스웨덴 왕립과학원의 물리학 분야 노벨위원회(The Royal Swedish Academy of Sciences)는 2007년의 노벨물리학상 수장자로 프랑스 남(南)파리대학(Paris-Sud)의 알베르 페르(Albert Fert·69) 교수와 독일 쥴리히 연구소(Forschungszentrum Julich )의 피터 A 그륀베르크(Peter Grunberg·68) 박사가 컴퓨터 저장장치의 집적도를 획기적으로 높인 자성(磁性) 물질을 개발한 공로로 2007년 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 2007년 10월 9일 발표했다. 수상 이유는 "거대 자기저항의 발견(for the discovery of Giant Magnetoresistance(GMR)"이다. 이들이 발견한 GMR은 컴퓨터 하드디스크의 성능을 획기적으로 개선시킨 이론이며 이를 산업화하는데 기여한 것이다.

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[목차]

1. 요약, GMR에 나노기술을 적용, 고감도 자기저항 리드 헤드 센서 발견(Nanotechnology gives sensitive read-out heads for compact hard disks)
2. 거대 자기저항 리드 헤드(read heads) 센서 방식이란?
3. 수상자 소개 및 평가
4. 그림으로 보는 거대 자기저항과 하드 디스크
5. 향후 기대
5-1. 스핀트로닉스와 나노스핀닉스 시대의 등장 예고
5-2. TMR의 등장 예고
5-3. MRAM에의 도전
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1. 요약, GMR에 나노기술을 적용, 고감도 자기저항 리드 헤드 센서 발견(Nanotechnology gives sensitive read-out heads for compact hard disks)

2007년도의 노벨물리학상은 하드 디스크 상의 데이터를 저장하고 읽는 기술에 수여되었다. 이 기술에 의해 최근 수년간 하드 디스크를 최소화하여 집적도를 높일 수 있었다. 또한 이 기술에 의해 고감도 자기저항 리드 헤드 센서는 랩탑이나 음악 플레이어 등에 내장된 컴팩 하드 디스크의 데이터를 읽어 올 수 있었다.

1988년에 프랑스의 알베르 페르(Albert Fert) 교수와 독일의 피터 A 그륀베르크(Peter Grunberg)는 각각 독자적으로 완전이 새로운 물리 효과를 발견해 냈다. 그 것이 바로 거대 자기저항(Giant Magnetoresistance or GMR)이었다. 컴퓨터 저장 장치인 하드디스크는 자석 같은 자기장의 세기로 데이터를 기록한다. 자기장의 세기에 따라 데이터를 기록했는지를 약속하는데 이를 판독하는 장치를 헤드(head)라고 부른다. 페르와 그륀베르크 교수는 헤드의 성능을 대폭 개선해 자기장의 세기가 작아져도 데이터를 오류 없이 읽게 하는 거대 자기저항 이론을 정립했다. 두 사람은 전자의 전기적 성질과 자기적 성질을 융합해 당시로서는 불가능하다고 여겼던 기술적 한계를 극복했다. 하드디스크의 성능이 계속 발전할 수 있었던 것도 이들이 만든 이론 덕분이다. 그 결과 1997년에 GMR 이론에 따른 최초의 리드 헤드 센서가 등장하게 되었고 오늘날에는 더욱 최첨단의 리드 헤드 기술들이 개발되고 있다.

2. 거대 자기저항 리드 헤드(read heads) 센서 방식이란?

