SRAM 메모리 한계 뛰어넘은 메모리 핵심 소재 개발 자성메모리(MRAM) 기술보다 10배 이상 빨라 현재 사용 되는 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. 이와 더불어 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.미래창조과학부(장관 최양희)는 국내대학 연구진이 차세대 자성메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술 개발에 성공했다고 밝혔다.박병국 교수(한국과학기술원)와 이경진 교수(고려대) 공동연구팀의 연구 결과는 나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 네이쳐 나노 테크놀러지(Nature Nanotechnology) 7월 11일자에 게재됐다. 자성메모리는 실리콘을 기반으로 한 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작과 집적도를 높일 수 있다. 이러한 특성 때문에 메모리 패러다임을 바꿀 새로운 기술로 전세계 여러 반도체 업체에서 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 메모리이다. 개발 경쟁의 대상이 되는 핵심 기술 중 하나는 메모리 동작 속도를 더 높이면서도 고집적도를 동시에 구현 하는 기술이다. 현재까지 개발된 자성메모리 기술에 의하면 동작 속도를 최고치로 유지하는 경우 집적도가 현저히 떨어지는 문제가 있었다. 현 연구팀은 동작 속도를 기존 자성메모리 기술보다 10배 이상 빠르고 고집적도를 달성 할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 차세대 메모리로 주목받고 있는 일반적 스핀궤도토크 기반의 자성메모리의 경우, 정보기록을 위해 중금속/강자성 물질의 스핀궤도결합을 이용한다. 하지만 기존에 사용되는 백금(Pt) 또는 텅스텐(W)의 경우 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 제약이 있었는데, 연구팀은 이리듐-망간(IrMn) 합금과 같은 새로운 반강자성 소재를 도입해 반강자성/강자성 물질의 교환 결합을 이용해 외부자기장 없이 고속, 저전력 동작이 가능한 기술을 개발했다. 스핀궤도토크 자성메모리는 컴퓨터 또는 스마트폰에 쓰이는 SRAM보다 10배 이하로 전력소모를 낮출 수 있고, 비휘발성 특성으로 저전력을 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 사물인터넷(IoT)용 메모리로 활용 가능성이 높다. 박병국 교수는 “이번 연구는 차세대 메모리로써 각광받고 있는 자성메모리의 구현 가능성을 한 걸음 더 발전시킨 것에 의미가 있고, 추가 연구를 통해 기록성능이 뛰어난 신소재 개발에 주력할 예정”이라고 밝혔다.한편 국내 반도체 산업은 DRAM, Flash 등 메모리 반도체에서 지속적으로 세계시장을 선도해 오고 있다. 그러나 최근 중국의 대규모 메모리 반도체 투자에 따른 위협이 가시화되고 있다. 이번 연구결과로 원천기술 선점과 특허확보를 통해, 메모리 산업의 주도권 강화와 더불어 비메모리 논리소자 부분의 시장을 확장하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.-. 연구를 시작한 계기나 배경은?▲최근 자성재료 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 스핀궤도토크와 반강자성 스핀트로닉스이다. 본 연구는 스핀궤도토크를 실제 메모리 소자 적용에 문제점으로 지적되는 외부자기장 문제 해결을 위해 시작됐고, 반강자성 스핀트로닉스 기술을 도입하므로 성공적인 연구 결과를 얻을 수 있었다.-. 연구 전개 과정에 대한 소개▲연구팀에서는 2012년부터 다양한 중금속/강자성 구조에서 스핀궤도토크에 대한 실험 및 이론 연구를 시작했고, 2014년 중견연구자 사업의 지원을 받아 반강자성 물질에서의 스핀 거동에 관한 연구를 수행했다. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 2015년 미래소재디스커버리 사업단의 지원을 받아 반강자성 물질의 교환 결합으로 스핀궤도토크 소자의 외부자기장을 대체하는 연구를 본격적으로 수행했다. 그 결과 반강자성 물질을 기반으로 한 스핀궤도토크 소자를 개발했고, 외부자기장을 걸어 줄 필요가 없는 단순한 구조의 차세대 자성메모리 기록방식 개발에 성공하게 됐다. -. 연구하면서 어려웠던 점과 어떻게 극복(해결)했는지?▲반강자성 물질에서의 스핀궤도토크 연구는 기존에 연구되지 않은 분야이기 때문에 실험 결과의 올바른 해석과 예측을 위해서는 스핀궤도토크와 반강자성 물질에 대한 깊은 이해와 이론적인 모델링 등의 연구가 동반돼야 했고, 또한 이를 증명하기 위한 고성능 자성특성 측정기술이 요구됐다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 이론 그룹과 공동 연구를 수행했고, 국내 최고 측정 장비를 보유한 한국과학기술연구원에서 물질 특성을 분석할 수 있었다. 논문의 저자를 보면 알 수 있듯이 본 연구는 국내연구진만으로 구성된 공동연구로 진행됐고, 다양한 기관과 학교의 도움으로 성공적인 연구 결과를 얻을 수 있었다. 특히 미래소재디스커버리사업 스핀궤도소재연구단이 시작되면서 공동연구가 활성화돼 연구 수행에 큰 도움이 됐고, 이 기회를 통해 앞으로도 더 활발한 공동연구를 진행할 것을 기대하고 있다. -. 이번 성과, 무엇이 다른가?▲최근 발견된 스핀궤도토크 현상을 반도체 소자와 융합해 저전력 소모, 고집적이 가능한 자성메모리 기록 기술 개발을 위한 연구를 수행했다. 본 연구는 반강자성 특성을 갖는 새로운 소재를 도입해 스핀궤도토크 메모리 소자 구동에서 약점으로 작용하는 외부자기장 인가 문제점을 해결했다. 이와 더불어 강자성/반강자성/강자성 등 다양한 소재구조를 제시해 정보기록의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?▲현재 국내 자성재료 연구 수준은 세계적으로도 인정받고 있다. 또한 국내 반도체 메모리 산업 역시 세계 1위를 달리고 있다. 따라서 지속적인 연구 개발을 통해 자성메모리 연구개발 및 궁극적으로는 상용화에 앞장서고 싶다.

