컴퓨팅
키랄 스핀트로닉스가 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 방법
스핀트로닉스가 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 방법
점점 더 하드웨어 컴퓨팅 분야가 실리콘 칩을 넘어, 심지어 전통적인 이진 컴퓨팅 형태 자체를 넘어보려 하고 있습니다.
이는 우리 컴퓨터와 데이터 센터에 사용되는 일반적인 칩과 메모리가 점점 제작이 어려워지고 있으며, 최신 세대는 트랜지스터가 몇 나노미터에 불과하기 때문입니다.
또 다른 요인은 AI 시스템을 중심으로 컴퓨팅 파워에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 에너지 소비가 문제가 되고 있다는 점입니다.
양자 컴퓨팅과 포토닉스가 컴퓨팅 수요를 줄이거나 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들기 위한 가장 두드러진 옵션으로 제안되고 있습니다.
또 다른 옵션은 전자의 스핀이라는 양자 특성을 이용해 전류(전자의 흐름)를 대신하는 스핀트로닉스입니다.
스핀트로닉스의 장점 및 잠재적 응용 분야
트랜지스터와 같은 전자 부품은 전통적으로 실리콘으로 제작되며 반도체에 의존합니다. 이진법의 0과 1 신호는 전류가 흐르거나 차단되는 것을 나타냅니다.
계산을 수행하는 대안적인 방법은 전류가 아닌 전자의 스핀(기본적인 양자 특성)을 이용하는 스핀트로닉스 장치를 사용하는 것입니다.
출처: Insight IAS
데이터는 전자의 스핀 각운동량(전자에 내재된 “위” 또는 “아래” 방향)과 궤도 각운동량(전자가 원자핵 주위를 어떻게 움직이는지를 설명) 모두에 인코딩될 수 있습니다.
이것은 0과 1만을 사용하는 것보다 더 많은 정보를 담고 있기 때문에, 스핀은 전통적인 전자 장치보다 원자당 더 많은 데이터를 담을 수 있습니다.
스핀트로닉스는 고전 전자 시스템에 비해 몇 가지 다른 장점이 있습니다, 특히:
- 데이터가 더 빠릅니다. 스핀이 훨씬 빠르게 변경될 수 있기 때문입니다.
- 전류를 유지하는 데 필요한 전력보다 적은 전력으로 스핀을 변경할 수 있어 에너지 소비가 적습니다.
- 복잡한 반도체 재료 대신 단순한 금속을 사용할 수 있습니다.
- 스핀은 반도체 상태보다 휘발성이 낮아 데이터 저장이 더 안정적입니다.
스크롤하려면 스와이프 →
| 특징 | 전통 전자 | 스핀트로닉스 |
|---|---|---|
| 정보 전달 매체 | 전류 (0 또는 1) | 전자 스핀 (위/아래) |
| 에너지 효율 | 높은 전력 요구 | 낮은 전력 사용 |
| 속도 | 전류 흐름에 의해 제한됨 | 더 빠른 스핀 전환 |
| 재료 | 복잡한 반도체 | 단순 금속/산화물 |
| 데이터 안정성 | 휘발성 저장소 | 안정적, 비휘발성 |
스핀트로닉스는 1990년대부터 하드 드라이브 읽기 헤드에 상용화되어 지난 수십 년간 저장 밀도를 크게 높였습니다.
“스핀은 전자의 양자역학적 특성으로, 전자가 가지고 있는 작은 자석과 같으며 위쪽이나 아래쪽을 가리킵니다.
우리는 전자의 스핀을 활용해 이른바 스핀트로닉스 장치에서 정보를 전송하고 처리할 수 있습니다.
Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology
최근 스핀트로닉스 분야에서 많은 진전이 이루어졌습니다. 예를 들어 스핀 손실을 다시 자화로 전환하여 스핀트로닉스 전자를 더욱 에너지 효율적으로 만들 수 있습니다거나, 스핀트로닉스와 그래핀이다음 세대 양자 회로에 전력을 공급할 수 있습니다라는 연구가 있습니다.
