반강자성체로 외부 자기장 필요 없는 자성메모리 기술 개발해
상태바
반강자성체로 외부 자기장 필요 없는 자성메모리 기술 개발해
  • 임성민 기자
  • 승인 2016.08.30 21:23
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

기존 자성메모리보다 10배 빠른 SOT-MRAM 소자 개발의 핵심 기술 구현… 차세대 비휘발성 자성메모리의 상용화 가능성 확대
(a) 강자성체와 반강자성체의 경계면에서 교환결합으로 인한 내부 자기장이 발생한다. (b) 반강자성체 위에 산화물-강자성체 소자를 결합한 구조.

신소재공학과 박병국 교수와 고려대학교 신소재공학부 이경진 교수 공동 연구팀이 반강자성체(antifer-romagnet)를 이용해 외부 자기장 없이 자성메모리의 자화방향을 제어하는 기술을 개발했다. 반강자성체는 인접한 자기모멘트의 방향이 반평형으로 정렬해 자력을 띠지 않는 물질이다. 이번 연구 결과는 지난달 11일 <네이처 나노테크놀로지(Natu-re Nanotechnology)>에 게재되었다.
 

차세대 비휘발성 메모리, 자성메모리
실리콘을 기반으로 한 기존의 DRAM*은 축전기를 사용해 누설 전류가 발생하고 두께도 수 μm 정도로 두꺼워야 한다. 때문에 전력소모나 발열, 집적도 측면에서 한계가 있다. 이에 따라 집적도가 높고, 낮은 전력만으로도 작동할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리를 개발하기 위한 노력이 이어졌다. 그 성과 중 하나가 자성메모리(Magnetoresistive RAM, MRAM)다. 자성메모리는 집적도가 높을 뿐만 아니라 전원 공급 없이 정보를 저장할 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다.
 
기존 자성메모리는 상용화 어려워
자성메모리는 두 자성층의 상대적인 자화방향에 따른 저항 차이로 데이터 신호 0, 1을 구분한다. 따라서 자성층의 극성을 바꾸는 기술이 중요한데, 기존에는 외부 자기장을 걸어주거나 두 자성층을 통과하는 수직전류를 흘려줘 전자의 스핀을 매개로 자성층의 자화방향을 제어했다. 하지만 외부 자기장을 걸어주는 방식은 소자의 부피가 커야 하고 전력을 많이 소모해 상용화하기에는 무리가 있었다. 또한, 수직전류를 이용하면 데이터를 쓰기 위한 전류와 데이터를 읽는 전류의 경로가 같아 데이터에 오차가 생길 가능성이 크다. 뿐만 아니라 소자를 통과하는 수직전류가 가운데에 있는 산화물을 파괴할 수도 있다.
 
속도 빠르고 안정적인 SOT-MRAM
이를 보완하기 위해 최근 등장한 방식이 바로 스핀 홀 효과(spin Hall effect)를 이용한 스핀궤도토크(spin orbit torque) 기반의 자성메모리(SOT-MRAM)다. 스핀 홀 효과는 강한 스핀 궤도 결합을 갖는 백금이나 텅스텐 등 중금속에 전류를 흘려줬을 때 표면에 서로 다른 방향의 스핀이 분리, 축적되는 현상이다. 이렇게 축적된 스핀이 위에 있는 자성층에 토크를 전달해 자화방향을 제어한다. 이 경우 데이터를 읽고 쓰는 전류의 경로를 분리할 수 있어 데이터 변질의 우려도 적을 뿐만 아니라, 산화물이 받는 피해를 최소화할 수 있다. 또한, 기존의 수직전류로 자화방향을 제어하는 기술에 비해 속도가 10배 이상 빠르다.
 
외부 자기장 대신 반강자성체 이용해
하지만 SOT-MRAM은 정보 저장을 위해서 외부 자기장이 반드시 필요하다는 제약이 있었다. 이에 연구진은 기존 중금속 소재를 반강자성체인 이리듐-망간(IrMn) 합금으로 대체했다. 이는 중금속과 같이 수평 전류에 의한 스핀 축적을 이룰 뿐만 아니라, 강자성체와의 경계면에 교환결합**으로 인한 강한 내부 자기장을 만든다. 이 내부 자기장이 정보 저장을 위한 외부 자기장처럼 작용해, 외부 자기장 없이도 소자가 작동할 수 있는 것이다. 이에 따라 연구팀은 고속, 저전력 동작이 가능한 자성메모리 기술을 개발할 수 있었다.
 
이번 연구는 SOT-MRAM의 상용화 가능성을 보인 것에 큰 의미가 있다. 논문 제1저자 백승헌 박사과정 학우는 “반강자성체를 이용한 소자를 실제로 구현해보고, 반강자성체와 강자성체의 교환결합 공정을 단순화시키는 방향으로 후속 연구를 진행할 예정이다”라고 전망을 밝혔다.
 
DRAM(Dynamic RAM)*
임의접근기억장치(RAM)의 한 종류로, 축전기에 담긴 전하량으로 데이터를 저장한다.
 
교환결합**
강자성체와 반강자성체를 접합했을 때 그 경계면에서 강자성체의 자기모멘트가 한 방향으로 정렬되는 현상.

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토