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키랄 스핀트로닉스가 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 방법
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스핀트로닉스가 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 방법
하드웨어 컴퓨팅 분야는 점차 실리콘 칩을 넘어, 더 나아가 고전적인 이진 컴퓨팅 방식 자체를 벗어나기 시작했습니다.
이는 현재 컴퓨터와 데이터 센터에 사용되는 일반적인 칩과 메모리를 제조하는 것이 점점 더 어려워지고 있으며, 최신 세대의 트랜지스터는 몇 나노미터에 불과하기 때문입니다.
또 다른 요인은 특히 AI 시스템에 대한 컴퓨팅 파워 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 제시되고 있습니다.
또 하나는 전자 흐름(전류) 대신 전자의 스핀이라는 양자 특성을 활용하는 스핀트로닉스입니다.
스핀트로닉스의 장점 및 잠재적 응용 분야
트랜지스터 같은 전자 부품은 전통적으로 실리콘으로 만들며 반도체에 의존합니다. 이진 신호의 0과 1은 전류의 통과 또는 차단을 나타냅니다.
컴퓨팅을 수행하는 또 다른 방법은 전류가 아니라 전자의 스핀(기본적인 양자 특성)을 이용하는 스핀트로닉스 장치를 사용하는 것입니다.
출처: Insight IAS
데이터는 전자의 스핀 각운동량(전자가 위(up) 또는 아래(down) 방향을 갖는 것으로 상상할 수 있음)과 전자 궤도 각운동량(전자가 원자핵 주위를 어떻게 움직이는지를 설명) 두 가지 방식으로 인코딩될 수 있습니다.
이것은 0과 1만을 사용하는 것보다 더 많은 정보를 담을 수 있기 때문에, 스핀은 전통적인 전자 장치보다 원자당 더 많은 데이터를 저장할 수 있습니다.
스핀트로닉스는 고전 전자 시스템에 비해 몇 가지 추가적인 장점을 가지고 있습니다, 특히:
- 데이터 전송이 더 빠릅니다. 스핀은 훨씬 빠르게 변경될 수 있기 때문입니다.
- 전력 소비가 적습니다. 스핀을 변경하는 데 전류를 유지하기 위해 전자를 흐르게 하는 것보다 적은 전력이 필요합니다.
- 복잡한 반도체 재료 대신 단순 금속을 사용할 수 있습니다.
- 스핀은 반도체 상태보다 휘발성이 낮아 데이터 저장이 더 안정적입니다.
스와이프하여 스크롤 →
| 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 | 스핀 전환이 더 빠름 |
| 재료 | 복잡한 반도체 | 단순 금속/산화물 |
| 데이터 안정성 | 휘발성 저장 | 안정적, 비휘발성 |
스핀트로닉스는 1990년대부터 하드디스크 판독 헤드에 상용화되어 지난 수십 년간 저장 밀도를 크게 높였습니다.
“스핀은 전자가 지닌 양자역학적 특성으로, 전자가 들고 있는 아주 작은 자석처럼 위나 아래를 가리킵니다.
우리는 전자의 스핀을 활용하여 이른바 스핀트로닉스 장치에서 정보를 전송하고 처리할 수 있습니다.
최근 스핀트로닉스에서는 많은 진전이 있었습니다. 예를 들어 스핀 손실을 다시 자화로 전환해 스핀트로닉스 전자장치를 더욱 에너지 효율적으로 만들 수 있다는 점과 스핀트로닉스와 그래핀 이 차세대 양자 회로를 구동할 수 있다는 점이 밝혀졌습니다.
그리고 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 나노헬리스를 만들었으며, 이는 이른바 “키랄 스핀트로닉스”라는 완전히 새로운 분야를 창출할 수 있습니다.
연구진은 권위 있는 과학 저널 Science에 결과를 발표했으며1, 논문 제목은 “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.
키랄 스핀트로닉스
스핀트로닉스에서의 키랄리티란 무엇인가?
자연에서 대칭은 DNA의 구성 요소와 빛 자체를 포함한 많은 대상의 기본 특성입니다. 서로 거의 같은 두 분자가 조성이나 모양이 아니라 방향만 다른 경우가 있는데, 이를 “키랄성”이라고 합니다.
키랄리티는 가장 간단히 말해 왼손과 오른손이 모양, 구조, 기능은 동일하지만 방향만 다른 현상으로 설명할 수 있습니다.
키랄리티는 생물학에서 근본적인 역할을 하며, 자연 선택은 오직 “우핸드(right‑handed)” DNA 분자, 당, 그리고 아미노산(단백질의 기본 구성 요소)만을 선택해 왔습니다.
하지만 무기물은 대체로 무질서하거나 키랄성이 없는 결정이어서 이러한 특성이 드뭅니다.
스핀트로닉스를 위한 금속의 키랄리티 획득 방법
연구진은 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 제어해 왼손형과 오른손형 키랄 자성 나노헬릭스를 모두 만들었습니다. 강자성 특성 때문에 코발트-철 합금을 선택했습니다.
이 과정의 핵심 혁신은 신코닌이나 신코니딘 같은 키랄 유기분자를 극미량 사용해 나선 형성을 유도한 것입니다.
“금속과 무기물은 합성 과정에서 키랄성을 제어하기가 매우 어렵고, 특히 나노 규모에서는 더욱 그렇습니다.
키랄 분자를 추가하는 것만으로 무기 나선의 방향을 프로그래밍할 수 있었다는 사실은 재료화학의 획기적인 성과입니다.”
이 나노헬릭스의 키랄성을 입증하기 위해 연구진은 회전 자기장 아래에서 나선이 만드는 전자기장(EMF)을 측정했습니다.