과학자들은 아직도 스핀트로닉스 장치를 개선할 새로운 방법을 발견하고 있습니다. 예를 들어 서울대학교(대한민국), 고려대학교, 한국과학기술원, 그리고 미국 Feinberg School of Medicine 연구진이 전자 스핀을 제어할 수 있는 자기 나노 나선 구조를 만들어, 이른바 “키랄 스핀트로닉스”라는 완전 새로운 분야를 창출했습니다.
그들은 이 결과를 권위 있는 과학 잡지 Science1에 “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”라는 제목으로 발표했습니다.
키랄 스핀트로닉스
스핀트로닉스에서의 키랄리티란 무엇인가?
자연에서는 대칭이 많은 것들의 근본적인 특징이며, DNA 구성 요소와 빛 자체도 포함됩니다. 두 분자가 거의 동일하지만 구성이나 형태가 아니라 방향이 다를 수 있는데, 이를 “키랄리티”라고 합니다.
키랄리티는 가장 간단히 말해 왼손과 오른손이 형태, 구조, 기능은 동일하지만 방향만 다른 현상으로 설명할 수 있습니다.
키랄리티는 생물학에서 근본적인 역할을 하며, 자연 선택은 오직 “우핸드” DNA 분자, 당, 그리고 아미노산(단백질의 기본 구성 요소)만을 선택했습니다.
하지만 무기 물질에서는 드물며, 무기 물질은 대개 무질서하거나 키랄리티가 없는 결정 구조를 가집니다.
스핀트로닉스를 위한 금속이 키랄리티를 얻는 방법
연구진은 전기화학적으로 금속 결정화 과정을 제어하여 좌우 손잡이의 키랄 자기 나노 나선을 모두 만들었습니다. 코발트-철 합금이 강자성 특성 때문에 선택되었습니다.
이 과정의 핵심 혁신은 시넨인 또는 시넨딘과 같은 소량의 키랄 유기 분자를 사용해 나선 형성을 유도한 것입니다.
“금속 및 무기 물질에서 나노 규모에서 키랄리티를 제어하는 것은 매우 어렵습니다.
키랄 분자를 첨가함으로써 무기 나선의 방향을 프로그래밍할 수 있다는 사실은 재료 화학 분야의 획기적인 진전입니다.
키랄 나선의 전자기장을 회전하는 자기장 하에서 측정하여 키랄리티를 입증했습니다.
이는 재료가 제대로 생산되었는지 쉽게 테스트할 수 있는 방법을 제공하는데, 좌우 손잡이 나선이 반대 방향의 EMF 신호를 생성해 키랄리티를 정량적으로 검증할 수 있게 해 주며, 일반적인 빛과의 강한 상호작용을 필요로 하지 않습니다.
더 중요한 것은 이 키랄 자기 금속이 스핀을 방향에 따라 안내한다는 사실을 발견한 것입니다. 한 방향의 스핀은 통과시키고 반대 방향 스핀은 차단합니다.
“키랄리티는 유기 분자에서 잘 이해되고 있으며, 구조의 손잡이가 종종 그 생물학적 또는 화학적 기능을 결정합니다.”
키랄 스핀트로닉스의 잠재적 응용 분야
재료 고유의 자화(스핀 정렬)를 통해 실온에서도 장거리 스핀 전송이 가능해졌습니다.
이 효과는 키랄 축과 스핀 주입 방향 사이의 각도와 무관하게 일정함이 입증되었습니다. 동일한 규모의 비자성 나선에서는 관찰되지 않았으며, 이는 키랄 자기 나선과 직접적으로 연관된 것으로 보입니다.
이는 비교적 거시적인 규모의 물질에서 최초로 비대칭 스핀 전송이 발견된 사례가 될 것입니다.
팀은 또한 키랄 의존 전도 신호를 보여주는 고체 상태 장치를 시연하여 실용적인 스핀트로닉스 응용을 위한 길을 열었습니다.
