 가능성을 확인한 것은 1990년대 중반이었고 개발이 본격화된 것은 2000년대 중반 이후였다. TMR 현상 자체는 1975년에 처음 발견되었지만 4.2켈빈(섭씨 -268)에서도 자기 저항이 클 때와 작을 때의 비율, 즉 저항비가 14퍼센트에 지나지 않았기 때문이다. 이후 많은 학자들이 여러 강자성체와 절연 물질로 실험을 거듭한 끝에 1991년에는 상온에서 TMR이 측정되었고 1995년에 자가데시 무데라(Jagadeesh Moodera)CoFe-Co 접합에서 11.8퍼센트의 저항비를 측정했다.

 

2000년부터는 절연체로 산화마그네슘(MgO)을 쓰면서 큰 저항비를 얻을 수 있었고 제품화가 시도되었다. 2004년에 IBM의 스튜어트 파킨(Stuart S.P. Parkin)은 상온에서 Fe/MgO/Fe 접합을 써 저항비 200퍼센트를 얻었고 2008년에 일본 도호쿠 대학교의 이케다 쇼지(池田正二) 팀은 CoFeB/MgO/CoFeB 접합에서 저항비 604퍼센트를 얻었다. 상온에서 안정적으로 작동하고 저항비가 충분히 크면 원칙적으로 메모리 소자로 쓸 수 있다. IBM2004년에 16Mb 메모리의 가능성을 검증했고 모토롤라에서 분사한 프리스케일 반도체(Freescale Semiconductors)2006년에 4Mb 제품의 상용화에 성공했다.

 

그러나 2000년대 중반까지도 M램은 새로운 메모리로서 장점과 과제를 모두 가지고 있었다. 장점은 첫째, 플래시 메모리처럼 비휘발성 메모리다. 일단 자화된 자유층의 상태는 보존되기 때문이다. 둘째, 정보 처리 속도가 D램 수준으로 빠르다. 셋째, 구동 전력이 적기 때문에 효율성이 있다. 반면 현실에서 D램이나 플래시를 대체하기 위해서는 고집적화할 수 있는 구조와 소재가 개발되어야 했다.

 

M램 고집적화를 위한 시도 중 하나가 스핀 전달 토크(Spin-Transfer Torque, STT)을 이용하는 것이었다. STTGMR의 반작용으로 이해할 수 있다. GMR은 자화의 방향이 저항을 변화시키는, 즉 전류의 양을 변화시키는 현상이다. 무슨 이유에서든 전류의 양을 변화시키면 작용-반작용의 법칙에 따라 자화의 방향을 변화시킬 수 있다. MTJ에 직접 전류를 인가하여 스핀 전류에 변화가 생겨도 자유층의 자화 방향을 바꿀 수 있다. 자화 방향을 바꾸는 요인이 스핀 전달에 따른 토크이기 때문에 이 현상을 STT라고 부른다. STT1996IBM의 존 슬론제프스키(John Slonczewski)와 카네기멜론 대학교의 뤽 버거(Luc Berger)가 이론적으로 제안했고 1999년 코넬 대학교의 로버트 버먼(Robert Buhrman)은 실험으로 STT가 작용함을 입증했다. STTMTJ에 적용하여 소자로서의 가능성을 탐색하는 연구들이 이어졌고, 20062007년부터 STT-M램 실험과 성공이 보고되기 시작했다.

 

 

스핀 궤도 토크 (SOT) 기반 자성 메모리 (MRAM) 의 개략도. 반강자성 (IrMn)/ 강자성 (CoFeB) 계면에 존재하는 교환 결합을 이용하여 외부 자기장 없이 소자 구동이 가능하다. 반강자성 물질(IrMn) 내부에는 전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 반대로 정렬되어 있다.

 

 

STT가 초기부터 M램과 관련하여 관심을 받은 것은 1세대 M램에 비해 고집적화에서 유리한 점이 있었기 때문이다. 첫째, 구조가 단순하다. 기존의 M램은 MTJ에 자기장을 걸어 주기 위해 전류를 흘려 줄 도선 연결이 필요했다. 그러나 STT M램은 직접 전류를 인가하기 때문에 도선이 필요 없는 단순한 구조다. 그래서 집적에 유리하다. 둘째, 소자의 크기가 작아질수록 자화 방향을 바꾸는 데 필요한 전류가 줄어든다, 고집적에 비례해 구동 전력이 증가하지는 않는다.