랩탑이나 컴퓨터들은 하드 디스크 데이터를 읽어내는 리드 헤드 센서를 사용하고 있는데 이는 바로 거대 자기저항 효과(GMR effect)라는 원리를 이용하고 있다. 하드 디스크들은 비트들을 자기적으로 저장한다. 하나의 비트의 자기장의 방향(스핀)에 따라 1과 0을 저장하여 나타낸다. 리드 헤드 센서가 디스크 위를 날 때(fly), 비트들의 자기장들은 그에 상응하는 저항 변화를 리드헤드 센서에 만들어 낸다. 컴팩 하드 디스크가 더욱 작아져 집적도가 높으면 높을 수록 각각 비트들의 자기장 영역은 그만큼 작아지고 약해진다. 따라서 고집적도의 하드 디스크의 데이터를 스캔하여 읽어 내려면 그만큼 고감도에 반응하는 리드 헤드 센서를 개발해야 한다. 그러나 이 때 저항을 직접 측정할 수 없으므로, 직류를 이용하여 저항을 우선 전압(voltage)으로 전환시킨다. 이 때의 원리는 전압 = 전류 x 저항이다. 따라서 전체 비트들을 읽어 내려면 리드 헤드 센서를 통해 전류가 지속적으로 흘러야 한다. 전류가 높으면 1을 낮으면 0으로 읽는다.

GMR 효과는 1970년 대에 아주 얇은 서로 다른 물질을 만들면서 발견되었다. GMR이 작동된다는 것은 리드 헤드 구조가 원자 두께 보다 조금 큰 몇 개의 층으로 이루어져 있다는 것을 의미하는데, 현재 리드 헤드 센서들은 대략 15층으로 이루어져 있다. 이 때 층의 두께는 대략 10나노에서 30나노 정도가 되고, 층과 층 사이는 수 나노미터가 되므로, 이러한 이유로 해서, GMR 효과를 적용한 리드 헤드 센서는 나노기술(nanotechnology) 분야에서 최초의 실용화된 제품이라 말할 수 있다. 왕립과학원은 "GMR는 발전 가능성이 높은 나노기술과 관련된 최초의 진정한 응용 사례로 볼 수 있다"고 설명했다.

[그림 : 하드 디스크 집적도와 자기저항 및 거대자기저항의 관계. 사진 : www.kva.se]

또한 앞으로 GMR을 이용해 리드 헤드 센서들을 10나노 보다 더욱 작게 만들 수 있으면, 그 결과 하드 디스크 1인치 당 1테라비트의 용량을 집적할 수 있다. 그러면 제4세대의 테라비트 용량의 하드 디스크 시대를 열게 되는 것이다.

3. 수상자 소개 및 평가

페르 교수에게 노벨상을 안겨 준 1988년 논문은 현재 다른 과학자의 논문에 3500회 이상 인용됐다. 명예는 논문을 빨리 출간한 페르 교수가 가져갔지만 연구의 특허는 그륀베르크 박사에게 있다.

1938년 프랑스 카르카손에서 태어난 페르는 파리 11대학에서 박사학위를 받았으며 현재 이 대학 교수로 재직 중이다. 공동 수상자인 그륀베르크는 1939년 필젠에서 출생해 다름슈타트공과대학에서 박사학위를 받았으며 독일 윌리히연구센터에서 교수로 재직하고 있다.

영국 물리학회가 발간하는 '물리학 세계'의 편집장 마틴 두라니는 "산업과 실질적으로 연관된 연구에 상이 돌아갔다는 데 매우 기쁘게 생각한다"며 "물리학이 단순히 자연현상을 이해하는 학문일 뿐 아니라 일상 생활에서 사용되는 제품과도 실질적인 관련이 있다는 것을 보여줬다"고 평가했다.

시상식은 알프레드 노벨의 기일인 오는 12월10일 열리며 수상자들은 1000만크로네(약 150만달러)의 상금을 절반씩 나눠 갖는다.

