재료 과학
광여기를 통한 전자 제어 – 자철석이 차세대 장치를 이끌어 갈까?
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스핀트로닉스의 잠재력
트랜지스터 같은 전자 부품은 흔히 실리콘 반도체로 만들며, 전류나 전압 상태를 이용해 이진 정보를 표현합니다. 스핀트로닉스는 전자의 기본 양자 특성인 스핀과 관련된 자기 상태도 정보 처리와 저장에 활용하는 기술입니다. 모든 스핀트로닉스 장치가 전류 없이 작동하는 것은 아닙니다.
스핀트로닉스는 기존 전자 기술에 비해 여러 장점을 제공할 가능성이 있습니다. 다만 실제 성능은 재료와 장치 설계에 따라 달라집니다.
- 일부 장치에서는 자기 상태를 빠르게 전환해 고속 동작을 구현할 수 있습니다.
- 비휘발성 메모리처럼 정보를 유지할 때 필요한 전력을 줄일 수 있는 응용이 있습니다.
- 금속, 산화물, 반도체 등 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 모든 경우에 단순한 금속만으로 기존 반도체를 대체할 수 있는 것은 아닙니다.
스핀과 관련된 자기저항 효과는 하드디스크의 읽기 헤드 등에서 이미 활용되어 왔습니다.
이 분야에서 연구되는 재료 가운데 하나는 자철석입니다. 화학식은 Fe₃O₄이며, 산소와 서로 다른 산화 상태의 철을 포함하는 천연 광물입니다.
출처: Britannica
자철석의 자기적 성질은 오래전부터 알려져 있지만, 전자 상태와 결정 구조가 상호작용하는 방식은 여전히 중요한 연구 대상입니다.
스위스 로잔 연방공과대학교(EPFL) 연구진은 레이저 파장에 따라 자철석에서 서로 다른 비평형 준안정 상태를 유도할 수 있음을 보였습니다. 이는 새로운 소자 연구에 도움이 될 수 있지만, 상용 장치가 완성되었다는 뜻은 아닙니다.
자철석의 숨겨진 특성
자철석은 약 125 K 부근에서 전자적·구조적 성질이 바뀌는 베르베이 전이를 보입니다. 저온의 단사정계 절연 상태와 더 높은 온도의 입방정계 상태가 관련됩니다. 상전이란 물질의 상태와 성질이 달라지는 현상이며, 물이 얼음으로 바뀌는 것도 다른 종류의 상전이 사례입니다.
연구진은 근적외선인 800 nm와 가시광선인 400 nm의 펄스로 시료를 여기했습니다. 두 파장은 서로 다른 전자 전이를 자극해 평형 상태에서는 나타나지 않는 준안정 상을 유도했습니다.
매우 짧은 시간 동안 일어나는 원자 구조 변화를 관측하기 위해 초고속 전자 회절(UED)을 사용했습니다. 피코초는 1조 분의 1초이며, 이런 기법은 원자 운동을 매우 짧은 시간 간격으로 추적하는 데 쓰입니다.
결정 구조의 변화
실험에서 출발한 저온 자철석은 단사정계 구조를 갖습니다. 단위격자의 세 변 길이가 다르고, 두 각은 직각이지만 나머지 한 각은 직각이 아닙니다. 자철석이 모든 온도에서 이 구조를 갖는 것은 아닙니다.
출처: ACS
800 nm 여기에서는 전하·궤도 질서가 무너지고, 입방정계 금속 영역과 단사정계 절연 영역이 함께 존재하는 상분리 상태가 나타났습니다. 단순히 전체 구조가 압축되어 하나의 입방정계 상으로 바뀐다고 설명하기에는 복잡한 과정입니다.
400 nm 여기에서는 전하 이동이 단사정계 절연 상의 질서를 강화했습니다. 이 상태는 비평형 준안정 상태이며, 영구적으로 안정한 절연체를 만들었다는 의미는 아닙니다.
서로 다른 빛으로 다른 상태를 유도할 수 있다는 결과는 자철석의 구조와 전하 질서가 어떻게 연결되는지 이해하는 데 도움을 줍니다.
새로운 전자 시스템
이 연구는 적절한 광 펄스로 자철석의 전자적·구조적 상태를 조절할 가능성을 보여 줍니다. 그러나 빛만으로 모든 스핀과 전류를 원하는 대로 제어하는 상용 소자를 입증한 것은 아닙니다. 향후 컴퓨팅과 메모리 응용을 검토하려면 반복성, 동작 조건, 에너지 비용 등 추가 과제가 남아 있습니다.
“우리 연구는 맞춤형 광 펄스를 사용해 초고속 시간 척도에서 물질을 제어하는 새로운 접근법의 길을 열었습니다.