왼손형과 오른손형 나선이 서로 반대인 EMF 신호를 만들기 때문에 재료가 올바르게 제조됐는지 쉽게 시험할 수 있습니다. 이는 키랄성을 정량적으로 확인하면서도, 일반적인 확인법처럼 자성 물질이 빛과 강하게 상호작용할 필요가 없습니다.
더 중요한 점은 이 키랄 자성 금속이 스핀도 선택적으로 유도한다는 사실입니다. 한 방향의 스핀은 우선 통과시키고 반대 방향은 차단합니다.
“유기분자에서는 구조의 손잡이 방향이 생물학적 또는 화학적 기능을 결정하는 경우가 많아 키랄성이 잘 이해되어 있습니다.”
키랄 스핀트로닉스의 잠재적 응용 분야
재료 자체의 자화(스핀 정렬)를 통해 실온에서 장거리 스핀 수송이 가능해졌습니다.
이 효과는 키랄 축과 스핀 주입 방향 사이의 각도와 관계없이 일정했습니다. 같은 크기의 비자성 나노헬릭스에서는 나타나지 않았으므로 키랄 자성 나선과 직접 연관된 것으로 보입니다.
이는 비교적 거시적인 규모의 재료에서 처음 발견된 비대칭 스핀 수송입니다.
연구팀은 키랄성에 따라 전도 신호가 달라지는 고체 소자도 구현해 실용적인 스핀트로닉스 응용의 길을 열었습니다.
“이 나노헬릭스는 기하 구조와 자성만으로 약 80%를 넘는 스핀 편극을 달성합니다.”
구조적 키랄성과 고유 강자성이 결합된 드문 사례로, 복잡한 자기 회로나 극저온 장치 없이 실온에서 스핀을 여과하고 구조 설계를 통해 전자 거동을 제어하는 새로운 방법을 제공합니다.”
이 신기술의 또 다른 장점은 희귀 재료나 복잡한 기술을 사용하지 않아 제조 공정이 비교적 단순하고 저렴하다는 점입니다.
“이 시스템이 키랄 스핀트로닉스와 키랄 자성 나노구조 아키텍처의 플랫폼이 될 수 있다고 생각합니다.
이 연구는 확장 가능한 무기 재료를 바탕으로 기하 구조, 자성, 스핀 수송을 강력하게 융합했습니다.”
이 새로운 개념과 재료의 잠재력을 완전히 탐구하려면 더 많은 연구가 필요합니다. 예를 들어 가닥 수를 이중 또는 다중 나선으로 자유롭게 바꿀 수 있으며, 아직 발견되지 않은 다른 특성을 얻을 수 있습니다.
이 다목적 전기화학 방식으로 손잡이 방향(왼쪽·오른쪽)은 물론 가닥 수(이중·다중 나선)까지 제어할 수 있어 새로운 응용 분야에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
생산이 쉽고 장거리 스핀 전달도 가능하므로 완전한 스핀 기반 컴퓨터와 네트워크 제작에 매우 유용할 수 있습니다. 에너지 소비 감소와 안정적인 데이터 저장이라는 경제적 이점도 있습니다.
스핀트로닉스 혁신 기업에 투자하기
1. Everspin Technologies
MRAM 가격 차트
Everspin은 현재 상용화된 스핀트로닉스 형태인 MRAM(자기저항식 랜덤 액세스 메모리) 시스템 개발에 전념하는 Freescale(NXP, 주식 코드 NXPI)의 분사 기업이며, 2016년에 독립 상장했습니다.
Everspin은 MRAM(자기저항식 랜덤 액세스 메모리) 기술의 선두 기업으로 평가되며, Freescale이 2006년 세계 최초로 MRAM 칩을 상용화한 경험.
MRAM은 전류가 없어도 데이터가 유지되기 때문에 중요한 정보를 잃어서는 안 되는 민감한 용도에서 점점 더 널리 사용됩니다.
데이터 분석, 지상·우주 클라우드 컴퓨팅, 인공지능(AI), 산업용 IoT를 포함한 엣지 AI 등 광범위한 응용에 힘입어 비휘발성 메모리 시장은 2020~2030년 연평균 27.5% 성장할 것으로 전망됩니다.
출처: Everspin
회사는 시장 규모가 2027년 74억 달러에 이를 것으로 예상합니다. 2021년 이후 부채가 없고 잉여현금흐름도 흑자를 유지했습니다.
Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장 중인 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록 장치, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 핵심인 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.
출처: Everspin
칩셋, AI, 시냅스 시스템의 성장도 장기적으로 회사에 도움이 될 수 있습니다.
2. NVE Corporation
NVEC 가격 차트
또 다른 스핀트로닉스 선도기업인 NVE는 1995년 MRAM 기술에 대한 첫 특허를 취득한 이후 이 기술을 개발해 왔습니다. 스핀트로닉 센서 와 아이솔레이터를 생산하며, 주로 자동차, 기어, 의료기기, 전원장치와 기타 산업기기의 측정·센서 시스템에 사용됩니다.
출처: NVE
NVE는 Everspin과 다소 다른 범주에 속합니다. NVE는 스핀트로닉스 기반 자기계라는 틈새시장에서 강한 산업기업인 반면, Everspin은 Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, Samsung 등과 협력하고 경쟁하는 메모리·컴퓨팅 기업이며 이들 역시 자체 MRAM 제품을 개발하고 있습니다.
투자자 성향에 따라 이 차이는 주식의 매력을 높이거나 낮출 수 있습니다. NVE는 배당수익과 안정성을 원하는 보수적 투자자에게 더 적합할 가능성이 큽니다.
연구 참고
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