 

돌이켜보면 1990년대 중후반 미국, 일본, 유럽의 선진국에서는 GMR, MTJ, STT같이 나중에 M램의 발전과 깊은 관련이 있는 연구들이 막 떠오르던 시기였다. 그러나 한국에서는 매우 낯선 연구 주제였다. 1993년 삼성전자가 D램을 중심으로 세계 메모리 기업 톱 10에 들어간 이래 기업과 대학 연구자들의 관심은 대부분 반도체에 쏠려 있었다. 그런데 결과적으로 보면 예기치 않게 당시 하드디스크용 고밀도 자성 재료 개발 연구 인력과 장비가 자성 박막이라는 기술을 매개로 M램 연구로 이어지는 연결 고리가 되었다.

 

 

카이스트 재료 공학과의 자성 박막 연구실

 

1980년대 초에 한국과학기술연구원(KIST)의 이택동은 자성 박막 연구를 시작했다. 원래 금속공학을 전공한 이택동은 1978년부터 KIST 금속 공학 연구부에서 영구 자석용 합금을 개발하고 있었다. 그러던 중 FeCrCo계 합금이 고밀도 자기 기록 매체로서 가능성이 있음을 깨달았다. 그는 1983년 도호쿠 대학교를 방문하여 자성 박막 매체에 대한 정보를 얻었고 국내에서는 처음으로 스퍼터링 기술을 도입하여 자성 박막을 연구하기 시작했다. 스퍼터링은 진공 상태에서 박막 물질이 표적판에 얇게 증착되도록 하는 기술이고 이를 위한 스퍼터는 고가 장비다. 이택동 연구팀은 1985년부터 1991년까지 과학기술처의 지원을 받아 정보 기록용 자성 박막 재료를 개발하는 연구를 추진했다. 비록 이 연구가 제품으로 이어지는 박막 재료를 개발하지는 못했지만 이때 자기 박막 관련 실험 노하우가 축적되었다. 이택동 연구팀은 19929월부터 KISTG7 과제 고밀도 정보 기록용 소재 개발에 참여하여 컴퓨터용 고밀도 하드디스크를 위한 소재 개발 연구를 했다. 그 결과 주 하나로 이택동은 1994년에 고밀도 정보 기록용 박막 물질, ‘CoCrPt계 신자성 박막 합금에 대한 국제 물질 특허를 획득했다.

 

이택동이 1994년에 카이스트 신소재 공학과로 소속을 옮긴 것을 계기로 카이스트에서 자성 박막 연구가 시작되었다. 1997년 자성 박막 연구실이 서울의 카이스트 분원에서 대전으로 옮기게 됨에 따라 이택동과 그의 대학원생들은 새롭게 연구실과 스퍼터 등 연구 장비를 세팅하게 되었다. 당시 자성 박막 실험 장비를 갖춘 대학 연구실은 거의 없었기 때문에 카이스트는 이 분야에서 일찍부터 성과를 낼 수 있었다. 이택동이 지도한 박사 학위 논문을 중심으로 연구의 흐름을 살펴보면 자기 기록 매체와 관련된 연구가 중심을 이루는 가운데 시간의 흐름에 따라 MTJ, STT 같은 문제들이 추가되었다.

 

 

스퍼터. 카이스트 이택동의 박막 연구실에서 사용하던 것을 박병국이 물려받아 연구에 사용 중이다.

 

이 연구실의 초기 입학생 중 하나였던 이경진은 이 연구실 출신으로는 드물게 자성 박막에 대해 이론적으로 접근하는 연구를 했다. 그는 학부에서 물리학을 전공했고 소재 공학을 복수 전공 수준으로 공부했다. 지도 교수는 그를 보고 물리학을 공부했다니 계산을 잘하겠구나.”라고 말했다. 그는 미소 자기학 모델을 이용하여 자기 기록 시스템에서 일어나는 열적 자화 반전을 계산하는 연구를 했고 2000년에 박사 학위를 받았다.

