컴퓨팅
키랄 스핀트로닉스가 컴퓨팅을 어떻게 변화시킬 수 있을까?
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스핀트로닉스가 컴퓨팅에 혁명을 일으킬 수 있는 방법
점차적으로 하드웨어 컴퓨팅의 세계는 실리콘 칩을 넘어서거나 심지어 고전적인 이진 컴퓨팅 형태를 완전히 벗어나기 시작했습니다.
이는 컴퓨터와 데이터 센터에 사용되는 일반적인 칩과 메모리를 만드는 것이 점점 더 어려워지고 있으며, 최신 세대의 트랜지스터 크기가 불과 몇 나노미터에 불과하기 때문입니다.
또 다른 요인은 특히 AI 시스템에 대한 컴퓨팅 성능에 대한 수요가 계속해서 증가함에 따라 에너지 소비가 문제가 되고 있다는 것입니다.
컴퓨팅 수요를 줄이거나 컴퓨팅 속도를 높이고 에너지 소모를 줄이기 위한 가장 두드러진 옵션으로 양자 컴퓨팅과 광자공학을 비롯하여 다양한 해결책이 제안되었습니다.
또 다른 방법은 스핀트로닉스로, 전류(전자의 흐름) 대신 전자의 스핀이라는 양자적 특성을 활용합니다.
스핀트로닉스의 장점 및 잠재적 응용 분야
트랜지스터와 같은 전자 부품은 전통적으로 실리콘으로 제작되며 반도체에 의존합니다. 이진수에서 0과 1 신호는 전류의 통과 또는 차단을 나타냅니다.
계산을 수행하는 또 다른 방법은 스핀트로닉스 장치를 사용하는 것인데, 이는 전류(전자의 흐름)가 아닌 전자의 스핀(근본적인 양자 특성)을 이용하여 작동합니다.
출처: 인사이트 IAS
데이터는 전자의 내장된 "위" 또는 "아래" 방향으로 상상할 수 있는 스핀 각운동량과 전자가 원자핵 주위를 어떻게 움직이는지 설명하는 궤도 각운동량 모두에 인코딩될 수 있습니다.
스핀은 0과 1 이상의 정보를 담고 있기 때문에 기존 전자 장치보다 원자 하나당 더 많은 데이터를 담을 수 있습니다.
스핀트로닉스는 기존 전자 시스템에 비해 몇 가지 다른 장점을 가지고 있습니다., 특히:
- 스핀을 훨씬 더 빨리 바꿀 수 있으므로 데이터가 더 빠릅니다.
- 전류를 생성하기 위해 전자 흐름을 유지하는 데 필요한 것보다 적은 전력으로 스핀을 변경할 수 있으므로 에너지 소비가 적습니다.
- 복잡한 반도체 재료 대신 단순한 금속을 사용할 수 있습니다.
- 스핀은 반도체 상태보다 휘발성이 낮아 데이터 저장이 더 안정적입니다.
스크롤하려면 스와이프하세요 →
| 특색 | 전통적인 전자 제품 | 스핀 트로닉스 |
|---|---|---|
| 정보 운반자 | 전류(0 또는 1) | 전자 스핀(위/아래) |
| 에너지 효율 | 높은 전력 수요 | 낮은 전력 사용 |
| 속도 | 현재 흐름에 의해 제한됨 | 더 빠른 스핀 전환 |
| 소스 | 복합 반도체 | 단순 금속/산화물 |
| 데이터 안정성 | 휘발성 저장 | 안정적이고 휘발성이 없음 |
스핀트로닉스는 1990년대부터 하드 드라이브 읽기 헤드에서 상용화되어 지난 수십 년 동안 저장 밀도가 크게 향상되었습니다.
"스핀은 전자의 양자역학적 특성으로, 전자에 의해 운반되는 작은 자석과 같아서 위나 아래를 가리킵니다.
우리는 전자의 스핀을 활용해 소위 스핀트로닉스 장치에서 정보를 전달하고 처리할 수 있습니다."
예를 들어, 스핀트로닉스 분야에서 최근 많은 진전이 이루어졌습니다. 스핀 손실은 자화로 다시 변환될 수 있으므로 스핀트로닉스 전자 장치의 에너지 효율성이 더욱 높아집니다., 또는 스핀트로닉스 및 그래핀 수 차세대 양자 회로에 전력 공급.
