국내연구진, 열손실 없는 초저전력 자기센서 구현

전기장(E)에 의해 자화(M)가 뒤집히는 것을 간략하게 나타내는 그림(왼쪽), 합성한 육방정계철산화물(Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe0.92Al0.08)12O22)에서 관측된 전기장에 의한 자화 변화(오른쪽) <사진=미래창조과학부 제공>
전기장(E)에 의해 자화(M)가 뒤집히는 것을 간략하게 나타내는 그림(왼쪽), 합성한 육방정계철산화물(Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe0.92Al0.08)12O22)에서 관측된 전기장에 의한 자화 변화(오른쪽) <사진=미래창조과학부 제공>

국내 연구진이 자기장이 아닌 전기장으로 자화(자석의 극 방향)가 바뀌는 물질을 발견해 화제가 되고 있다.
 
김기훈 서울대 물리천문학과 교수와 이순철 KAIST 물리학과 교수가 주도하고, 차이이솅 서울대 물리천문학과 박사, 천세환 박사, 권상일 KAIST 물리학과 박사가 공동으로 자기장 없이 전기장만으로 자화가 뒤집히는 새로운 다강체 단결정 육방정계철산화물(Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe0.92Al0.08)12O22)을 합성하고 그 기본 원리까지 규명했다.

연구진은 온도 15K(-258℃)에서 단결정 물질에 ±2MV/m의 전기장을 걸었을 때, 자화가 ±2μB/f.u 정도 변하는 것을 관측했다. 온도를 높이면 전기장에 의한 자화 변화폭은 줄어들지만, 약 150K(-123℃)에 가까운 온도에도 자화가 뒤집히는 것을 확인했다.

하드디스크 같은 정보기록 소자의 핵심소재로 사용되는 자성물질은 주로 자기장으로 N극과 S극을 변화시켜 정보를 기록한다. 이 경우 필요한 자기장을 만들기 위한 전류가 필요했고 이 과정에서 전류로 인한 열 손실이 컸다.

또한 전기장으로 자화를 변화시키는 기존 연구는 자석의 극 변화가 매우 작아 실용적이지 않았다. 특히 극저온(-270℃)이나 외부에서 자기장을 추가로 발생시켜야 하는 자기장내에서 가능했다.

연구진은 이러한 문제를 해결했다. 전기장만으로 자화방향을 조절해 소자구동에 필요한 전력을 낮췄다. 특히 신물질처럼 전기와 자기적 성질이 한 물질에 결합돼 있는 다강체의 경우 전기장과 자기장으로 극을 조절할 수 있기 때문에 초저전력, 고효율 메모리 소자 등의 응용 폭을 넓혔다.

연구진은 신물질 성질의 원인을 단결정 물질에서 관측된 원뿔 모양의 자성구조가 전기분극(전기장을 가했을 때 전기적으로 극성을 띤 분자들이 전체적으로 정렬하여 물체가 전기를 띠는 현상)과 자화를 강하게 결합시켜서, 전기분극이 정렬되면 자화도 그에 따라 정렬되기 때문이라고 설명했다.

연구진은 또한 이 물질의 반응시간이 30μs 이하로 상당히 빠르다는 것을 밝혀내 실제 소자로 응용되기 위해선 자화방향이 변하는 시간이 짧아야 한다고도 밝혔다.

연구팀은 향후 전기장에 의해 자화가 크게 변화는 물질을 찾기 위해선 물질의 자성구조가 원뿔 모양을 이루고, 빠르게 자화방향이 바뀌어야 하는 두 가지 성질을 만족해야 한다고 밝혔다.

김 교수는 "이번에 합성된 물질을 이용하면 전압으로도 자화를 변화시킬 수 있어 초저전력 고효율 자기소자를 개발하는데 큰 도움이 될 것"이라고 의의를 말했다.

한편 이 연구는 미래창조과학부가 추진하는 리더연구자지원사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스지 온라인판 6월 24일 게재됐다.

전기장을 합성 산화물(Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe0.92Al0.08)12O22)에 걸었을 때 일어나는 미시적 변화 모습 <사진=미래창조과학부 제공>
전기장을 합성 산화물(Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe0.92Al0.08)12O22)에 걸었을 때 일어나는 미시적 변화 모습 <사진=미래창조과학부 제공>
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