 

이택동의 또 다른 제자 박병국은 1998년경에 국내에서 처음으로 새롭게 떠오른 연구 주제인 MTJ 소자에 도전했다. MTJ의 철연층 형성에 오존을 적용하려는 박병국의 연구를 위해 이택동은 당시 3000만 원이 넘는 고가 장비(AC Power Supply)를 구입해 주었다. 박병국은 오존 발생기를 스스로 제작했다. 국내에서 연구자가 거의 없었기 때문에 연구에 필요한 조언과 지도를 구하기 위해 석사 2년 차인 박병국은 일면식도 없던 MTJ의 대가들, 무데라와 파킨에게 도움을 요청했다. 당시 대학을 중심으로 확산되기 시작한 이메일 덕분에 가능한 일이었다. 다행히 무데라가 긍정적인 반응과 친절한 조언을 보내 주었다. 그러나 모든 것이 처음이라 어려움이 많았다. 실제 연구 현장은 공장같았고 새로운 장비 제작, 사용, 유지 보수를 스스로 익혀야 했다. 또한 뜻대로 되지 않은 실험을 될 때까지 많이시도하는 수밖에 방법이 없었다. 박병국은 2003년 박사 학위 논문에서 MTJ의 절연층 형성에 기존 플라즈마 산화법이 아닌 오존 산화를 이용하는 방법을 제안했다.

 

 

STT의 전압 의존성과 MTJ의 대칭성 연구: STT M램 기록 오작동 해결의 실마리로 이어지다

 

이경진이 STT로 눈을 돌리게 된 것은 유럽에서 박사 후 연구를 할 때였다. 그는 졸업 후 삼성전자에서 하드디스크 관련 자성 박막 연구를 이어 나갔다. 그 후 2003년부터 스핀트로닉스(spintronics) 연구를 선도하던 연구소, 프랑스의 스핀테크(Speintec)에서 STT 연구를 시작했다. 스핀트로닉스는 전자의 전하와 스핀의 자유도를 동시에 고려하는 연구 분야로서 당시 빠르게 성장하고 있었다. 스핀테크는 이러한 흐름에 맞춰 2002년에 설립되었고 소속된 물리학자, 응용 엔지니어들이 스핀트로닉스 현상에 대한 기초 연구와 혁신적인 소자 개발로 이어질 수 있는 응용 연구를 했다. 삼성전자에서도 2000년대 초반에 M램 개발 부서를 설립했는데 카이스트 이택동 교수 연구실의 또 다른 졸업생 오세충이 이 부서에서 일했다. 스핀테크에서 이경진은 스핀트로닉스, 특히 STT 연구의 경험을 쌓았고 유럽의 연구자들과 네트워크를 형성했다.

2005년 귀국하여 고려 대학교 소재 공학부의 교수가 된 이경진은 스핀트로닉스 연구를 이어갔다. 그 성과 중 가장 두드러진 것이 MTJ에서 STT와 전압 의존성의 관계를 규명한 연구인데 그 결과는 2009년에 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재되었다. 절연층이 포함된 MTJ에서는 소자 면에 수직인(perpedndicular) STT가 소자 면에 수평인(longitudinal) STT에 필적할 수준으로 크고 전압 의존성을 가진다. 이 연구는 MTJ의 대칭성이 깨질 때 수직 STT에 추가로 선형 전압 의존성(linear bias dependence)이 발생한다는 이론의 예측을 실험으로 입증했다. 그뿐만 아니라 MTJ의 대칭성을 조정해 이 수직 방향 전압 의존성의 부호가 방향이 양에서 음으로 바뀔 수 있음을 밝혔다. 이를 이용하면 기록 오작동을 유발하는 수직 STT에 의해 자화의 방향이 다시 반대로 바뀌는(switching-back) 현상을 조절할 수 있다. STT M램의 기록 오작동 문제 해결의 길이 열린 것이다.

 

이경진은 이번 연구는 기초 학문이 실제 기업에서 발생하는 문제를 해결하는 이론적 토대가 된다는 좋은 예라고 평가했다. 언론 보도는 이 연구가 STT M램의 기술 문제를 해결했다는 점을 강조했지만 연구자 본인은 이 연구를 기초 학문으로 생각한다. 왜냐하면 이 연구는 STT 현상들 중 수직 STT가 발현되는 이유가 무엇인가 하는 원론적인 질문에서 출발해 STT의 전압 의존성과 관련된 새로운 원리, 즉 이론적으로 도입된 대칭 문제를 실험으로 확인한 것이기 때문이다. 2007년경 시작된 이 연구는 진행되는 동안 이런저런 실패와 우여곡절을 겪으면서 새로운 아이디어가 추가되고 연구 중점 내용이 달라지고 실험과 분석이 정교해지는 과정을 겪었다. STT M램의 기록 오작동 해결 솔루션은 이 연구 결과로부터 끌어낼 수 있는 함의 중 하나였다.