과학자들은 스핀트로닉스 소자를 개선하는 새로운 방법을 계속 개발하고 있습니다. 서울대학교(한국), 고려대학교, 한국과학기술연구원(KIST), 그리고 미국 파인버그 의과대학의 연구진도 그 예입니다. 이들은 전자 스핀을 제어할 수 있는 자성 나노헬릭스를 개발했는데, 이는 소위 "키랄 스핀트로닉스" 소자라는 완전히 새로운 분야를 창출할 수 있습니다.
그들은 권위 있는 과학 잡지 Science에 그들의 결과를 발표했습니다.1, 제목 아래 '키랄 강자성 나노헬릭스를 통한 스핀 선택적 수송".
키랄 스핀트로닉스
스핀트로닉스에서 키랄성이란 무엇인가?
자연에서 대칭은 DNA 구성 요소와 빛 자체를 포함한 많은 것들의 근본적인 특징입니다. 서로 거의 동일한 두 분자가 구성이나 모양이 아니라 방향성, 즉 "키랄성"이라는 개념에서 차이가 있을 수 있습니다.
카이랄성은 왼손과 오른손이 모양, 구조, 기능 면에서 똑같은데도 불구하고 서로 다르다는 사실로 가장 단순하게 설명할 수 있습니다.
키랄성은 생물학에서 기본적인 역할을 하는데, 자연선택은 오로지 "우선형" DNA 분자, 당, 아미노산(단백질의 기본 구성 요소)만을 선택했습니다.
그러나 무기 물질에서는 드물며, 무기 물질은 무질서하거나 키랄성이 없는 결정을 갖는 경향이 있습니다.
스핀트로닉스를 위한 금속의 키랄성 획득 방법
과학자들은 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 제어하여 좌우 키랄 자성 나노헬릭스를 모두 제작했습니다. 강자성 특성을 고려하여 코발트-철 합금을 선택했습니다.
이 과정에서 중요한 혁신은 나선 형성을 유도하는 신코닌이나 신코니딘과 같은 미량의 키랄 유기 분자를 사용하는 것입니다.
"금속과 무기 재료에서 합성 중에 키랄성을 제어하는 것은 매우 어렵습니다. 특히 나노 스케일에서는 더욱 그렇습니다.
무기 나선의 방향을 키랄 분자를 추가하는 것만으로 프로그래밍할 수 있다는 사실은 재료 화학의 획기적인 발전입니다."
이러한 나노나선의 키랄성을 입증하기 위해 그들은 회전 자기장 하에서 나선에 의해 생성되는 전자기장(EMF)을 측정했습니다.
이는 좌우 나선 구조가 반대의 EMF 신호를 생성하여 자성 물질이 빛과 강하게 상호 작용할 필요 없이, 재료가 적절하게 생산되었는지 쉽게 테스트할 수 있는 방법을 제공하여 키랄성을 정량적으로 검증할 수 있게 해줍니다. 이는 키랄성을 확인하는 일반적인 방법 중 하나입니다.
더 중요한 점은, 이러한 키랄 자기 금속이 스핀을 그에 따라 유도할 수 있다는 것을 발견했다는 것입니다. 즉, 이들은 한 방향의 스핀은 우선적으로 통과시키고, 반대 방향의 스핀은 통과시키지 않습니다.
“키랄성은 유기 분자에서 잘 이해되며, 구조의 손잡이가 종종 생물학적 또는 화학적 기능을 결정합니다.”
키랄 스핀트로닉스의 잠재적 응용 분야
물질의 본질적인 자화(스핀 정렬)를 통해 실온에서 장거리 스핀 전송이 가능해졌습니다.
이 효과는 키랄 축과 스핀 주입 방향 사이의 각도에 관계없이 일정하게 나타났습니다. 동일한 규모의 비자성 나노헬릭스에서는 관찰되지 않았으므로, 키랄 자기 나선과 직접적인 관련이 있는 것으로 보입니다.
이는 상대적으로 거시적인 물질에서 최초로 발견된 비대칭 스핀 전송이 될 것입니다.
또한 이 팀은 키랄성에 따라 달라지는 전도 신호를 보여주는 고체 소자를 시연하여 실용적인 스핀트로닉스 응용 분야의 길을 열었습니다.
"이 나노나선은 기하학과 자기성만으로 약 80%를 초과하는 스핀 편극을 달성합니다."
