신소재공학과

전자기기 발열 문제 해결할 ‘스핀파’의 상용화 가능성 확인 

공과대학 신소재공학과 정종율 교수 연구팀이 포항공대 진현규 교수팀, 카이스트 김세권 교수팀과 함께 자석에 금속 나노 구조물을 삽입해 스핀파(spin wave) 기반 정보 전달 효율이 크게 증가할 수 있음을 규명하고, 전자기기 발열 문제를 해결할 차세대 기술로 주목받는 ‘스핀파’의 상용화 가능성을 확인했다.

이번 연구는 세계적인 학술지 ‘셀(Cell)’ 자매지인 ‘매터(Matter)’에 9월 26일 온라인판으로 게재됐으며, 충남대 나노공학연구소 카오반푸억 박사가 공동 제1저자, 정종율 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

※ 논문 제목: Enhancing spin pumping by nonlocal manipulation of magnon temperature

컴퓨터나 스마트폰 등 오늘날 보편적으로 사용되는 전자기기에서는 금속이나 반도체 소자 내부에 존재하는 전자의 흐름을 제어함으로써 연산 및 데이터 저장 기능을 수행한다. 최근 AI 및 클라우드 컴퓨팅 등의 기술 발전과 더불어 전자기기 내 금속 및 반도체 소자의 집적도가 급격히 증가함에 따라, 전자기기 발열 문제가 심각하게 대두되고 있다. 

전자기기 발열은 전자의 이동에 수반되는 에너지 손실에서 기인하는 것으로, 전자의 이동을 활용하는 현대의 전자기기에서는 필연적으로 발생할 수밖에 없는 현상이다. 따라서, 발열 문제를 해결하고 연산 및 저장 기술의 고도화를 달성하기 위해서는 전자의 이동으로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있는 기술 개발이 절실하다.

이에 연구팀은 자성 절연체 내에 존재하는 스핀파(spin wave)^*를 이용한 정보 전달 기술에 주목했다. 일반적으로 절연체는 전자가 자유롭게 이동할 수 없는 물질이지만, 자석과 같이 자성을 갖는 절연체를 사용할 경우 스핀파를 통해 전자의 이동 없이도 정보 및 에너지를 전달할 수 있다. 이러한 스핀파를 통한 정보 전달 기술은 전자 이동에 따른 발열 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 각광받고 있으나, 스핀파를 효과적으로 제어해 전달 효율을 높이는 방법의 부재로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

^*스핀파 (spin wave): 자성 절연체 내에서 한 방향으로 정렬된 국지화된(localized) 전자들의 스핀이 온도 구배나 교류 전류 등에 의해 여기되어(excited) 발생하는 파장(wave).

기존 연구를 통해 자성 절연체 내에서 스핀파의 온도 분포를 제어하는 것이 스핀파 전달 효율을 높이는 데 중요한 요소로 밝혀졌으나, 스핀파의 온도 분포를 독립적으로 제어할 수 있는 기술은 아직 개발된 사례가 없다. 

공동 연구진은 이번 연구에서 자성 절연체 박막에 나노 크기의 금 구조물을 삽입함으로써 해당 구조물이 없는 박막에 비해 스핀파 전달 효율이 250% 이상 향상됨을 확인했다. 이 구조물은 실생활의 열교환기 등에 많이 사용되는 핀(fin) 구조에서 영감을 받아 설계됐으며, 금 구조물의 함량에 따라 스핀파의 온도 분포를 효과적으로 제어할 수 있도록 설계됐다.

연구진은 실험 및 이론 분석을 통해, 자성 절연체 물질 한쪽 끝 부분에 삽입된 금 구조물이 마치 자동차 엔진의 열을 냉각시키는 핀 구조의 라디에이터처럼, 해당 위치에 존재하는 스핀파의 온도를 효과적으로 낮춤으로써 물질 전체적으로 스핀파의 온도 불균형을 야기한다는 사실을 발견했다. 또, 이러한 온도 불균형이 커질수록 스핀파 전달 효율이 크게 증가함을 보고했다. 연구진은 해당 연구를 통해 스핀파의 온도를 독립적으로 제어하여 스핀파 전달 효율을 높이는 최초의 방법을 제시했음을 강조했다.

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단, 교육과학기술부의 지원을 받아 수행됐으며, 우수성을 인정받아 삼성휴먼테크논문대상 에너지 및 환경 부문 은상을 수상했다. 

□ 논문 링크 : doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.023