기술개발 연구진. 왼쪽부터 KAIST 이근희 박사, 이경진 교수, 김경환 연세대 교수.

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스마트폰·노트북 발열 문제를 줄이고, 더 빠르고 전력 소모가 적은 '꿈의 메모리'를 구현하기 위한 연구가 활발한 가운데 우리 연구진이 그 기반을 마련했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이경진 물리학과 교수와 김경환 연세대 물리학과 교수 공동연구팀이 전류를 이용해 자성을 제어하는 기존 기술의 한계를 넘어, 전자의 '오비탈 교환상호작용'을 통해 자성을 자유자재로 조절할 수 있는 새로운 이론 체계를 세계 최초로 정립했다고 16일 밝혔다.

지금까지 차세대 메모리 연구는 전자의 '스핀'에 주로 집중해 왔다. 스핀은 전자가 마치 작은 팽이처럼 스스로 회전하며 만들어내는 성질로, 이 회전 방향을 이용해 정보를 저장하는 방식이다.

그러나 전자는 동시에 원자핵 주위를 돌며 '오비탈'이라는 궤도 운동도 한다. 연구팀은 이번 연구에서 전류가 흐를 때 발생하는 전자의 오비탈 에너지가 자성체의 오비탈과 직접 상호작용하며 정보를 전달한다는 원리를 이론적으로 규명했다. 이를 통해 기존 스핀 방식보다 훨씬 효율적으로 자석의 성질을 바꿀 수 있음을 확인했다.

가장 큰 성과는 전류가 단순히 자석의 방향만 바꾸는 것이 아니라, 자석이 특정 방향을 선호하는 성질이나 회전 특성 등 고유한 물성 자체를 조절할 수 있다는 점을 밝혀낸 것이다.

계산 결과, 오비탈을 이용한 제어 효과는 기존 스핀 기반 방식보다 훨씬 강력할 수 있음이 확인됐다. 향후 반도체 소자에서 스핀 대신 오비탈이 핵심 역할을 하는 '오비탈 기반 전자소자' 시대의 가능성을 제시한 것이다. 실제 실험에서 이 효과를 측정할 수 있는 방법까지 함께 제시해 향후 산업계 기술 활용 가능성도 높였다.

특히 최근 학계에서 큰 관심을 받고 있는 '교자성 물질'에도 이 원리가 적용될 수 있다. 교자성은 원자 속 전자 스핀이 서로 다른 방향으로 규칙적으로 배열된 새로운 형태의 자성 물질로, 겉으로는 자석처럼 보이지 않지만 전자 움직임에는 큰 영향을 준다. 이 특성 덕에 전자 상태를 정밀하게 제어할 수 있어 메모리 제어와 고속·저전력 반도체 소자 개발에 유리한 물질로 주목받고 있다.

이근희 박사는 “이번 연구는 전류로 자성을 제어할 때 반드시 '스핀'에만 의존할 필요가 없다는 사실을 보여준 사례”라며 “전자의 궤도 운동인 오비탈을 활용해 자성을 이해하고 제어하는 새로운 관점은 차세대 초고속·저전력 메모리 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 2월 2일 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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