국내 연구진이 2차원 나노 자성체에서 자기저항을 30배 이상 조절하는 기술을 세계 최초로 발견했습니다. 이번 연구는 초저전력 및 초고속 전자 소자 개발에 새로운 가능성을 제시하며, 반도체 기술의 한계를 극복하는 중요한 전환점이 될 것으로 기대되고 있습니다.
자기저항(Magnetoresistance, MR) 효과는 자기 센서 및 차세대 메모리(MRAM)와 같은 데이터 저장 장치에서 핵심적인 원리로 작용합니다. 특히 거대 자기저항(GMR)과 터널 자기저항(TMR) 기술은 지난 30년 동안 데이터 저장 기술을 획기적으로 발전시켰으며, 이를 발견한 공로로 2007년 알베르 페르(Albert Fert)와 피터 그륀베르크(Peter Grünberg)는 노벨 물리학상을 수상했습니다.
이번 연구는 울산대학교 김상훈 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 박태언 박사팀, 한국과학기술원(KAIST) 김세권 교수팀, 연세대학교 김경환 교수팀, 성균관대학교 이창구 교수팀과 공동 연구를 통해 2차원 자성체 Fe₅GeTe₂에서 자기저항을 기존보다 30배 이상 조절하는 데 성공한 결과입니다.
연구진은 나노 전자소자 내에서 자성체에 전류를 가함으로써 강자성체(FM)에서 반강자성체(AFM)로 상전이를 유도하여 자기저항 변화를 기존 5%에서 170%까지 증가시켰다. 이는 기존의 자기저항 조절 방식과는 근본적으로 다른 혁신적인 접근법이며, 연구팀은 이러한 변화가 2차원 자성체의 원자층 사이에 존재하는 반데르발스 틈(gap) 때문임을 밝혀냈습니다.
특히, 전류를 이용한 자기 상전이는 1996년 영국 옥스퍼드 대학에서 이론적으로 제안되었으나 30년간 실험적으로 입증되지 못했던 난제였는데, 이번 연구는 이러한 이론적 난제를 실험적으로 해결하며, 차세대 전자 소자 개발의 새로운 방향성을 제시했습니다.
2차원(2D) 소재는 원자층 수준의 초박형 물질로, 전자적, 광학적, 기계적 특성이 우수하여 반도체, 에너지, 센서 등 다양한 산업 분야에 응용될 가능성이 높습니다. 연구진은 이번 연구 성과가 기존 반도체 기술의 한계를 넘어 초저전력 인공 뉴런 소자, 마그논 트랜지스터, 차세대 AI 칩 및 양자컴퓨터와 같은 첨단 전자 소자의 개발로 이어질 것으로 예상하고 있습니다.
이번 연구를 주도한 울산대 김상훈 교수는 “본 연구를 통해 차세대 스핀트로닉스 소자의 핵심 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대한다”며 연구의 중요성을 강조했습니다. 또한 연구의 주요 역할을 맡은 울산대 김광수 박사과정생(제1저자)과 성균관대 안효빈 연구원(제1저자)은 4년간 연구를 주도하며 이 같은 성과를 이끌어냈습니다.
본 연구는 대학과 국가 연구기관 간의 협력을 통해 이루어진 것으로, 국내 학연 협력의 모범 사례로 평가되고 있습니다. 이러한 연구 성과는 국내 과학기술의 발전을 더욱 가속화하고, 국제적으로도 경쟁력을 갖출 수 있는 계기가 될 것으로 전망되고 있습니다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야에서 최상위 저널로 평가받는 〈Advanced Materials〉(Impact Factor 27.4)에 지난달 28일 게재되었으며, 연구진은 앞으로도 다양한 관점에서 후속 연구를 진행하여 산업적 적용 가능성을 확대할 계획입니다.