[세상을 바꾸는 발견들] 전자의 스핀, 한계 없는 메모리 시대를 열다

전자의 스핀,
한계 없는 메모리 시대를 열다

 

▲하드디스크 드라이브(HDD) 의 내부 구조 (사진출처 : assignmentpoint.com)

오늘날 우리는 손가락 하나로 수천 장의 고화질 사진을 전송하고, 인공지능이 방대한 데이터를 몇 초 만에 처리하는 디지털 세상에 살고 있습니다. 하지만 1980년대 후반까지만 해도 데이터를 저장하고 읽는 기술은 전혀 동떨어진 세상의 이야기였지요.

 

하지만 이 머나먼 세상의 이야기가 현실 가능하도록 길을 열어준 것은 바로 ‘거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR) 기술’입니다. 전자의 ‘전하’ 뿐만 아니라 ‘스핀’이라는 양자역학적 성질을 활용해 현대 정보화 사회의 기초를 다진 GMR에 대한 흥미로운 이야기를 시작해볼까 합니다.

GMR 동시 발견, 극적인 과학적 라이벌전

1980년대 컴퓨터의 저장매체(HDD)는 전자기 유도 방식이나 일반 자기저항(AMR) 센서가 사용되었습니다. 저장 용량을 늘리려면 디스크 위에 자석 입자를 점점 더 작게 밀집시켜야 했지만, 자석 입자가 작아질수록 거기서 나오는 자기장 신호도 미약해졌기 때문에 미세한 자기 신호를 감지해 낼 수 없었습니다. 기술자들의 고민이 커졌지요.

 

이 시기 두 명의 과학자는 동시에 우연하게도 아주 흥미로운 발견을 하게 됩니다. 1988년, 프랑스 파리 제11대학교의 알베르 페르(Albert Fert) 교수팀과 독일 율리히 연구소(FZJ)의 페터 그륀베르크(Peter Grünberg) 박사팀이 그들이지요. 서로의 연구를 모른 채 거의 동시에 연구 논문을 내놓았는데, 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 두께로 얇게 자성체(철, 코발트 등)와 비자성체(구리, 크롬 등)를 겹겹이 쌓아 올린 다층 박막 구조를 만들고 외부에서 자기장을 걸어주면, 이전 기술과는 비교도 안 될 만큼 획기적으로 전기저항이 감소하는 충격적인 현상에 관한 것이었습니다.

 

▲알베르 페르(Albert Fert)와 페터 그륀베르크(Peter Grünberg)는 거대자기저항(GMR) 현상을 발견하여, 하드디스크 등 컴퓨터 저장 장치의 소형화와 용량 증대에 크게 기여했다. (사진출처 : magnet-sdm.com)

약간 먼저 논문을 제출한 페르 교수는 크롬(Cr)과 철(Fe)을 겹겹이 쌓은 구조에서 저항이 무려 50%나 감소하는 것을 관측하고, 이 현상에 ‘거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)’이라는 이름을 붙였습니다.

 

그륀베르크 박사 역시 유사한 구조에서 저항이 크게 변하는 것을 확인하고, 이 현상이 향후 메모리 저장 장치에 혁명적 발전을 이뤄낼 것을 직감하여 특허를 먼저 출원했습니다. 훗날 IBM이 이 기술로 수조 원대의 하드디스크 시장을 개척했을 때, 특허를 가진 그륀베르크 박사 측은 엄청난 로열티 수익을 거둘 수 있었지요. 그리고 두 사람은 2007년 노벨 물리학상 단상에 사이좋게 함께 올라 공동 수상을 영예를 안았습니다.

 

GMR의 작동 원리를 조금 더 쉽게 살펴볼까요? 전자의 ‘스핀’을 활용한 GMR 기술은 회전문에 비유하면 아주 쉽습니다. 전자는 ‘위쪽을 향하는 전자(Up-spin)’와 ‘아래쪽을 향하는 전자(Down-spin)’, 두 가지 종류가 있어 스스로 회전하는 성질(스핀)을 가집니다. 전자가 자성체 내부를 통과할 때 자신의 스핀 방향과 자화(자기) 방향이 같으면 자연스럽게 통과하지만, 방향이 반대면 튕겨 나가며 부딪히며 산란 현상을 만듭니다.

 

두 층의 자화 방향이 같은 평행 상태일 때는 그 방향과 일치하는 스핀을 가진 전자는 두 층 모두를 막힘없이 통과합니다. 마치 모든 회전문이 도는 방향으로 사람들이 쑥쑥 지나가는 것과 같습니다. 이때 전기저항은 매우 낮아집니다.

 

두 층의 자화 방향이 반대면, 위쪽으로 향하는 전자든 아래쪽으로 향하는 전자든 적어도 한 층에서는 부딪히며 방해를 받습니다. 하나의 회전문은 통과해도 또 다른 회전문에는 막히게 되는 거지요. 이때 전기저항은 매우 높아집니다. 이 현상은 저장 매체에 어떻게 이용할까요? 하드디스크에 기록된 N극/S극 데이터에 의해 자화 방향이 바뀌면서 저항이 널뛰듯 변하므로, 이를 전기 신호인 0과 1로 아주 정확하게 읽어낼 수 있게 됩니다.

