저전력 고속 자성메모리용 스핀 신소재 개발
- 차세대 자성메모리의 핵심 소재기술 개발 -
□ 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.
ㅇ 이 연구는 일본 Toyota Technological Institute(TTI)의 Awano 교수 연구팀, 중국 Tongji대 Qiu 교수와 공동 수행한 결과로, 네이쳐 머터리얼즈(Nature Materials)에 12월 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.
ㅇ 그러나 MRAM의 시장 파급력을 확대하기 위해서는 두꺼운 자성층의 자화방향을 낮은 전류로 스위칭시키는 신기술이 필요하다.
ㅇ 자성메모리의 동작은 횡(橫, transverse) 스핀전류*를 자성소재에 주입하여 발생하는 스핀토크로 이루어지는데, 기존 자성소재는 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 모두 소실되는 특성으로 인해 두꺼운 자성층을 스위칭시킬 수 없다는 한계가 있었다.
* 스핀전류: 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.
□ 본 연구에서는 새로운 소재구조, 즉 원자 단위의 반강자성* 스핀 배열을 갖는 페리자성 다층막**에서 횡 스핀전류가 소재 표면에서 소실되지 않고, 두꺼운 막 전체에 걸쳐 유지됨을 이론 및 실험으로 규명하였다. 이를 통해 기존 소재에 비해 20배 정도 높은 스핀 전환효율을 달성하였다.
* 반강자성: 인접한 두 원자가 갖는 스핀들이 서로 반대방향인 특성이다. 이에 반해 강자성은 스핀들이 서로 같은 방향을 갖는 특성으로 일반적인 자성소재는 강자성을 띤다.
** 페리자성 다층막: 서로 다른 원소로 이루어진 원자층이 반복적으로 교차되도록 쌓은 박막이다. 이 연구에서는 코발트 (Co) 한 층과 터븀 (Tb) 한 층을 교차하여 쌓았다. 이때 Co 스핀과 Tb 스핀은 서로 반대방향으로 반강자성을 띤다.
ㅇ 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.
ㅇ 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.
<참고자료> : 1. 연구결과 개요
2. 용어설명
3. 연구이야기
4. 그림설명
5. 연구진 이력사항
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1. 연 구 결 과 개 요 |
1. 연구배경
ㅇ 현재 사용되는 반도체 구조에서는 논리소자와 메모리소자가 공간적으로 단절되어 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.
ㅇ 자성메모리는 자성물질의 자화방향에 정보를 기록하기 때문에 자화방향을 제어하는 것이 소자의 동작원리이다. 기존 자성메모리에 사용되는 기술은 전기를 인가하여 생성되는 스핀전류를 이용하여 자화방향을 제어하는 스핀전달토크 또는 스핀궤도토크이다. 기존 자성소재의 경우 토크의 크기를 결정하는 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 모두 소실되는 특성으로 인해, 두꺼운 자성층의 자화방향을 스위칭시키기 위해서는 보다 많은 전류를 주입해야하는 한계가 있었다. 자성층이 두꺼울수록 소자의 집적도를 키울 수 있기 때문에, 이러한 기존 소재의 한계는 자성메모리의 고집적화에 걸림돌이 되어왔다.
ㅇ 즉 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 소실되는 문제를 해결함으로써, 보다 두꺼운 자성층의 자화방향을 낮은 전류로 제어하는 소재기술 개발이 요구되었다.
2. 연구내용
ㅇ 본 연구에서는 이론적인 연구를 통하여 원자 단위로 반강자성 특성을 갖는 페리자성 다층막에서 양자역학적 스핀 정합성(spin coherence)이 발생하며, 이를 통해 횡 스핀전류가 다층막의 표면에서 소실되지 않고 두께 전체에서 유지됨을 확인하였다.
ㅇ 이를 실험으로 규명하기 위하여 Co/Tb 다층막을 제작하고 횡 스핀전류를 측정하여, 10 나노미터 이상으로 두꺼운 다층막에서도 횡 스핀전류가 유지됨을 확인하였다. 이는 기존 자성소재의 경우 1 나노미터 정도로만 두꺼워져도 횡 스핀전류가 모두 소실되는 것과 큰 차이를 보인 것으로 이론적 예측을 뒷받침 하는 실험적 증거이다.