 

연구 과정을 한번 살펴보자. 2007년경 이경진, 스핀테크의 동료들, 그리고 이택동 교수 연구실 출신이자 삼성전자 소속이던 오세충이 함께 이 연구를 시작했다. 삼성전자는 2000년대 초반부터 여러 차세대 메모리 개발 연구를 시작했고 M램은 그중 하나였기 때문에 이 연구에 사용될 수 있을 정도로 우수한 샘플을 제공할 수 있었다. 이들은 초기 단계의 결과를 담은 논물을 학술지에 보냈다가 거절당했으나 심사평에서 아이디어를 얻어 연구를 진척시켰다. 그리고 그 결과를 발표한 학회의 토론에서도 중요한 힌트를 얻었다. 이렇게 실험이 재설계되고 분석이 이론적으로 깊어지는 과정에서 샘플 제작과 측정을 맡아 줄 동료들이 연구에 참여했고 본격적인 이론 해석을 위해 물리학자도 합류했다.

 

이 연구를 통해 MTJ 같은 나노구조의 소자에서 일어나는 새로운 물리 현상을 효과적으로 연구하기 위해서는 협동 연구가 필요함을 알 수 있다. 먼저 소자 샘플을 만들고 관련 고성능 측정을 담당할 실험 연구자가 있어야 한다. MTJ와 같이 정밀한 샘플을 잘 만들고 물리량을 측정하는 것은 그 자체로 고도의 전문 연구 영역이기 때문이다. 둘째, 이 소자에서 일어나는 양자 효과를 물리 이론으로 설명하고 예측할 수 있는 이론 연구자가 있어야 한다. 기존 이론과 모델링으로 분석 가능할 때도 있고 새로운 개념과 이론을 도입해야 할 때도 있다. 마지막으로 실험 연구자와 이론 연구자를 연결하는 매개 역할을 할 연구자도 필요하다. 물리 이론과 개념을 정립하는 것과 소자를 물리적으로 제작하고 물리량을 정밀하게 측정하는 것은 별개의 전문영역이다. 따라서 이 두 영역을 모두 이해하고 물리학 개념과 이론을 확인할 실험을 실현 가능한 형태로 설계할 수 있는 존재가 필요하다. 이 연구에서는 이경진이 세 번째 역할을 했다. 이경진이 대학과 기업, 공공 연구소를 거치면서 쌓은 지식, 연구 경험, 연구 네트워크 덕분이었다. 그의 이 고유한 입지는 차세대 자기 메모리 소자와 관련된 여러 기초 연구가 학술적으로 중요하고 산업에서도 응용 가능성이 높은 성과를 내는 과정에서 빛을 발했다.

 

 

SOT 소자의 계면 효과 규명

 

2010년대 들어 SOT가 이경진의 새로운 연구 주제가 되었다. 이 시기에 STT M램은 양산을 위한 연구에 들어갔고 대학과 연구소의 장비로는 남은 문제를 연구하는 데 필요한 수준으로 정밀한 샘플 소자를 제작하기 어려웠기 때문이다. 반면 SOT는 새롭게 주목받는 물리 현상이었고 연구에 필요한 샘플의 사이즈에서도 제약이 없었다. 이 때문에 STT 연구를 이끌었던 세계의 유력 과학자들도 이 시기에 대거 SOT 연구로 옮겨갔다.

 

SOT 소자는 강자성체와 금속 도체의 접합 구조에서 금속 도체에 흐르는 전류에서 발생하는 스핀 토크에 의해 강자성체 자화를 제어할 수 있는 소자다. 도체 금속의 원자 번호가 큰 물질일수록 SOT가 크다고 알려졌기 때문에 백금, 텅스텐, 탄탈륨 같은 중금속이 연구에 주로 사용되었다. SOT 소자는 좋은 메모리의 잠재성을 가지고 있다. 왜냐하면 SOT 소자 역시 전원이 끊어진 뒤에도 정보가 사라지지 않는 비휘발성이고 저전력으로도 고속 동작이 가능하기 때문이다.