SRAM 메모리 한계 뛰어넘은 메모리 핵심 소재 개발

자성메모리(MRAM) 기술보다 10배 이상 빨라

기사입력 2016-07-13 18:01:37

[산업일보]

현재 사용 되는 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. 이와 더불어 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.

미래창조과학부(장관 최양희)는 국내대학 연구진이 차세대 자성메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

박병국 교수(한국과학기술원)와 이경진 교수(고려대) 공동연구팀의 연구 결과는 나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 네이쳐 나노 테크놀러지(Nature Nanotechnology) 7월 11일자에 게재됐다.

자성메모리는 실리콘을 기반으로 한 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작과 집적도를 높일 수 있다. 이러한 특성 때문에 메모리 패러다임을 바꿀 새로운 기술로 전세계 여러 반도체 업체에서 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 메모리이다.

개발 경쟁의 대상이 되는 핵심 기술 중 하나는 메모리 동작 속도를 더 높이면서도 고집적도를 동시에 구현 하는 기술이다. 현재까지 개발된 자성메모리 기술에 의하면 동작 속도를 최고치로 유지하는 경우 집적도가 현저히 떨어지는 문제가 있었다.

현 연구팀은 동작 속도를 기존 자성메모리 기술보다 10배 이상 빠르고 고집적도를 달성 할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

차세대 메모리로 주목받고 있는 일반적 스핀궤도토크 기반의 자성메모리의 경우, 정보기록을 위해 중금속/강자성 물질의 스핀궤도결합을 이용한다. 하지만 기존에 사용되는 백금(Pt) 또는 텅스텐(W)의 경우 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 제약이 있었는데, 연구팀은 이리듐-망간(IrMn) 합금과 같은 새로운 반강자성 소재를 도입해 반강자성/강자성 물질의 교환 결합을 이용해 외부자기장 없이 고속, 저전력 동작이 가능한 기술을 개발했다.

스핀궤도토크 자성메모리는 컴퓨터 또는 스마트폰에 쓰이는 SRAM보다 10배 이하로 전력소모를 낮출 수 있고, 비휘발성 특성으로 저전력을 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 사물인터넷(IoT)용 메모리로 활용 가능성이 높다.