“이 나노 나선은 기하학과 자성만으로도 약 80% 이상의 스핀 편극을 달성합니다 —”
이는 구조적 키랄리티와 고유 강자성의 드문 조합으로, 복잡한 자기 회로나 저온 장치 없이도 실온에서 스핀 필터링을 가능하게 하며, 구조 설계를 통한 전자 행동 엔지니어링의 새로운 방식을 제공합니다.
이 새로운 기술의 또 다른 장점은 희귀 재료나 복잡한 기술 없이 비교적 간단하고 저렴하게 제조할 수 있다는 점입니다.
“우리는 이 시스템이 키랄 스핀트로닉스와 키랄 자기 나노구조의 아키텍처를 위한 플랫폼이 될 수 있다고 믿습니다.
이 작업은 기하학, 자성, 스핀 전송의 강력한 융합을 나타내며, 확장 가능한 무기 재료로 구축되었습니다.
이 새로운 아이디어와 재료의 잠재력을 완전히 탐구하려면 아직 훨씬 더 많은 작업이 필요합니다. 예를 들어 나선의 가닥 수(이중, 다중 나선)를 자유롭게 조절할 수 있으며, 아직 발견되지 않은 다양한 특성을 나타낼 수 있습니다.
“전기화학적 방법을 이용해 손잡이(좌/우)와 가닥 수(이중, 다중)를 제어할 수 있는 능력은 새로운 응용 분야에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.”
생산 용이성과 장거리 스핀 전송 가능성 사이의 조합은 완전한 스핀 기반 컴퓨터와 네트워크 생산에 매우 유용할 수 있으며, 낮은 에너지 소비와 안정적인 데이터 저장으로 경제적 이점을 제공합니다.
스핀트로닉 혁신 기업에 투자하기
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin은 현재 상용화된 가장 일반적인 스핀트로닉스 형태인 MRAM 메모리 시스템을 개발하는 Freescale(현재 NXP, 주식 코드 NXPI)의 분사 기업이며, 2016년에 분사되어 상장되었습니다.
Everspin은 MRAM(자기저항성 랜덤 액세스 메모리) 기술의 선두주자로, 2006년에 최초로 MRAM 칩을 상용화한 기업의 경험을 이어받았습니다.
MRAM은 전류가 없어도 기억을 유지하는 메모리이기 때문에, 중요한 데이터 손실 위험을 감수할 수 없는 민감한 사용 사례에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
데이터 분석, 클라우드 컴퓨팅(지상 및 우주), 인공지능(AI) 및 엣지 AI, 산업용 IoT 등 광범위한 응용 분야에 의해 주도되어, 영구 메모리 시장은 2020년부터 2030년까지 연평균 27.5% 성장할 것으로 예상됩니다.
출처: Everspin
회사는 2027년까지 시장 규모가 74억 달러에 이를 것으로 추정하고 있으며, 2021년 이후로 부채가 없고 자유 현금 흐름이 긍정적입니다.
Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장하고 있는 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록 장치, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 중요한 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.
출처: Everspin
칩셋, AI 및 시냅스 시스템의 성장도 장기적으로 회사에 큰 도움이 될 수 있습니다.
2. NVE Corporation
(NVEC )
다른 스핀트로닉스 선두 기업인 NVE는 1995년 MRAM 기술에 대한 최초 특허를 획득한 이후 이 기술을 연구해 왔습니다. 주로 자동차, 기어, 의료 기기, 전원 공급 장치 및 기타 산업 장비의 측정 및 센서 시스템에 사용되는 스핀트로닉 센서와 아이솔레이터를 생산합니다.
출처: NVE
이로 인해 NVE는 Everspin과는 다소 다른 카테고리에 위치하게 되며, NVE는 스핀트로닉을 이용한 자기계측기 분야에 강력한 입지를 가진 산업 기업인 반면, Everspin은 Intel, Qualcomm, Toshiba, Samsung 등과 경쟁하며 자체 MRAM 제품을 개발하는 메모리/컴퓨팅 기업에 더 가깝습니다.
투자자 프로필에 따라 주식 매력도가 달라질 수 있으며, NVE의 주식은 배당 수익률과 안전성을 중시하는 보수적인 투자자에게 더 매력적일 가능성이 높습니다.
참조 연구
1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