 

SOT 연구에서는 소자 관련 실험을 위해 카이스트 이택동 교수 연구실 출신의 박병국이 합류했다. 박병국이 유럽에서의 연구 생활을 마치고 2011년 귀국하여 카이스트 신소재 공학과 교수가 된 직후였다. 그는 2003년부터 3년간 네덜란드의 트웬트 대학에서 박사 후 연구를 했다. 트웬트 대학의 연구팀은 이론적 접근보다는 MTJ 소자 개발에 더 관심을 두었지만 연구자 중에는 물리학 출신도 많아서 연구와 토론에서는 이론적인 고려와 논의가 함께 이루어졌다. 그 후에는 히타치 사가 운영하던 캐번디시 연구소 소속의 히타치 케임브리지 연구소의 연구원으로서 자기 메모리 소자 관련 연구를 했다. 그는 유럽에서의 연구 활동을 통해 장비, 기법 등에서 역량을 쌓은 것 못지않게 여러 전공 출신에 다양한 관심을 가진 연구자들과의 공동 연구를 경험했다. 이경진과 박병국은 대학원의 같은 실험실 동문으로 서로 아는 사이였고 두 사람 모두 자기 메모리 소자 연구를 하고 있었다. 게다가 한 사람은 이론, 다른 한 사람은 소자 실험에 전문성을 가졌다. 이들은 2012년부터 다양한 중금속/강자성 구조에서 SOT 관련 연구를 시작했다. 특히 SOT 소자의 단점으로 지적되던, 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 문제에 주목했다.

 

이 연구에서는 중금속 대신 반강자성(antiferromagnet) 소재가 선택되었다. 2011년 이후 스핀트로닉스 연구에서 반강자성체를 대상으로 하는 연구가 이루어지고 있었고 박병국도 이미 이러한 연구를 한 경험이 있었다. 게다가 2014년에는 반강자성체 소재의 스핀 궤도 상호 작용이 크다는 이론 연구가 발표된 적도 있었다. 반강자성/강자성 계면의 교환 결합(exchange coupling)에서 발생하는 유효 자기장이 외부 자기장을 대체할 수 있기 때문에 반강자성 소재는 어쩌면 자연스러운 선택이었다.

 

그러나 연구를 진행하면서 실험은 두 가지 어려움에 직면했다. 첫째는 실제로 반강자성 소재를 적용한 소자를 제작하는 것이 쉽지 않았다. 박병국은 그동안 다양한 소재로 MTJ를 제작하면서 얻은 노하우를 총동원하여 마침내 이리듐-망간 합금(IrMn)과 강자성체인 코발트--붕소 합금(CoFeB)의 이중층으로 된 IrMn/CoFeB/MgO 소자를 만드는 데 성공했다. 그리고 이리듐-망간 합금에서 중금속과 비슷한 수준의 SOT를 실험으로 확인했다. 또 다른 문제는 애써 만든 이 소자에서 반강자성 소재의 효과로 나타나는 자기장의 방향이 외부 자기장을 대체하기에 충분하지 않다는 점이었다. 산 넘어 산을 만난 것이다.

 

해결 실마리는 이론 연구자의 과감한 아이디어에서 나왔다. 이경진, 박병국, 이현우가 함께 머리를 맞대고 반강자성/강자성 계면에서 발생하는 유효 자기장을 크게 만드는 방법을 논의하던 중 이현우는 강자성층을 추가하는 강자성/반강자성/강자성의 3층 구조를 제안했다. 기존의 IrMn/CoFeB/MgOCoFeB/IrMn/CoFeB/MgO로 만들자는 것이었다. 이를 두고 10년 이상 MTJ 실험을 해 온 박병국은 “(나는) 생각하기 힘든 획기적인 아이디어라고 평가한다. 여기에 국내 최고 측정 장비를 가진 KIST의 스핀 융합 연구단의 자성 측정도 더해져 성공적인 결과를 얻었다. 외부 자기장을 대체하기에 충분한 교환 결합에 의한 자기장이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 SOT 소자의 고집적도 가능하다는 뜻이다. 이 결과는 2016년에 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 게재되었고 특허로도 이어졌다.