이는 구조적 카이랄성과 본질적 강자성이라는 희귀한 조합으로, 복잡한 자기 회로나 극저온 처리 없이도 실온에서 스핀 필터링을 가능하게 하며, 구조 설계를 사용하여 전자 행동을 엔지니어링하는 새로운 방법을 제공합니다."
이 새로운 기술의 또 다른 장점은 희귀한 재료나 복잡한 기술을 사용하지 않고도 제조 공정이 비교적 간단하고 저렴하다는 것입니다.
"우리는 이 시스템이 키랄 스핀트로닉스와 키랄 자기 나노구조의 구조를 위한 플랫폼이 될 수 있다고 믿습니다.
이 작품은 확장 가능한 무기 소재를 기반으로 한 기하학, 자기, 스핀 전달의 강력한 융합을 보여줍니다."
이 새로운 아이디어와 소재의 잠재력을 완전히 탐구하기 위해서는 아직 훨씬 더 많은 연구가 필요합니다. 예를 들어, 가닥의 수(이중나선, 다중나선)는 원하는 대로 조절될 수 있으며, 아직 발견되지 않은 다양한 특성을 나타낼 수도 있습니다.
이 다재다능한 전기화학적 방법을 사용하면 손잡이성(좌우)과 가닥 수(이중, 다중 나선)까지 제어할 수 있는 능력이 새로운 응용 분야에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
생산의 용이성과 장거리 스핀 전송의 가능성 덕분에, 이는 완전한 스핀 기반 컴퓨터와 네트워크를 생산하는 데 매우 유용할 수 있으며, 낮은 에너지 소비와 안정적인 데이터 저장으로 인한 경제적 이점도 있습니다.
스핀트로닉스 혁신 기업에 투자
1. 에버스핀 테크놀로지스
(MRAM )
에버스핀(Everspin)은 프리스케일(현재 NXP, 주식 티커는 NXPI)의 자회사로, 현재 상업적으로 활용 가능한 가장 보편적인 스핀트로닉스 형태인 MRAM 메모리 시스템 개발에 전념하고 있습니다. 2016년에 분사하여 상장했습니다.
Everspin은 Freescale의 경험을 계승하여 MRAM(Magnetoresistive Random-Access Memory) 기술의 선두주자로 간주됩니다. 2006년 최초로 MRAM 칩 상용화.
MRAM은 전류가 없어도 내용이 유지되는 메모리이므로, 중요 데이터가 손실될 위험이 없는 민감한 사용 사례에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
데이터 분석, 지상 및 외계 클라우드 컴퓨팅, 인공 지능(AI), 산업용 IoT를 포함한 Edge AI와 같은 광범위한 애플리케이션의 주도로 지속형 메모리 시장은 27.5년부터 2020년까지 연평균 성장률 2030%로 성장할 것으로 예상됩니다.
출처: 에버스핀
이 회사는 시장 규모가 7.4년까지 2027억 달러에 이를 것으로 추산합니다. 이 회사는 2021년 이후로 부채가 없고 자유 현금 흐름이 긍정적입니다.
Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장하는 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록기, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 중요한 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.
출처: 에버스핀
칩셋, AI, 시냅스 시스템의 성장도 회사에 장기적인 활력소가 될 수 있습니다.
2. 엔비이코퍼레이션
(NVEC )
스핀트로닉스의 또 다른 선두주자, NVE는 1995년 MRAM 기술에 대한 첫 번째 특허 이후 이 기술을 연구해 왔습니다.. 스핀트로닉스를 생성합니다. 센서 절연체, 주로 자동차, 기어, 의료 기기, 전원 공급 장치 및 기타 산업용 장치의 측정 및 센서 시스템에 사용됩니다.
출처: NVE
이러한 점에서 NVE는 Everspin과는 다소 다른 범주에 속합니다. NVE는 틈새 시장(스핀트로닉스를 이용한 자력계)에서 강력한 입지를 갖춘 산업 기업인 반면, Everspin은 Intel, Qualcomm, Toshiba, Samsung과 같은 기업과 협력하고 경쟁하는 메모리/컴퓨팅 기업입니다. 이들 기업도 자체 MRAM 제품을 개발하고 있습니다.
투자자 프로필에 따라 주식의 매력도가 달라질 수 있는데, NVE 주식은 배당 수익률과 안전성을 추구하는 보수적인 투자자에게 더 매력적일 가능성이 높습니다.
참고 연구
1. 유상전, et al. 키랄 강자성 나노헬릭스를 통한 스핀 선택적 수송. 과학. 4 9월 2025. 389권, 6764호. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