ㅇ 또한 10 나노미터 수준으로 두꺼운 Co/Tb 다층막에서 스핀궤도토크를 측정하여, 기존 소재 대비 20배 이상 큰 스핀전환 효율을 확인하였다. 특히 이러한 큰 스핀전환 효율이 기존 소재 대비 10배 정도로 두꺼운 자성층에서 얻어졌기 때문에, 스핀토크 자성메모리의 고집적화를 앞당길 수 있는 중요한 발견이다.
ㅇ 본 연구는 반강자성 스핀 배열을 갖는 소재에서 우수한 스핀 정합성을 확인한 첫 번째 실험결과로 스핀트로닉스 소자에서 스핀전류를 새로운 방식으로 제어할 수 있는 가능성을 열어 관련 학문 발전에 기여할 것이고, 또한 두꺼운 자성막에서 높은 스핀전환효율을 얻어 차세대 자성메모리의 고집적화와 저전력 구동 등 응용가능성을 제공할 것이다.
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2. 용 어 설 명 |
1. MRAM (Magnetic Random Access Memory)
○ 비휘발성 메모리의 한 종류인 자성메모리로 기존 실리콘 기반의 메모리와는 다르게 얇은 자성 박막의 자화방향에 의해 데이터가 저장된다. 일반적으로 자기터널접합 구조인 강자성/산화막/강자성 구조에서 두 개의 강자성체의 상대적인 자화방향(평행, 반평행) 상태에 따라 두 가지 상태(0,1)로 표현된다. 2007년 노벨 물리학상이 수여된 거대자기저항 현상을 기본으로 하는 메모리 구조이다.
2. 스핀전류 (spin current)
○ 스핀전류는 양자역학적으로 정의되는 스핀 각운동량의 이동을 말하는 것으로 기본적으로 업스핀(+1/2ℏ)과 다운스핀(-1/2ℏ)의 알짜 이동을 말한다. 이러한 스핀전류는 자성소재의 자화반전을 유도할 수 있기 때문에 자성메모리를 포함하여 대부분의 스핀트로닉스 소자의 구동원으로 활용된다. 특히 스핀전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유로울 수 있다.
[스핀전류 개락도]
3. 스핀궤도토크 (Spin-orbit Torque)
○ 전자의 스핀(Spin)과 궤도(Orbit) 간의 상호작용을 기반으로 하는 새로운 물리적 원리로, 강자성체와 인접한 금속도체에 흐르는 전류에서 발생하는 스핀토크에 의해 자성정보를 제어하게 된다. 일반적으로 원자번호가 큰 물질일수록 스핀궤도토크의 크기가 크다고 알려져 있기 때문에 주로 중금속이 금속도체로 활용되고 있다.
4. 반강자성 (Anti-ferromagnetism)
○ 인접한 두 원자가 갖는 스핀들이 서로 반대방향을 향하는 특성을 의미한다. 이와 대비되는 개념인 강자성(ferromagnetism)은 인접한 두 원자가 갖는 스핀들이 모두 한 방향을 향하는 특성으로, 일반적인 자성소재는 강자성을 띤다.
[반강자성, 강자성 개략도: 화살표 = 원자 스핀]
5. 페리자성 다층막
○ 페리자성(ferrimagnetism)은 강자성과 반강자성의 중간 특성을 의미한다. 인접한 두 원자의 스핀이 서로 반대방향이더라도 두 원자의 종류가 다르면 페리자성으로 분류한다. 페리자성 다층막은 서로 다른 원소로 구성된 원자층이 두께 방향으로 반복적으로 교차되도록 쌓은 박막으로, 이때 두 원소의 스핀방향이 반강자성을 띠는 경우를 의미한다. 본 연구에서는 코발트 (Co) 원자층과 터븀 (Tb) 원자층을 번갈아 쌓는 방식으로 페리자성 다층막을 구현하였다. 이때 Co 스핀과 Tb 스핀은 양자역학적 교환상호작용으로 인해 서로 반대방향을 갖는다.