 

 

스핀 궤도 토크에 의해 강자성 물질의 스핀 방향을 제어하는 소자 개략도 및 주요 실험 결과. 외부 자기장 없이 전류의 극성에 따라 스핀의 방향 제어 가능함을 보였다.

 

 

 

이론적인 분석도 쉽지는 않았다. SOT 현상에 대한 새로운 접근이었기 때문이다. 반강자성 물질의 SOT에 대한 기존 연구가 없었기 때문에 반강자성 물질의 특성과 스핀 궤도 토크를 깊이 이해하고 그에 바탕해 이론적인 모델을 만들어야 했다. 그래야 실현 가능한 실험을 설계하고 결과를 예측하고 실험 데이터를 올바르게 해석할 수 있었다. 이 연구의 이론적 함의는 SOT를 발생시키는 스핀-궤도 상호 작용의 본질에 관한 논의와 관련되었다. 스핀-궤도 상호 작용은 이론적으로는 스핀 홀 효과(Spin Hall effect)와 라쉬바 효과(Rashba effect)의 조합으로 이해될 수 있지만 실제로는 둘 중 하나가 지배적이다. 벌크 효과로 생각되는 스핀 홀 효과는 중금속/강자성체 소자처럼 무거운 금속에서 나타나고 잘 정립된 이론이다. 따라서 많은 과학자들은 SOT 소자의 스핀 궤도 상호 작용이 벌크 효과라고 보고 있다. 반면 라쉬바 효과는 1984년부터 알려진 계면에서의 스핀 궤도 상호 작용으로 스핀 트랜지스터에서 동작에 필요한 스핀 세차 운동을 발생시키는 기본 원리이기도 하다. 그런데 2016년의 연구 이후 이 연구팀은 SOT 소자 계면의 라쉬바 효과가 스핀 세차 운동을 일으켜 스핀 전류를 생성할 가능성에 주목하게 되었다. 만일 이를 보여 줄 수 있다면 SOT 소자의 작동 원리에 대해 새로운 관점을 제시할 수도 있다.

 

후속 연구에서 이 문제를 풀기 위해서는 이론적 연구가 선행되어야 했다. 수 나노미터 수준의 박막에서 일어나는 계면 효과와 SOT 연구는 별로 없었기 때문에 연구팀은 전이 금속, 강자성 물질에 대한 이해를 바탕으로 이론적인 모델링을 먼저 했다. 이를 통해 강자성/전이 금속 이중층 계면에서 스핀 필터링 효과와 스핀 세차 운동 효과로 스핀 전류가 생성될 수 있음을 예측했다. 이번에도 실제 실험에서는 이전 연구에서 시도했던 강자성층이 추가된, 강자성1/전이 금속/강자성2의 삼중층 구조를 제작하여 실험했다. 나노미터 수준에서는 벌크 효과와 계면 효과의 경계가 모호하기 때문에 정밀한 측정과 정확한 분석이 필요했지만 연구팀은 그동안 쌓은 연구 경험과 실력으로 이를 돌파했다.

 

 

소자 구조 및 실험 개략도. (왼쪽) 강자성 (FM)/Ti/CoFeB/MgO 소자 (오른쪽) 스핀 궤도 토크 실험 설명도.

 

 

실험 결과 이론적 예측이 입증되었다. 삼중층 구조에서 자화된 바닥층 강자성2와 전이 금속의 계면에서 중금속/강자성에서와 유사한 크기의 스핀 전류가 생성되었다. 그리고 이 스핀 전류는 중간 전이 금속층을 통과하여 상부층 강자성1의 자화를 변화시켰다. 이때 생성되는 스핀 전류는 바닥층 강자성 물질의 종류와 자화 특성에 따라 달라지는데, 이를 적절히 조절하면 상부층 강자성1의 자화 방향을 제어할 수 있었다. 즉 외부 자기장 없이 계면 효과에 의해 작동하는 SOT 메모리의 가능성이 입증된 것이다. 연구 결과는 2018네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 게재되었다.

 

하부 강자성(FM) 물질에 따른 스핀 궤도 토크 측정 결과. (왼쪽) FM=CoFeB, (오른쪽) FM=NiFe.