4. 그림으로 보는 거대 자기저항과 하드 디스크

[그림 : 금속 전도체에서 전기는 금속 물질을 자유롭게 이동하는 전자 형태로 전달된다. 이들 전자들이 어느 특정 방향으로 움직이면 전류가 흐르게 된다. 따라서 어느 한 방향으로 모든 전자들이 이동할 때 그 물질의 전도성이 높다고 한다. 그러나 물질 내의 비규칙성(irregularities)이나 불순물(impurities) 때문에 전자들이 다른 방향으로 흩어지기 때문에 전기저항(electric resistance)이 발생한다. 전자들이 많이 흩어질수록 전기 저항이 높아진다. 사진 : www.kva.se]

[그림 : 자성물질(magnetic material)에서는 전자들의 흩어짐은 자화(N,S극)의 방향에 따라 영향을 받는다. 자화와 저항사이의 가장 강한 연결은 바로 거대 자기저항이 일어나는 곳에서 볼 수 있는데, 자성 모멘트 - 즉 양자역학 성질(quantum mechanical property)인 스핀(Spin)을 유도하는 전자들의 로테이션 속성 때문으로, 이 때 거대 자기저항은 스핀들의 방향을 모두 한 방향(일직선)으로 향하게 한다. 따라서 자성물질에서는 대부분의 스핀은 같은 방향이다(빨강색 부분). 그러나 아주 작은 양의 스핀들은(하얀색 부분) 반대 방향인데 이는 물질의 비규칙성, 불순물 상태, 특히 물질간의 인터페이스 때문이다. 사진 : www.kva.se]

[그림 : A. 1과 3은 자성물질이고 가운데 2는 비-자성물질로 3층으로 샌드위치 되어 있다. 만약 1과 3의 자성층에서 자화의 방향이 같으면 모든 전자들은 같은 방향으로(빨강색 부분) 3개 층을 통과한다. 따라서 이 때 전체 저항은 아주 작아진다. 사진 : www.kva.se]

[그림 : B. 만약 1과 3의 자성층에서 자화의 방향이 반대이면 모든 전자들은 반대 방향 스핀을 갖게 되고 그러므로 흩어지게 되어 전체 저항이 높아진다. 하드 디스크를 읽는 리드 헤드 센서에서, 1층은 고정되어 있고 3층은 자유롭게 움직이게 하여 하드 디스크에 저장된 비트들의 자기장에 의해 영향을 받도록 한다. 리드 헤드 센서 내의 1과 3층의 자화는 한 방향 아니면 반대 방향이므로, 이는 바로 리드 헤드 센서에 저항의 변화를 유도하고, 높은 전류이면 1을 낮은 전류이면 0을 의미하여 읽어 낸다. 사진 : www.kva.se]

5. 향후 기대

5-1. 스핀트로닉스와 나노스핀닉스 시대의 등장 예고

GMR은 단지 하드 디스크에 많은 양의 데이터를 저장하고 그 것을 읽어 내는 리드 헤드 센서에만 적용되는 것은 아니다. 조만간 미래의 기술로 등장할 새로운 타이프의 전자공학인 스핀트로닉스를 개발하는 기본 원리이기 때문이다. 스핀트로닉스는 전자들의 스핀을 이용하는 기술로 이미 몇몇 프로토타이프들이 나노기술을 접목하여 아주 작은 규모로 연구 개발되고 있는데, 전자들의 스핀 방향은 아주 짧은 거리에서만 유지되기 때문이다. 이를 다른 용어로 한국 KAIST의 신성철 교수는 나노스핀닉스(Nanospinics)라 부른다.

5-2. TMR의 등장 예고

GMR 이론을 이용하면 가운데 층을 비-자성물질이 아닌 전기가 통하지 않는 절연체(insulating material)로 대체할 수 있다. 이론적으로는 따라서 전류가 이 절연체룰 통과할 수 없지만, 만약 나노 단위 두께로 작아지면, 양자역학 효과(quantum mechanical effect) 중의 하나인 터널링(tunnelling) 효과에 의해 전자들이 점핑되어 통과할 수 있는데, 이러한 새로운 기술과 시스템을 터널링 자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)이라 부른다. 이 TMR 기술을 이용하면 아주 미약한 자기장으로 거대 저항 차이를 만들어 낼 수 있다. 그러면 더욱 고감도 높은 더욱 작은 규모의 리드 헤드 센서를 만들어 낼 수 있으며 그만큼 집적도는 높아지게 된다.