마그네타이트에서 숨겨진 상을 유도하고 제어할 수 있게 되면 첨단 재료 및 장치 개발에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
예를 들어, 서로 다른 전자 상태 사이를 빠르고 효율적으로 전환할 수 있는 재료는 차세대 컴퓨팅 및 메모리 장치에 활용될 수 있습니다.”
향상된 메모리
자철석의 광유도 상전이는 연구 단계이지만, 스핀트로닉스를 활용한 자기 메모리인 MRAM은 이미 상용화되어 있습니다. 두 기술을 같은 제품이나 동일한 성숙도에 있는 기술로 볼 수는 없습니다.
MRAM은 전원을 꺼도 데이터를 유지하는 메모리입니다. 일부 용도에서 기존 메모리를 보완하거나 대체할 수 있지만, 모든 DRAM을 대체하는 기술은 아닙니다. 상용 MRAM 공급업체인 Everspin의 제품은 Airbus의 여러 중요 시스템에도 사용되어 왔습니다. 온도와 방사선에 대한 내성은 제품 종류와 요구 규격에 따라 확인해야 합니다.
MRAM의 전력, 면적, 속도상 이점은 비교 대상과 응용에 따라 달라집니다. “최대 80% 절감” 같은 수치를 모든 장치에 적용할 수는 없습니다. 프로세서 캐시에 적용하려면 집적도, 읽기·쓰기 성능, 내구성, 비용과 발열을 함께 고려해야 합니다.
포토닉스?
레이저로 재료의 상태를 바꾸는 접근은 빛을 정보 처리에 활용하는 포토닉스와도 관련됩니다. 우리는 반도체 중심의 컴퓨팅을 넘어서는 기술을 연구하는 기업들에 관한 글에서 관련 가능성을 살펴보았습니다.
광학 연산과 광유도 메모리를 결합하면 변환 과정이 줄어들 가능성이 있지만, 자철석 연구가 이미 그런 시스템의 성능이나 에너지 절감을 입증한 것은 아닙니다.
스핀트로닉스 기업
1. Everspin Technologies
MRAM 가격 차트
Everspin은 Freescale의 MRAM 사업이 2008년 분사해 설립된 기업이며, 2016년 기업공개를 진행했습니다. 분사 시점과 상장 시점은 다릅니다. 현재 NXP의 계열사라고 설명해서는 안 됩니다.
Everspin은 MRAM 기술의 선두주자로 평가받으며, Freescale이 2006년에 세계 최초의 MRAM 칩을 상용화한 경험을 이어받았습니다.
MRAM은 전원이 없어도 저장된 정보를 유지합니다. 이 특성은 데이터 보존이 중요한 산업용 장치 등에 유용할 수 있습니다.
회사가 소개한 시장 전망은 데이터 분석, 클라우드, 인공지능과 산업용 사물인터넷 등의 수요를 근거로 비휘발성 메모리 시장이 2020~2030년 연평균 27.5% 성장할 것으로 예상했습니다. 이는 전망치이며, Everspin 자체 매출 성장률이나 확정된 수요를 뜻하지 않습니다.
출처: Everspin
회사가 제시한 시장 전망에는 2027년 74억 달러라는 추정치도 포함되었습니다. 기사에 언급된 2021년 이후의 무차입 및 양의 잉여현금흐름은 해당 기간의 재무 설명으로 이해해야 하며, 이후에도 같은 상태가 지속된다고 보장할 수 없습니다.
Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장 중인 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록기, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 중요한 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.
출처: Everspin
칩과 인공지능, 신경망 관련 시스템의 발전은 장기적인 수요 요인이 될 수 있지만, 개별 기업의 수익으로 이어질지는 불확실합니다.
2. NVE Corporation
NVEC 가격 차트
스핀트로닉스의 또 다른 선두주자인 NVE는 1989년 설립되었으며, 회사의 첫 특허는 1993년의 자기저항 메모리 구조에 관한 것이었습니다.
이 회사는 스핀트로닉 센서와 아이솔레이터를 생산합니다. 이들은 자동차, 산업용 장치, 의료 기기, 전원 공급 장치 등의 측정이나 신호 절연에 사용됩니다.
출처: NVE
NVE는 자기 센서와 절연 소자 등 산업용 부품에 중점을 두고, Everspin은 MRAM 메모리에 집중합니다. 시장과 고객 구성이 달라 두 회사를 단순히 같은 경쟁 구도로 비교하기는 어렵습니다. Intel이나 Qualcomm 같은 대형 반도체기업과도 사업 규모와 구성이 다릅니다.
투자 판단에는 사업 구조, 실적, 경쟁, 가치평가와 위험을 함께 살펴야 합니다. 배당이 있다는 이유만으로 NVE가 안전한 투자이거나 모든 보수적 투자자에게 적합하다고 볼 수는 없습니다.