 

(c) 하부 강자성 물질의 자화 방향에 따른 스핀 궤도 토크 스위칭 결과. (왼쪽) 자화 방향 (M)//x, (오른쪽) M//y.

 

 

이 연구는 그동안 연구가 미비했던 계면 효과에 의한 스핀 전류 생성에 대한 물리학적 이해를 제공하여 학술 가치가 높다. 그리고 다수의 과학자들이 SOT M램의 작동에 대해 믿고 있는 것과 다른 이론을 제시하는 도전적인 연구다. 연구자들은 계면 효과에 의해 스핀 전류가 생성될 수 있음을 이론적으로 예측하고 실험으로 입증했다. 그리고 외부 자기장이 없는 상태에서 일어나는 상부층 강자성1의 자화 반전이 바닥층 강자성2의 자화에 좌우되는 정도는 계면 효과에 기반한 예측과는 일치하지만 벌크 효과에 기초한 예측과는 일치하지 않음을 보였다.

 

 

진정한 융합 연구: 이론-실험, 물리학-소재 공학, 기초 연구-개발 연구

 

이경진과 박병국은 지난 15년 이상 자기 메모리 관련 연구를 해 왔고 학술적으로도 실용적으로도 가치 있는 결과들을 내놓았다. 이 연구들의 학술적 가치는 이론과 실험 모두에서 찾을 수 있다. 첫째, 자기 메모리 소자에서 나타나는 물리 현상들에 대한 이해를 꾸준히 축적한 결과 이를 설명할 새로운 이론과 개념을 제시했다. 둘째, 오랜 연구 경험으로 얻은 노하우에 기반하여 새로운 구조를 가진 MTJ를 만들고 이를 이용해 실험으로 입증했다. 특히 연구자들은 새로운 물리 현상에 대한 이론적이고 근본적인 의문에서 출발했고 그 의문을 푸는 데 집중했다. 이는 마치 19세기에 전자기 실험에서 처음 접한 현상들이 물리학자들의 지적 호기심을 자극했고 결국 고전 전자기학의 성립으로 이어졌던 것과 비슷하다.

 

동시에 연구 결과에서 차세대 메모리 개발에 의미 있는 해석이 도출되었다. 2009년의 STT 연구는 STT M램의 기록 오동작을 방지할 수 있는 열쇠를 제공했다. 스핀테크 연구자들도 참여한 국제 공동 연구였기 때문에 연구 결과가 특허로 이어지지 못했지만 내용만 보면 특허 신청에 모자람이 없었다. 이경진은 확인할 수는 없지만 이 연구 결과는 늦어도 2019년에는 출시될 것으로 예상하는 삼성전자의 STT M램에 반영되었을 것이라고생각한다. 2016년의 SOT 연구는 실험을 위해 고안한 소자가 고집적 가능한 소재 기술 개발로 이어졌다. 2018년의 계면에서의 스핀 전류 형성 연구 역시 자기 메모리 구동의 핵심인 스핀 전류를 효율적으로 생성하고 통제 가능한 신소재 개발의 가능성을 제시했다.

 

이들의 연구의 경제적 가치를 지금 추산하기는 쉽지 않다. STT M램은 이제 양산 단계이고 SOT M램은 아직 기초 연구 또는 개발 연구 초기에 머물러 있기 때문이다. 그러나 가장 유력하다고 생각되는 자기 메모리의 원천 기술이 될 수 있는 이러한 연구 성과는 반도체 메모리 강국인 한국 메모리 산업의 내일을 위해 중요하고도 필요하다는 점은 분명하다. 단 처음부터 특정 기술 문제 해결을 목적으로 시작한 연구 결과라기보다는 연구자들이 물리 현상에 독창적으로 접근하고 열정을 쏟아 정밀하게 실험하려 노력한 결과 얻은 보너스에 가깝다. 그러나 매우 중요한 보너스다.

