20세기가 반도체 기술로 대표되는 전자산업의 시대로 요약된다면, 21세기는 전자의 스핀정보를 이용한 스핀트로닉스(spintronics)[전자의 자기적방향을 뜻하는 스핀(spin)과 전자기술(electronics)을 합성한 스핀전자기술이라는 의미의 신조어] 기술 기반의 나노산업 시대로 점쳐지고 있습니다.
스핀트로닉스는, 명칭에서도 알 수 있듯이, 현재의 반도체소자가 전자의 전하만을 다루고 있는데 반하여, 전자의 전하뿐만 아니라 스핀정보 즉, 업스핀(up spin ↑)전자와 다운스핀(down spin ↓)전자를 구분하여 이동을 제어하고자 하는 차세대 스핀 전자기술입니다.
이미 이 기술은 금세기 화두인 나노기술(NT : nanotechnology)의 한축으로 자리잡으며 소자 크기의 나노화라는 목표와 양자단위 극미소 제어를 향해 달려가고 있습니다.
물체가 왜 자기적 현상을 띤 자성체가 되는가에 대한 오래된 의문은 전자가 질량 및 전하 외에 스핀(spin)이라는 새로운 물리적 특성을 갖고 있다는 사실을 양자역학이론이 밝혀냄으로서 풀렸습니다.
전자의 스핀현상을 고전역학적인 모델로 쉽게 설명하면 지구가 태양 주위를 공전하며 동시에 지구축을 중심으로 자전하듯 원자 세계에서도 전자가 원자핵 주위를 도는 공전운동과 동시에 전자축을 중심으로 자전 운동을 하고 있어다고 볼 수 있습니다.
그런데, 전자의 공전운동과 자전운동 모두가 자기적 특성을 야기하지만 공전운동에 의한 기여도는 자전운동에 의한 기여도에 비해 미미하여 전자의 스핀이 원자의 자기적 특성을 좌우하게 됩니다.
이때 이웃 원자간에도 전자 스핀에 의한 교환 상호작용(exchange interaction)이 존재하게 되는 데 이 상호작용에 의해 발생되는 에너지가 주변 온도로 발생되는 열에너지보다 작으면 이웃 전자간의 스핀 방향은 서로 무관하게 됩니다[즉, 엔트로피 법칙에 의하여 자기적인 무질서도가 증가합니다].
대부분의 금속이나 반도체 물질이 이런 경우에 속합니다.
그러나 이 교환 상호작용 에너지가 열에너지보다 큰 물질의 경우는 이웃 전자들간에 스핀 방향이 서로 질서있게 정렬되는 협동현상을 보여 자석의 특성을 가지게 되는 것입니다.
이를 구분하면 이웃 스핀간의 정렬되는 양상이 서로 같은 방향으로 정렬되는 강자성체(Ferromagnetism), 반대 방향으로 정렬되는 반강자성체(AntiFerromagnetism),스핀이 큰 분자와 작은 분자가 교대로 정렬되는 준강자성체(Ferrimagnetism)등으로 나눌 수 있습니다.
우리가 흔히 볼수 있는 금속중에 철 ·코발트 ·니켈 등은 단원자 물질로 유일하게 상온에서 강자성 특성을 가지고 존재하는 자성체 물질입니다.
이러한 강자성체 물질이 스핀전자현상을 지니는 이유는 스핀분극(spin polarization)이라는 현상으로 설명됩니다.
전자는 외부에서 자기장(↑으로 가정)이 가해지면, 자기모멘트(magnetic momet)에 의하여 자화방향과 평행한 스핀을(↑: majority spin)을 가지거나 반평행한 스핀(↓:minority spin)을 가지게 됩니다. 이 둘간의 전자밀도 비율이 비슷한 물질이 바로 비자성체가 되고, 강자성체는 전자밀도가 exchange splitting이라는 현상에 의하여 비대칭적으로 존재하게 되어, ↑스핀전자와 ↓스핀전자의 전류기여도에 차이가 생기게 되는 물질을 말합니다.
이를 원자적 구조적으로 고찰하면, 비자성체의 전류전도는 대칭형인 s, p밴드의 전자가 기여[↑↓스핀전자의 기여도가 같으므로 자기현상이 나타나지 않습니다]하는 반면, 강자성체의 전류전도는 상대적으로 d밴드는 전자기여도가 커져 강한 교환 결합에너지에 의하여 스핀 분극되어 ↑전자와 ↓전자의 기여도에 차이가 생기게 된다고 알려져 있습니다.[Fig 1참조].
최근 이러한 스핀트로닉스 자성체의 새로운 기술적 응용으로 급부상하고 있는 분야가 자기메모리(MRAM : Magnetic Random Access Memories)기술 분야입니다.
이는 스핀이 전자의 전달현상에 큰 영향을 미치기 때문에 발생하는 거대자기저항(GMR:Giant MagnetoResistance)현상이나, 자기투과 현상(TMR:Tunneling MagnetoResistance)을 이용해 메모리 소자를 구현하려고 시도를 말합니다.
최근에는 GMR현상을 이용하는 MRAM의 경우 GMR의 자기저항비가 10%에 그쳐 신호의 정확한 재생을 위해 두번정도 재생하는 작업이 필요하여 속도가 떨어지는 단점이 있으므로, 상온에서 자기저항비가 20%이상이 가능한 TMR법을 MRAM에 이용하는 방법이 주로 연구되고 있습니다.
부연하면, GMR의 경우 비자성층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우보다 다른 경우가 저항이 크게 차이나는 현상을 이용해 자기메모리 소자를 구현하려는 것[Fig. 2 참조] 이고, TMR의 경우 스핀분극 자기투과 현상을 이용하여 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경
|
발명이야기
Designed by DOWON.NET