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개인용 컴퓨터의 메모리(SRAM, DRAM)는 높은 속도로 동작이 가능하지만 전원이 꺼지는 순간 모든 정보를 잃어버리는 휘발성 메모리임. 반면, 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 정보저장 장치들은 동작 속도가 느림. 많이 쓰이는 플래시 메모리도 동작 속도는 SRAM, DRAM보다 수십 배 이상 느림.

자기(磁氣) 메모리(Magnetic RAM, MRAM)는 전원이 꺼져도 정보가 유지되면서도 SRAM, DRAM과 대등한 속도를 낼 수 있어 차세대 메모리로 주목받고 있지만 정보 기록을 위해 많은 전력이 소모된다는 문제가 있음.

포스텍 물리학과 이현우 교수와 서울대 물리천문학부 박제근 교수, 장 카이쎈 박사 공동연구팀은 자기메모리의 전력 소모를 낮추고 에너지 효율을 높이는 새로운 방법을 찾아냈음.

연구팀은 강자성 물질인 Fe3GeTe2에 전류를 걸면 이 물질이 강자성 물질에서 연자성 물질로 바뀐다는 것을 발견하고 이를 이용해 자기메모리의 에너지 효율을 높이는 방법을 제안했음.

연자성 물질은 평소에는 자기를 띠지 않다가 주변에 자기장이 형성되면 자화되는 물질임. 외부 자기장의 방향에 따라 N극과 S극 방향이 쉽게 바뀜. 반면 강자성 물질은 외부 자기장 없이 고유의 자성을 띠며 N극과 S극의 방향도 바뀌지 않음.

N극과 S극이 어느 방향을 가리키는지를 이용해 정보를 저장하는 자기 메모리에 연자성 물질을 사용하면 낮은 에너지로도 N극과 S극의 방향을 쉽게 바꿀 수 있어 정보를 쉽게 쓸 수 있고 에너지 효율이 높아짐. 그러나 연자성 물질은 자기장에 살짝만 노출되어도 N극과 S극 방향이 쉽게 바뀌기 때문에, 자기메모리를 연자성 물질로 만들 경우 정보를 안정적으로 오래 저장할 수 없다는 치명적인 문제가 있음.

이런 이유 때문에 자기메모리에 대한 기존 연구는 모두 N극과 S극 방향이 쉽게 바뀌지 않는 강자성 물질을 사용해 이루어져 왔음. 단 이 경우 N극과 S극의 방향이 쉽게 바뀌지 않기 때문에 정보를 기록하기 위해서는 강한 자극을 주어야 하고 이로 인해 에너지 효율이 낮아지는 문제가 생김.

연구팀이 발견한 Fe3GeTe2의 성질은 이 문제를 해결할 수 있는 단초를 제공해 줌. Fe3GeTe2는 강자성 물질이어서 N극과 S극 정보를 안정적으로 유지할 수 있는데 새로운 정보를 쓰려고 할 때만 Fe3GeTe2를 연자성 물질로 바꿀 수 있다면 정보 저장의 안정성과 정보 저장의 에너지 효율을 동시에 높이는 것이 가능함.

포스텍 이현우 교수는 “Fe3GeTe2에 전류를 걸면 특이한 형태의 스핀-궤도 토크가 생겨나면서 Fe3GeTe2가 강자성 물질에서 연자성 물질로 바뀐다”며 “이 성질을 이용하면 정보 저장 안정성을 훼손하지 않으면서 자기메모리의 에너지 효율 문제를 해결할 수 있다”고 설명했음.

서울대 박제근 교수는 “작은 전력으로 빠르게 자료를 처리하고, 전원이 꺼져도 정보가 지워지지 않는 저전력 고속 비휘발성 메모리 실현에 한발 다가섰다”며 기대감을 드러냈음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ (“Gigantic Current Control of Coercive Field and Magnetic Memory Based on Nanometer‐Thin Ferromagnetic van der Waals Fe3GeTe2”) 지에 게재되었으며, 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 리더프로그램의 지원으로 수행됨.