스핀 트로닉스라는 것이 있다고 합니다.

안녕하세요?

이번 포스팅에서는 정말 들어본 적이 아마 없으리라 생각이 되는 '스핀트로닉스'라는 단어에 대해서 포스팅을 하고자 합니다. 일단 예전에 화학이나 물리 시간에 배운적이 있었던, 전자가 '스핀'을 가진다는 것을 아시리라 생각을 합니다. 그런데 이 전자의 '스핀'에다가 '일렉트로닉스(전자 공학:electronics)'를 결합한 것이 '스핀트로닉스'라고 한다고 합니다.

먼저 이 '스핀트로닉스'라는 단어가 소개가 되었는 Newton 2017년 12월호를 보면, 기존의 '일렉트로닉스'가 전기(전하)를 이용한다고 하면, 이 일렉트로닉스의 범위를 넘어서 전자가 가지는 자석으로서의 성질도 함께 이용하려는 것을 의미 한다고 합니다.

일단 먼저 '스핀'에 대해서 짚고 넘어가야 하는데, 전자와 같은 작은 입자에서는 일종의 자전 운동과 같은 움직임을 보인다고 합니다. 여기서 가장 중요한 것은, 전자의 스핀으로 인해서 '자석'으로서 성질을 지니게 되지만, 대부분의 물체는 스핀의 방향이 제 각각 이기 때문에 자석의 성질을 보이지 않는다고 합니다.

이런 스핀트로닉스가 등장하게 된 배경에는, 기사에 의하면 현재 컴퓨터에서 사용이 되는 주 기억장치는 디램(dram)과 에스램(sram)으로, 휘발성 메모리라고 해서 전원이 끊어지면 저장된 것이 모두 사라지는 문제점이 있다고 합니다. 그렇다고 불휘발성 기억장치인 하드 디스크와 USB 메모리로 알려진 '플래시 메모리'가 있지만, 내구성과 열이 발생하는 문제로 인해서 컴퓨터의 메모리로 사용할 수 없다고 합니다.

이런 주 기억장치인-메모리 문제가 왜 나왔냐 하면, 이대로는 성능의 확장에 무리가 있다고 합니다. 더 집적화면 열이 발생해서 소재가 깨져 버리고, 그렇다고 열을 잡고자 하니 대기 전원을 꺼야 하는데, 주 메모리가 휘발성이라서 모든 데이터가 날라가 버리는 문제가 있다고 합니다. 이 문제를 해결할 것으로 기대가 되는 것이 '스핀트로닉스'를 이용한 불휘발성 메모리라고 합니다.

왠 햄버거 같이 생긴 것이라고 하실 것인데, 이 번에 소개가 된 스핀트로닉스가 관여하는 메모리를 소개하기 위해서 먼저 묘사한 그림입니다. 위 그림에서 묘사된 것처럼 자석 2개를 나란히 두고, 그 사이에 전류가 흐르지 못하는 층을 만들도록 합니다. 그런데 이러한 흔한 소재에서 일본의 오노 히데오 교수가 다음과 같이 자석이 되는 층을 얇게 만들었다고 합니다.

이처럼 단지 자석의 두께를 더욱 얇게 하여서 새로운  형태의 메모리를 만들 수 있었다고 합니다. 우선 여기서 먼저 설명해야 하는 현상이 '터널전류'라는 것이 있습니다. 기사의 내용만으로는 자세한 원리를 설명할 수는 없지만, 2장의 금속 박막인 자석 사이에 절연층을 놓아도, 양자역학 효과에 의해서 전류(전자)가 흐를 수 있다는 것으로, 이때 흐르는 전류를 '터널 전류'라고 합니다.

무언가 헷갈리실 만한데, 간단히 말하자면, 이 두개의 자석이 되는 층에서 하나는 어떻게 했는지는 모르지만, 위 그림에서 좀더 얇은 층인 금속박막에 자석의 방향이 '변하지 않는 참조층'이 된다고 합니다. 반대로 상단의 조금 더 두꺼운 금속박막인 자석층은 '자석의 방향이 변하는 기록층'이라고 합니다.

위 그림에 나와 있는 묘사처럼, 전자가 기록층에서 참조층으로 흐르면 1에 해당하는 반평행 상태가 되는데, 중요한 것은 '전류가 끊겨도 유지'가 된다는 것입니다. 반대로 참조층에서 기록층으로 전자가 이동해서 기록층의 자석 방향이 참조층과 평행인 상태가 되는데, 이를 0에 해당하며, 역시 전류라는 전자의 흐름이 끊겨도 이 상태가 유지가 된다고 합니다.

이 스핀트로닉스를 이용하고 있는 물건중의 하나가 바로 '하드 디스크 드라이브'라고 합니다. 실제로 하드 디스크 드라이브는 원반에서 떨어진 전자석으로 원반안의 미세한 전자석의 방향을 제어 한다고 합니다. 이처럼 스핀트로닉스라는 것이 원래는 멀리 뚝 떨어져 있는 것만도 아니지만, 컴퓨터의 성능 향상을 위해서 필요한 메모리가 만들어 질 때, 스핀트로닉스는 더 많이 관여 한다고 합니다.