전기신호로 물질의 전기, 자기 및 광학적 특성을 변화시키는 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-11-25

약간의 전압을 인가함으로써 물질의 자기적 성질을 변환시킬 수 있는 새로운 방법이 MIT 연구팀에 의해 개발되었으며, 이는 다양한 전환특성을 갖는 새로운 물질의 출현에 대한 신호탄이 되고 있다. 이 기술은 궁극적으로 자성(magnetism) 대신에 반사율 혹은 열 전도도를 포함한 성질들을 조절하는데 활용될 수 있을 것이다. 첫 번째 활용분야는 일단 데이터가 기록된 후에 전력이 없어도 데이터를 유지할 수 있는 새로운 종류의 메모리 칩이 될 것이며, 전력소비를 크게 낮춰 주게 될 것이다. 특히 전지의 사용기간이 큰 문제가 되고 있는 이동식 기기에 매우 유용할 것이다. 본 연구결과는 Nature Materials지에 게재되었으며, MIT 박사과정 학생인 Uwe Bauer, 부교수인 Geoffrey Beach외에도 여섯 명이 연구에 참여하였다. 재료공학과 부교수인 Beach는, 본 연구가 Bauer의 박사논문 연구라고 소개하였다. 본 연구는 새로운 종류의 비휘발성, 초저전력 메모리 칩 출현을 선도할 것이라고 평가하였다. 자기 메모리 성분를 조절하기 위해 전기신호를 사용하는 개념은 칩 제조업자들에 의해 많이 연구되어온 분야이다. 그러나 MIT 연구팀은 이런 기술을 실용화하는데 큰 진전을 이루었다. 이런 기기의 구조는 커패시터(capacitor)의 구조와 유사하다. 두 개의 얇은 전도성 층이 절연층으로 분리되어 있는 구조이다. 절연층은 매우 얇아서 특정 조건에서는 전자가 절연층을 통과할 수 있다. 그러나 커패시터와는 달리 이런 저전력 칩에서의 전도성 층은 자화되어 있다. 새로운 기기에서, 한 개의 전도성 층은 고정된 자화상태이고 다른 하나는 인가되는 전압에 따라 두 가지 배향성 중 하나로 전환된다. 자기적 배향이 정렬되면 전자가 한 층에서 다른 층으로 이동하는 것이 용이해지며, 서로 반대방향으로 정렬되면 절연성이 높아진다. 이런 상태를 “0” 혹은 “1”로 표시할 수 있다. 본 연구에서 기기의 상태를 전환하는데 단지 수 볼트의 전압만이 필요하였으며, 전원을 끊은 상태에서도 변경된 상태를 유지하였다. 기존의 메모리 기기는 이런 상태를 유지하기 위해 지속적인 전력공급을 필요로 한다. MIT 연구팀은 전압 변화로 자화 상태를 변경할 수 있는 시스템을 설계할 수 있었으며, 기존의 다른 연구팀이 달성 한 것보다 100배 정도 더 강력하였다. 자화상태의 강력한 변화는 새로운 메모리 셀의 장기적인 안정성을 가능하게 해 준다. 연구팀은 산화물로 만들어진 절연층을 사용함으로써 이런 상태를 구현할 수 있었으며, 이 절연층은 전압이 인가되면 산소 이온의 위치가 재배열되는 특성이 있다. 연구팀은 산소 이온의 계면 근처에서 전후로 이동하면 자기층의 성질이 크게 변한다는 것을 보여주었다. 연구팀은 이제 이런 변화가 더 빠르게 진행될 수 있는 방법을 연구하고 있다. 연구팀은 이미 메가헤르쯔 정도의 스위칭 속도는 달성하였지만, 완전히 경쟁력 있는 메모리 모듈을 위해서는 수 백 혹은 수 천 배의 추가적인 개선이 필요하다. 또한 연구팀은 산소 이동을 더욱 용이하게 하는 산화층을 가열하는 레이저광 펄스를 사용하여 자기 성질을 변경시킬 수 있다는 사실도 발견하였다. 동일한 기술은 반사도 혹은 열 전도도와 같은 재료의 다른 성질을 변경하는데 사용될 수도 있다. 이런 성질은 기계적 혹은 화학적 가공을 통해 보통 변경된다. 이런 모든 성질이 전기적으로 조절할 수 있게 되고, 빛으로 기록을 할 수 있게 될 것이다. 그림> 전압을 사용해 재료의 성질을 변화시킬 수 있는 원리를 설명해 주는 그림. 샌드위치 형태의 구조에서, 인가된 전압으로 이해 전기적으로 하전된 원자인 이온의 움직임이 발생한다. 이로 인해 목표물질의 자기적, 열적 혹은 광학적 특성의 일부가 변화되고, 전압이 제거된 후에도 계속 바뀐 성질이 유지된다. diagram.jpg http://phys.org/news/2014-11-technique-small-electrical-materials-thermal.html