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저전력 고속 자성메모리용 스핀 꿈의 신소재 개발
등록날짜 [ 2018년12월06일 16시51분 ]
 - 차세대 자성메모리의 핵심 소재기술 개발 -
 

스핀전류 흡수 개략도.


[더코리아뉴스]
고대승 기자 = 양현수 교수(싱가포르국립대, NUS)와 이경진 교수(고려대) 연구팀이 저전력, 고속 스위칭이 가능한 차세대 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)의 핵심 소재 구조를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기 정통부’)는 밝혔다.

이 연구는 일본 Toyota Technological Institute(TTI)의 Awano 교수 연구팀, 중국 Tongji대 Qiu 교수와 공동 수행한 결과로, 네이쳐 머터리얼즈(Nature Materials)에 지난 3일 온라인 게재되었다.



논문명: Long spin coherence length and bulk-like spin-orbit torque in ferrimagnetic multilayers.
저자정보: J. Yu(NUS), D. Bang(TTI), R. Mishra, R. Ramaswamy (NUS), 오정현, 박현종, 정윤부(고려대), P. V. Thach(TTI), 이동규, 고경춘, 이서원(고려대), Y. Wang, S. Shi(NUS), X. Qiu(Tongji대), H. Awano(TTI), 이경진 교수(공동 교신저자, 고려대), 양현수 교수(공동 교신저자, NUS) 포함 총 17명

자성메모리는 외부 전원의 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작이 가능한 장점이 있어 차세대 메모리로 세계 반도체 업체들이 경쟁적으로 개발하고 있다.

그러나 MRAM의 시장 파급력을 확대하기 위해서는 두꺼운 자성층의 자화방향을 낮은 전류로 스위칭시키는 신기술이 필요하다. 

자성메모리의 동작은 횡(橫, transverse) 스핀전류를 자성소재에 주입하여 발생하는 스핀토크로 이루어지는데, 기존 자성소재는 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 모두 소실되는 특성으로 인해 두꺼운 자성층을 스위칭시킬 수 없다는 한계가 있었다. 

스핀전류는 일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 말하는데, 스핀전류는 전자의 또 다른 고유특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 스핀  전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유로울 수 있다.

연구에서는 새로운 소재구조, 즉 원자 단위의 반강자성 스핀 배열을 갖는 페리자성 다층막에서 횡 스핀전류가 소재 표면에서 소실되지 않고, 두꺼운 막 전체에 걸쳐 유지됨을 이론 및 실험으로 규명했다. 이를 통해 기존 소재에 비해 20배 정도 높은 스핀 전환효율을 달성하였다. 

이 신소재를 차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀토크 기반의 자성메모리에 적용할 경우, 스핀토크 효율을 높이고 초고집적이 가능하여 스핀토크 자성메모리의 시장 확대에 기여할 것으로 기대된다. 

또한 자성메모리의 미래기술로 개발 중인 스핀궤도토크 자성메모리에도 적용이 가능한 이 소재는, 고속동작 및 비휘발성 특성으로 SRAM 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜, 저전력을 필수로 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 IoT용 메모리로 활용가능성이 높다.  

양현수, 이경진 교수는 “본 연구는 횡 스핀전류가 자성소재 내에서 유지되도록 하는 양자역학적 원리를 실험적으로 구현함으로써 자성메모리의 초고집적화를 위한 난제를 해결한 것으로, 기초학문에 대한 이해가 응용소자의 핵심적 난제를 해결하는데 활용될 수 있음을 보여주는 좋은 예이다.” 라고 밝혔다.

이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업, 중견연구자사업, KIST Joint Research Lab 사업, 삼성전자 미래기술육성사업 및 싱가포르 정부과제의 지원을 받아 수행되었다.





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