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차세대 자성메모리의 원천기술 고효율 스핀 신소재 개발

자성메모리(MRAM) 구동 핵심 스핀전류 효율적 생성

[산업일보]
현재 사용되는 반도체 구조에서는 논리소자와 메모리소자가 공간적으로 단절돼 있기 때문에 소자 간의 긴 신호지연이 불가피하다. 또한 비휘발성 메모리인 SRAM의 사용은 정보유지를 위한 지속적인 전력 공급으로 인해 높은 전력소모의 문제점을 야기한다.

현재 사용되는 컴퓨터 CPU 및 스마트폰 AP는 SRAM 소자의 개수와 그 성능이 비례하기 때문에 소자 성능 향상을 위해서는 지속적으로 메모리 면적의 증가가 요구되고 있다. 이러한 문제는 소자 고집적화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

자성메모리는 자성물질의 자화방향에 정보를 기록하기 때문에 자화방향을 제어하는 것이 소자의 동작 원리다. 기존 자성메모리에 사용되는 기술은 전기를 인가해 생성되는 스핀전류를 이용해 자화방향을 제어하는 스핀전달토크 또는 스핀궤도토크다. 차세대 메모리 동작방식으로 각광 받고 있는 스핀궤도토크의 경우 중금속의 스핀홀 효과를 이용해 스핀전류를 생성한다. 하지만 이러한 방식은 중금속 물질에 따라서 생성된 스핀전류의 스핀 방향이 전류의 수직한 방향으로 고정되기 때문에 안정적인 동작을 위해서는 외부자기장을 인가해 주어야 한다는 큰 단점이 있어, 이를 극복하기 위한 해결방안이 필요하다.

스핀궤도토크의 효율 향상 및 외부자기장의 필요성 제거를 위해서는 스핀전류의 스핀방향을 임의로 제어하는 소재 기술 개발이 꾸준히 요구돼 왔다.

차세대 자성메모리의 원천기술 고효율 스핀 신소재 개발
강자성/전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도와 주요 연구 결과

이경진 교수(고려대)와 박병국 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 자성메모리(MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다고 과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 외부 전원의 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속 동작이 가능한 장점이 있어 차세대 메모리로 전 세계 반도체 업체들이 경쟁적으로 개발하고 있다.

자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이루어지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모전력을 결정하는 핵심 기술이다.

이번 연구에서는 새로운 소재구조, 즉 강자성/전이금속 이중충에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험으로 규명했다. 특히, 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀방향을 임의로 제어할 수 있다.

이 신소재를 차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀궤도토크 기반의 자성메모리에 적용할 경우, 스핀토크 효율을 높이고 외부자기장 없이 동작이 가능해 스핀궤도토크 자성메모리 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

스핀궤도토크 자성메모리는 고속동작 및 비휘발성 특성으로 SRAM 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜, 저전력을 필수로 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 사물인터넷용 메모리로 활용가능성이 높다.

이경진 교수는 “스핀궤도결합이 비교적 작다고 알려진 값싼 강자성과 전이금속의 이중층 구조에서 스핀전류가 생성되는 것과 하부 강자성 물질의 자화방향에 따라서 스핀전류의 스핀 방향을 제어 할 수 있음을 이론 및 실험으로 규명한 것에 의미가 크고, 추가 연구를 통해서 개발된 소재를 기반으로 하는 자성메모리 개발에 주력할 예정이다”라고 밝혔다.
조미정 기자 mjcho@kidd.co.kr

산업부 조미정 기자입니다. 4차 산업혁명 및 블록체인, 산업전시회 등의 분야에 대해서 독자여러분과 소통하도록 하겠습니다.

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