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[IT뉴스]머리카락 5만분의 1 두께 박막서 '새 자석 성질' 첫 확인

온카뱅크관리자

2026-03-17 11:17:33

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 <img alt="GIST 연구팀은 머리카락 두께의 5만분의 1 수준인 루테늄 산화물 초박막에 미세한 물리적 힘을 가해 기존 자석보다 빠르고 안정적인 새로운 자성 상태인 '교자성'이 나타날 수 있음을 세계 최초로 실험으로 확인했다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/17/dongascience/20260317111004040anmu.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="7oXU0DGhnx" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/17/dongascience/20260317111004040anmu.jpg" width="658">
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 GIST 연구팀은 머리카락 두께의 5만분의 1 수준인 루테늄 산화물 초박막에 미세한 물리적 힘을 가해 기존 자석보다 빠르고 안정적인 새로운 자성 상태인 '교자성'이 나타날 수 있음을 세계 최초로 실험으로 확인했다. 게티이미지뱅크 제공
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 국내 연구팀이 머리카락 두께의 약 5만분의 1에 불과한 금속 산화물 초박막에서 기존 자석과 다른 새로운 자성 상태를 실험으로 확인했다. 차세대 초고속·저전력 전자소자 개발에 활용할 수 있는 새로운 자성 특성을 극도로 얇은 박막에서 구현해 냈다는 점에서 주목받고 있다.
 광주과학기술원(GIST)는 이종석 물리·광과학과 교수팀이 미국 미네소타대와 공동으로 극도로 얇은 ‘루테늄 산화물(RuO₂)’에서 새로운 자석 성질이 나타날 수 있음을 실험으로 규명했다고 17일 밝혔다. 루테늄 산화물은 금속 루테늄과 산소가 결합한 금속 산화물로 전기 전도성이 우수하고 열·화학 반응에 강해 배터리, 전자기기, 촉매 등 다양한 첨단 기술 분야에 쓰인다. 연구 결과는 국제학술지 ’미국국립과학원회보(PNAS)'에 6일 발표했다.
 컴퓨터·스마트폰 등 대부분의 전자기기는 정보를 저장하고 전달하는 데 자석 성질을 활용한다. 하드디스크나 일부 반도체 메모리는 자성의 방향 차이를 0과 1로 구분해 데이터를 기록하는 방식이다. 
 현재 널리 쓰이는 강자성 물질은 외부 자기장이나 주변 환경의 영향을 비교적 쉽게 받아 안정성이 떨어지고, 자성의 방향을 바꾸는 속도에도 한계가 있어 기기 작동 속도를 크게 높이기 어렵다.
 이런 한계를 극복할 대안으로 최근 '교자성'이라는 새로운 자성 상태가 이론적으로 제안됐다. 정보를 빠르게 처리하면서도 주변 환경의 영향을 덜 받는 장점 덕분에 차세대 초고속·저전력 전자소자에 활용될 물리적 상태로 주목받고 있다. 다만 자성을 정밀하게 제어하는 기술이 아직 충분히 갖춰지지 않아 실제 소자에 적용하려면 추가 연구가 필요하다.
 연구팀은 기존 자석 소재의 속도·안정성 한계를 넘기 위해 루테늄 산화물에 주목했다. 특히 이 물질을 매우 얇은 막 형태로 만들고 내부 구조에 미세한 변형을 가하면 기존에는 나타나지 않던 새로운 자성 상태가 나타날 수 있다는 점에 착안했다.
 연구팀은 '하이브리드 분자빔 에피택시(hMBE)'로 루테늄 산화물을 원자 한 층씩 정밀하게 쌓아 올렸다. 진공 상태에서 물질을 분사해 기판 위에 한 층씩 쌓는 방식으로 나노미터(nm) 두께의 극도로 얇은 막을 결함 없이 균일하게 만들 수 있는 정밀 공정 기술이다.   연구팀은 초박막의 두께와 구조를 정밀하게 조절하면서 자석 성질 변화를 실시간으로 관찰했다. 아울러 물질 내부에 물질을 잡아당기거나 압축할 때 발생하는 물리적 힘인 응력을 가해 결정 구조를 미세하게 바꿔 새로운 자성 상태가 나타나는 조건을 확인했다.
 실험 결과 응력을 가한 루테늄 산화물 초박막에서 교자성 특성이 나타날 수 있음을 확인했다. 특히 수 나노미터 두께의 초박막 상태에서 전기 전도성을 유지하면서도 구조가 비대칭인 '극성 금속(polar metal)' 특성과 교자성이 동시에 나타나는 새로운 물리 상태가 형성될 수 있음을 확인했다. 
 금속의 전기적 특성과 새로운 자성 특성이 결합된 물질 상태를 실험으로 구현한 사례로 차세대 스핀 기반 전자소자 연구에 중요한 단서를 제공한다. 스핀 기반 전자소자는 전자의 전하뿐 아니라 전자의 미세한 자기 성질까지 함께 활용해 정보를 저장·처리하는 차세대 기술이다.
 연구팀은 실온보다 훨씬 높은 약 500K(섭씨 약 227도)에서도 자성 전이 현상을 관찰해 실제 전자소자가 작동하는 환경에서도 활용 가능성이 있음을 확인했다. 이 같은 특성은 AI 슈퍼컴퓨터 같은 고성능 컴퓨팅 장치의 차세대 스핀 기반 전자소자 개발은 물론 전력 소모를 줄이는 저전력 전자소자 기술에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
 이종석 교수는 "루테늄 산화물에서 논의돼 온 교자성의 존재 가능성을 실험으로 검증했다는 점에서 의미가 크다"며 "자성과 극성을 동시에 제어할 수 있는 새로운 기능성 소재 개발 가능성을 제시함으로써 차세대 초고속·저전력 스핀 기반 전자소자 연구에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
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 <img alt="이종석 교수(왼쪽부터), 최인혁 박사. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/17/dongascience/20260317111005294kvsj.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="zmFBzO1yRQ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/17/dongascience/20260317111005294kvsj.jpg" width="658">
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 이종석 교수(왼쪽부터), 최인혁 박사. GIST 제공
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 &lt;참고자료&gt; doi.org/10.1073/pnas.2526641123  
 [조가현 기자 gahyun@donga.com]
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