전력 적게 쓰는 자성 메모리 개발 향후 저전력화 문제 해결의 단초 제공할 것 허령 기자입력 2017-05-24 09:25:57

고려대 김영근 교수 연구팀이 사물인터넷 기기 저장매체로 부각되고 있는 자성 메모리(MRAM) 기록에 필요한 전류를 감소시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.
자성 메모리는 자성 박막으로 만드는 비휘발성 기억 소자이다. 기존 임베디드 메모리소자(SRAM)와 달리 외부 전원의 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며, 메모리가 차지하는 면적을 줄일 수 있다.
자성 메모리의 구동원리는 크게 스핀궤도토크와 스핀전달토크 기반으로 나눌 수 있다. 스핀궤도토크 기반의 메모리(SOT-MRAM)는 동작속도가 스핀전달토크 기반 메모리(STT-MRAM) 기술보다 10배 이상 빨라 고속기록이 가능하다. 그러나 기록전류가 높고 외부자기장이 필요하다는 단점이 있다.
연구팀은 스핀분극현상을 이용해 스핀궤도토크 기반의 메모리 소자가 가진 고속기록의 장점을 유지하면서도 단점으로 지적되던 기록전류를 3배 이상 낮추는데 성공했다.
스핀궤도토크 메모리는 금속층과 강자성층의 이중층 구조를 사용하고 정보기록을 위해 금속층의 스핀궤도결합을 이용한다. 이 구조에 더해 자성층 하나를 추가해 스핀분극현상을 발생시킨 것이다.
또한, 이 기술을 활용하면 정보 기록 시 외부자기장이 불필요해 외부자기장을 걸어주기 위한 추가적인 구조가 필요 없어 소자의 집적도를 높이는 데 유리하다.
스핀궤도토크 메모리의 비휘발성으로 전력소모를 낮출 수 있어서 모바일, 사물인터넷(IoT) 기기의 저장매체로 활용가능성이 높다.
김영근 교수는 “이 연구 성과는 자성 메모리의 기록 성능을 높이기 위한 소재 아이디어를 이론적으로 검증한 것이다. 특허를 출원했으며, 향후 가장 중요한 이슈인 저전력화 문제 해결의 단초를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.
이 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4월 4일(화)자에 게재되었다.

 

★ 용 어 설 명 ★

 

※ 스핀(Spin)
-> 전하와 마찬가지로 입자가 지니는 고유의 물리량으로 입자의 운동과 무관한 각운동량이다. 전자는 스핀에 비례하는 자기모멘트(Magnetic Moment)를 갖고 이 자기모멘트가 정렬함과 그렇지 않음에 따라 자성체와 비자성체로 나뉜다.

 

※ MRAM(Magnetic Random Access Memory)
-> 자성체의 자화방향(자석의 N극 방향)에 따라 정보가 저장되는 비휘발성 메모리. 서로 다른 두 자성체가 연결된 구조에 전류를 흘려주면 두 자성체의 상대적인 자화방향에 따라 저항이 달라지는데, 이를 두 개의 상태(0과 1)로 읽거나 쓴다.

 

스핀1.jpg

스핀분극층을 포함한 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성 메모리(MRAM)의 개략도(왼쪽)와 측면도(오른쪽)
스핀분극층(Spin Polarizer Layer)이 만들어내는 추가적인 스핀축적 때문에 자유자성층(Free Layer)쪽에 쌓이는 스핀축적의 양이 스핀분극층이 없을 때 보다 늘어나고 자유자성층에 걸리는 토크의 크기가 증가한다. 그림의 왼쪽에서 Z축 방향 화살표는 스핀 업 전자의 운동을, Y축 방향 화살표는 스핀 다운 전자의 운동을 나타내고 FM은 자성층(Ferromagnetic Layer)을 NM은 비자성층(Non-magnetic Layer)을 나타낸다.

 

스핀2.jpg

 스핀분극층을 포함하는 스핀궤도토크(TD)의 주요 계산결과
스핀분극의 정도(β: 스핀분극층으로 흐르는 전류의 스핀이 정렬한 정도, 0~1 사이의 값을 가짐)에 따라 토크의 크기가 현격한 차이를 보인다. 그림의 가로축에서 θsh는 스핀궤도결합의 정도를, tN은 비자성층의 두께를 나타낸다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 스핀궤도토크를 이용한 마그네틱 메모리 소자에서 그동안 문제점으로 지적되어 왔던 임계전류문제를 해결하기 위해 주어진 전류에서 스핀궤도토크의 크기를 기존보다 증가시키는 것을 목표로 했다. 스핀분극층을 추가로 삽입하는 아이디어를 도입함으로써 성공적인 연구결과를 얻을 수 있었다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 연구진들은 2005년부터 국가지정연구실사업으로 마그네틱 메모리의 자기터널접합 소재 분야를 연구했으며, 2013년 중견연구자사업의 지원을 받아 스핀궤도토크에 의한 자화반전 및 자구벽 운동에 대해 이론적으로 분석했다. 위의 선행연구결과를 바탕으로 2015년 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 스핀궤도토크의 크기를 현저히 증가시키고 외부자기장이 불필요해 고집적이 가능한 구조의 마그네틱 메모리 기록방식 개발에 성공하게 되었다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 기존에 다루어지지 않았던 구조에서 이론계산을 수행하기가 쉽지 않았다. 기존의 스핀궤도토크 문제에서는 1차원 표류-확산 방정식을 풀면 되는데 반해, 스핀분극을 고려한 이번 문제에서는 해석적 풀이가 매우 어려운 2차원 표류-확산 방정식을 풀어야하기 때문에 접근이 쉽지 않았다. 이를 공동저자들 간의 지속적인 토론을 통해 해결해 성공적인 연구결과를 얻을 수 있었다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존 스핀궤도토크를 이용한 메모리 소자 구조에 추가로 스핀분극층을 삽입함으로써 소자 구동에서 약점으로 지적되었던 전력소모절감과 외부자기장 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안을 제시했다.

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  • Donyell 2017-06-01 Yours is a clever way of thnkiing about it.
  • Augustina 2017-06-01 Poor Jane Marie, winter just will not leave you alone! Before you know it, spring will return and you'll forget all about the snow. Flwores always win out!