 

마지막으로 이 연구들은 21세기의 기초 연구가 융합성과 네트워크 특성을 가지고 이는 과학자들, 즉 사람을 통해 구현된다는 점을 보여 준다. 이경진은 고려 대학교에서 본격적인 자기 연구를 시작하기 전까지 지적으로, 물리적으로 계속 움직였다. 전공을 바꾸고 소속 기관을 옮기고 연구 주제를 조금씩 확대했다. 이 과정을 통해 그는 자성 물질과 스핀트로닉스의 물리 이론과 소자 실험의 언어를 모두 이해하고 이 둘을 매개할 수 있는 능력을 갖추었다. 박병국 역시 MTJ 소자 실험에서 최고 수준의 성과를 내고 있는 신뢰할 만한 실험 과학자다. 마찬가지로 기업 연구 경험이 있고 유럽에서 물리학자들과 함께 연구해 본 경험도 가지고 있는 소재공학 전공자다. 이것이 두 사람이 중심을 이루는 연구팀은 기초와 응용, 이론과 실험, 물리학과 소재 공학의 여러 경계선에 걸쳐 있으면서 양쪽에 모두 의미 있는 성과를 낼 수 있었던 비결 중 일부다.

 

 

 

참고 문헌

 

Oh, S. C., Park, S. Y., Manchon, A., Chshiev, M., Han, J. H., Lee, H. W., ... & Dieny, B. (2009). Bias-voltage dependence of perpendicular spin-transfer torque in asymmetric MgO-based magnetic tunnel junctions. Nature Physics, 5(12), 898-902.

Oh, Y. W., Baek, S. H. C., Kim, Y. M., Lee, H. Y., Lee, K. D., Yang, C. G., ... & Jeong, J. R. (2016). Field-free switching of perpendicular magnetization through spinorbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures. Nature nanotechnology, 11(10), 878-884.

Seung-heon, C. B., Amin, V. P., Oh, Y. W., Go, G., Lee, S. J., Lee, G. H., ... & Lee, K. J. (2018). Spin currents and spinorbit torques in ferromagnetic trilayers. Nature Materials, 17(6), 509-513.

김영근. (2007). 자기 메모리(MRAM) 기술의 동향과 발전 전망. 물리학과 첨단기술, 1612http://webzine.kps.or.kr/?now_url=../contents/data/webzine/webzine/14762095597.pdf.

김영근. (2007). ‘거대자기 저항(GMR) 발견의 의의. 물리학과 첨단기술, 1612. http://webzine.kps.or.kr/?now_url=../contents/data/webzine/webzine/14762095571.pdf.

김우진 & 이경진. (2010). 스핀전달토크를 이용한 스핀트로닉스 소자. 물리학과 첨단기술, 7/8, 7-13. http://webzine.kps.or.kr/?now_url=../contents/data/webzine/webzine/14762093342.pdf.

박병국. (2003). (A) study on magnetic tunnel junctions with insulating barriers formed by ozone oxidation= 오존 산화로 형성된 절연막을 가진 자기터널접합에 관한 연구.

이경진. (2000). Micromagnetics of thermally assisted switching of magnetization in magnetic recording system= 자기기록시스템에서 열적 자화반전의 미소자기학에 대한 연구.

이경진. (2007). 스핀전달토크(Spin-Transfer Torque)의 원리 및 응용. 물리학과 첨단기술, 1612. http://webzine.kps.or.kr/?now_url=../contents/data/webzine/webzine/14762095584.pdf.

 


이 글은 기초연구연합회의 「2018년도 기초 연구 성과 사례 모음」을 바탕으로 작성되었습니다. 이 글의 작성은 전북 대학교 부설 한국 과학 문명학 연구소의 김근배 교수님께서 맡아 주셨습니다.

 

기초연구연합회

기초연구연합회는 20179월 기초 연구의 중요성에 동의하는 학회들의 연합체로 출범해 현재 28개 학회가 회원으로 참여하고 있는 학회 연합회이다. ‘창의성과 다양성을 추구하는 연구 환경 조성과학의 저변 확대라는 목표 아래, 기초 연구의 위기 속에서 연구자 주도성 확보와 창의적인 기초 연구의 새로운 틀 확립을 위해 그동안 잘 알려지지 않은 기초 연구 성과 사례를 매년 선정해 발표하고, 기초 연구 활성화를 위한 지원을 강조하는 대() 정부 · 국민 · 국회 홍보 활동 등을 수행하고 있습니다.

 

참고 링크

이경진 교수의 카이스트 응용 스핀트로닉스 연구실 (링크)

박병국 교수의 카이스트 나노스피트로닉스 연구실 (링크)

 

 

 

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