박병국 교수는 “이번 연구는 차세대 메모리로써 각광받고 있는 자성메모리의 구현 가능성을 한 걸음 더 발전시킨 것에 의미가 있고, 추가 연구를 통해 기록성능이 뛰어난 신소재 개발에 주력할 예정”이라고 밝혔다.

한편 국내 반도체 산업은 DRAM, Flash 등 메모리 반도체에서 지속적으로 세계시장을 선도해 오고 있다. 그러나 최근 중국의 대규모 메모리 반도체 투자에 따른 위협이 가시화되고 있다. 이번 연구결과로 원천기술 선점과 특허확보를 통해, 메모리 산업의 주도권 강화와 더불어 비메모리 논리소자 부분의 시장을 확장하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.

-. 연구를 시작한 계기나 배경은?
▲최근 자성재료 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 스핀궤도토크와 반강자성 스핀트로닉스이다. 본 연구는 스핀궤도토크를 실제 메모리 소자 적용에 문제점으로 지적되는 외부자기장 문제 해결을 위해 시작됐고, 반강자성 스핀트로닉스 기술을 도입하므로 성공적인 연구 결과를 얻을 수 있었다.

-. 연구 전개 과정에 대한 소개
▲연구팀에서는 2012년부터 다양한 중금속/강자성 구조에서 스핀궤도토크에 대한 실험 및 이론 연구를 시작했고, 2014년 중견연구자 사업의 지원을 받아 반강자성 물질에서의 스핀 거동에 관한 연구를 수행했다. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 2015년 미래소재디스커버리 사업단의 지원을 받아 반강자성 물질의 교환 결합으로 스핀궤도토크 소자의 외부자기장을 대체하는 연구를 본격적으로 수행했다. 그 결과 반강자성 물질을 기반으로 한 스핀궤도토크 소자를 개발했고, 외부자기장을 걸어 줄 필요가 없는 단순한 구조의 차세대 자성메모리 기록방식 개발에 성공하게 됐다.

-. 연구하면서 어려웠던 점과 어떻게 극복(해결)했는지?
▲반강자성 물질에서의 스핀궤도토크 연구는 기존에 연구되지 않은 분야이기 때문에 실험 결과의 올바른 해석과 예측을 위해서는 스핀궤도토크와 반강자성 물질에 대한 깊은 이해와 이론적인 모델링 등의 연구가 동반돼야 했고, 또한 이를 증명하기 위한 고성능 자성특성 측정기술이 요구됐다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 이론 그룹과 공동 연구를 수행했고, 국내 최고 측정 장비를 보유한 한국과학기술연구원에서 물질 특성을 분석할 수 있었다. 논문의 저자를 보면 알 수 있듯이 본 연구는 국내연구진만으로 구성된 공동연구로 진행됐고, 다양한 기관과 학교의 도움으로 성공적인 연구 결과를 얻을 수 있었다.
특히 미래소재디스커버리사업 스핀궤도소재연구단이 시작되면서 공동연구가 활성화돼 연구 수행에 큰 도움이 됐고, 이 기회를 통해 앞으로도 더 활발한 공동연구를 진행할 것을 기대하고 있다.

-. 이번 성과, 무엇이 다른가?
▲최근 발견된 스핀궤도토크 현상을 반도체 소자와 융합해 저전력 소모, 고집적이 가능한 자성메모리 기록 기술 개발을 위한 연구를 수행했다. 본 연구는 반강자성 특성을 갖는 새로운 소재를 도입해 스핀궤도토크 메모리 소자 구동에서 약점으로 작용하는 외부자기장 인가 문제점을 해결했다. 이와 더불어 강자성/반강자성/강자성 등 다양한 소재구조를 제시해 정보기록의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
▲현재 국내 자성재료 연구 수준은 세계적으로도 인정받고 있다. 또한 국내 반도체 메모리 산업 역시 세계 1위를 달리고 있다. 따라서 지속적인 연구 개발을 통해 자성메모리 연구개발 및 궁극적으로는 상용화에 앞장서고 싶다.