[그림 : 터널링 자기저항(TMR). 두개의 강자성 층(ferromagnetic layers) 사이에 하나의 절연체 층을 삽입시켜 샌드위치로 적층. i=전류의 흐름 방향. 사진 : www.kva.se]

5-3. MRAM에의 도전

또 다른 적용 분야는 바로 자기장메모리(MRAM)이다. 이미 다양한 시제품들이 쏟아져 나오고 있는데 대략 2015년 경에는 기존의 RAM을 대체할 수 있을 것으로 보인다. 이 MRAM은 전기가 나가도 모든 데이터가 그대로 남아 있는 비휘발성 메모리이다. 또한 동시에 쓰기도 하고 읽어 낼 수 있다. 처음에 한 번의 전류만 흐르게 하면 영구적으로 사용할 수 있다.

[그림(01949-02) : 코발트 나노입자 베이스의 나노링 내에서 자기장이 흐르는데 그 방향에 따라 컴퓨팅의 1s 과 0s 을 의미한다. 사진 : Perdue & TRN]

따라서 기존의 RAM이나 하드 디스크를 대체할 수 있는 유니버설 메모리로 개발 할 수 있다. 이를 더욱 발전 시켜 나노기술과 접목하면 하나의 멤스(MEMS)로 개발하여 아주 작은 기계들에 하나의 내장된 시스템으로 이용할 수 있는데, 이렇게 되면 전자 레인지에서부터 자동차, 그리고 손목시계 등도 모두 컴퓨팅 시스템으로 전환시킬 수 있다.

[참고]

[전류가 필요 없는 하드 디스크 리드용 자기 센서의 도래!!! 자기장이 전기장이라는 물리 법칙에 따라, 기존의 자기-저항 효과(magneto-resistance = MR effect)의 리드 헤드 센서(read heads sensors)를 자기-전기 효과(magneto-electric = ME effect)의 센서로 대체하는 기술을 개발하고 있는 영국 물리과학연구소(National Physical Laboratory)의 도전, 조만간 10나노이하 크기의 정보를 읽어내는 센서를 개발하면, 1인치 당 1테라비트 이상의 데이터를 하드 디스크에 저장할 수 있어(A New Way to Read Hard Disks. Researchers believe that the magneto-electric effect might be key to creating the sensors needed for ultra-high-capacity memory(22/Sep/2007), 02339-DIG]

[KAIST의 신성철 교수와 류광수 박사, 세계 물리학계 20년 숙제인 '같은 차원의 자성체에서 거듭제곱법칙(power law) 분포지수가 왜 다양한 값을 갖는지'의 자구벽 구조의 거듭제곱법칙 영향을 규명, 네이처 피직스'(Nature Physics)의 2007년 7월 15일자 인터넷판(Advance online publication, AOP)에 "강자성 필름의 박크하우젠 임계성에서 관찰된 조정 가능한 분포지수 변화 발견(Tunable scaling behaviour observed in Barkhausen criticality of a ferromagnetic film)"라는 논문으로 게재되, 박크하우젠 임계성의 분포지수는 차원이 아니라 다양한 온도 변화에 의해 자구 점프 변화가 일어나, 스핀트로닉스 및 나노스핀닉스 기술 구현시 장애가 되는 박크하우젠 잡음현상을 정확히 이해하는데 크게 기여(Barkhausen criticality. Scaling behaviour - as observed in avalanches - reveals universal behaviour dictated by the dimensionality of the system. For domain-wall motion in a ferromagnet, however, the criticality can cross over from one universality class to another depending on the temperature(24/Jul/2007), 02293-TRM]

[메모리의 종류(02250)]

[소스]

[The Nobel Prize in Physics 2007(09/Oct/2007)]
[Information for the Public_02354-04-2007-NOB-07-E.PDF]
[Scientific Background(pdf)_02354-05-2007-NOB-15-E.PDF]