 

▲거대자기저항이 발현되는 스핀밸브 구조 (a : 두 강자성체의 자화방향이 같을 경우 / b : 두 강자성체의 자화 방향이 다를 경우) (사진출처 : mdpi.com)

초기 기술과 발전 과정 : 실험실에서 상용 제품으로

특별히 GMR 연구가 더 위대하게 평가받는 이유는, 실험실에서의 발견 이후 불과 10년도 안 되어 인류 전체의 삶을 바꾼 상용 제품들로 연결됐기 때문입니다. 당시 연구실에서는 분자선 분사(MBE)라는 극도로 비싸고 복잡한 장비로 절대온도 가까운 극저온 환경에서 연구가 수행됐기 때문에 상용화가 불가능했지만, 미국 IBM 연구소의 스튜어트 박인(Stuart Parkin) 박사가 구원투수로 등판해 일반 산업용 박막 제조 기법을 활용해 상온(실온)에서도 동작하는 GMR 스핀 밸브(Spin-Valve) 구조를 개발해 냈습니다.

 

이어 IBM은 1997년 세계 최초로 GMR 읽기 헤드가 탑재된 하드디스크를 출시했습니다. 연간 저장 밀도 증가율이 약 30~40%에 머물던 기존 AMR 기술이 GMR 기술 도입 이후 100% 이상 폭발적으로 증가했습니다. GMR 읽기 헤드의 등장으로 몇 메가바이트(MB) 수준이던 하드디스크 용량은 순식간에 수십, 수백 기가바이트(GB)로 팽창했지요. 당시 고화질 동영상 저장과 인터넷 고용량 서버 구축이 가능해진 것은 전적으로 GMR 덕분이었습니다.

 

인류의 데이터 욕구는 여기서 멈추지 않았습니다. 자성층 사이의 중간 금속층(구리 등)을 극도로 얇은 절연체(산화마그네슘, MgO 등)로 대체해 ‘양자 터널링(Quantum Tunneling)’을 만들며 오늘날의 초고용량 HDD 읽기 헤드와 차세대 메모리 MRAM이 구현되었습니다.

 

▲AMR, GMR, TMR 자기 저항 효과와 센서 구조 비교 (사진출처 : linkedin.com)

GMR 기술은 여전한 산업의 일꾼

TMR의 뛰어난 성능에도 GMR은 실생활에서 여전히 중요하게 활용되고 있습니다. GMR은 TMR에 비해 구조가 단단하여 온도나 진동 등의 악조건에 강하고, 제작 단가가 저렴하며, 자기장 변화에 선형적으로 정직하게 반응합니다.

 

이 때문에 오늘날 자동차와 산업 현장의 필수 센서로 광범위하게 쓰이고 있지요. ABS 브레이크의 바퀴 회전 속도 감지, 엔진 크랭크축 및 캠축의 위치 감지, 전자식 스티어링 휠 각도 센서 등 자동차용 정밀 센서에 바로 GMR 기술이 적용됩니다.

 

배터리 관리 시스템(BMS)에서 대용량 전류가 흐를 때 발생하는 미세 자기장을 비접촉으로 안전하게 측정할 때도 역시 GMR 기술이 쓰이지요. 로봇 관절의 미세한 움직임과 모터 위치를 제어할 때도 활용됩니다. 바이오 진단 칩에 적용되어 나노 자성 입자를 표지물로 사용하여 혈액 내 질병 인자나 바이오마커를 초고감도로 감지합니다.

 

▲GMR 기술은 로봇 관절의 미세한 움직임이나 모터 위치를 제어할 때도 활용된다. (사진출처 : 어도비스톡)

전하만 이용하던 기존 반도체의 한계를 전자의 스핀까지 활용해 스핀트로닉스(spintronics)라는 새로운 학문 분야를 펼쳐낸 두 사람의 과학자 덕분에 우리가 사용하는 반도체와 전자소자의 성능은 더욱 발전할 수 있었습니다. 이제 세계 스핀트로닉스 시장은 2026년 116억 2천만 달러에서 2035년까지 연평균 4.2%의 꾸준한 CAGR(Compound Annual Growth Rate)로 성장해, 2035년까지 169억 1천만 달러로 꾸준한 성장이 예상되고 있지요.

 

GMR 기술은 앞으로 차세대 초고속 비휘발성 메모리(STT-MRAM), 뉴로모픽(Brain-like) AI 반도체, 초저전력 사물인터넷(IoT) 및 우주 항공 분야 등 다양한 분야에서 우리의 미래를 또 어떻게 바뀌어 놓을지 기대됩니다.

 

By 강형욱  | SF 영화의 무모한 도전이 섬광처럼 빛나 보이던 순간, 공학도를 꿈꾸었고 복잡한 물리 공식과 새로운 이론 너머로 그 섬광은 가능성(星)의 빛이라는 것을 깨달았다. 그 두근거리는 순간을 독자들과 함께 나누고자 한다.

 

※ 외부필자에 의해 작성된 기고문의 내용은 앰코인스토리의 편집방향과 다를 수도 있습니다.