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3. 연구 이야기 |
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
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최근 국내 반도체 기업에 의해 상용화 준비가 이루어지고 있는 자성메모리는 비휘발성, 고속/저전력 구동으로 인해 IoT 등 다양한 응용소자에 적용이 가능할 것으로 예측된다. 그러나 정보를 저장하는 자성층의 두께가 두꺼워지면 소자구동에 필요한 전력이 증가하는 문제로 인해, 고집적화가 어렵다는 문제를 안고 있었다. 따라서 두꺼운 자성층을 손쉽게 스위칭 시킬 수 있는 방식을 개발하는 것이 매우 중요하였고, 이를 위해 다양한 소재를 시도하게 되었다. |
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
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본 연구는 이러한 문제를 해결해보기 위해 실험연구자인 양현수 교수 연구팀에서 페리자성층에 대한 스핀토크 스위칭 실험을 하던 중 두꺼운 페리자성층의 자화도 손쉽게 스위칭시킬 수 있다는 사실을 확인한 것으로 시작되었다. 기존에 알려져 있던 상식과 상충되는 실험결과를 이해하기 위해, 양교수 연구팀은 이론연구자인 이경진 교수 연구팀과 상의하게 되었다. 이론 연구를 통해 반강자성 스핀배열을 갖는 페리자성체에서 스핀정합성이 좋아지는 것이 원인일 수 있음을 확인하게 되었고, 이에 근거하여 스핀정합성을 직접 측정하는 추가적인 실험을 진행하여 이론적 설명을 증명하였다. |
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
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페리자성층에서 뛰어난 스핀정합성이 원인일 가능성을 인지한 후, 이를 실험적으로 직접 측정하는 방식을 고안해내고 실제 실험에서 구현하는데 까지 상당한 시일이 소요되었다. 어려웠던 과정에도 불구하고 원하는 결과를 얻을 수 있었던 것은, 두 연구그룹이 오랫동안 함께 진행해왔던 공동연구를 통해 상대그룹의 특장점을 잘 파악하고 있었던 것이 크게 도움이 되었다. 두 연구그룹은 2009년부터 지금까지 공동연구를 계속해오고 있으며, Nature Nanotechnology (2015), Physical Review Letters (2009), Science Advances (2016, 2017) 등에 논문을 게재한 바 있다. |
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
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최근 양산을 준비 중인 자성메모리는, 기존에 알고 있던 원리에 입각하여 자성층의 두께를 키우면 그만큼 전류를 더 많이 주입해야 스위칭이 된다는 것이 철칙으로 되어 있었다. 본 연구는 이러한 철칙을 깨는 물리적 원리를 발견하고 이를 실험적으로 구현한 것으로, 기초학문 관점에서 스핀정합성에 대한 새로운 관점을 제시했다는 것 이외에, 응용관점에서 기존 선입견을 깨뜨리는 새로운 발상이 가능토록 했다는 측면에서 의의가 크다고 생각된다. |
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
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현재 한국인 연구자들의 자성재료 연구 수준은 세계적으로도 인정받고 있고 국내 반도체 메모리 산업 역시 세계 1위를 달리고 있다. 본 연구팀에서 개발한 소재기술의 지속적인 연구개발을 통해 자성메모리 연구개발을 선도하여 핵심기술 확보 및 자성메모리의 상용화에 앞장서고 싶다. |
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4. 그 림 설 명 |
[그림] 스핀전류 흡수 개략도.
기존 자성소재의 경우 외부에서 발생한 스핀전류가 자성소재의 표면에서 모두 소실되는 반면, 개발 자성소재 (반강자성 스핀배열을 갖는 페리자성 다층막 소재)의 경우 스핀전류가 자성층 깊은 곳까지 유지되는 특성을 보임
이러한 특성은 반강자성 스핀배열을 갖는 페리자성 다층막의 우수한 스핀정합성 때문이며, 이로 인해 두꺼운 페리자성층의 자화도 손쉽게 스위칭이 가능함
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5. 연구진 이력사항 |
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양현수 교수 (공동 교신저자) |
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1. 인적사항
○ 소 속 : 싱가포르국립대 전기전자컴퓨터학과
○ 전 화 : +65-6516-7217
○ e-mail : eleyang@nus.edu.sg
2. 학력
○ 1994 - 1998 B.S. Electrical Engineering, Seoul National University
○ 2001 - 2003 M.S. Electrical Engineering, Stanford University
○ 2003 - 2006 Ph.D. Electrical Engineering, Stanford University
3. 경력사항
○ 1998 - 2001 Staff Engineer, C&S Technology Inc.
○ 2004 - 2007 Scientist, IBM-Stanford Spintronic Science and Applications
Center
○ 2005 - present Professor, Electrical and Computer Engineering, National
University of Singapore
4. 전문 분야 정보
○ Spintronics, Nanomaterials, Nanodevices
5. 연구지원정보
○ 2014년 ~ 현재 싱가포르 국가연구재단
○ 2015년 ~ 현재 싱가포르 과학기술연구재단
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이경진 교수 (공동 교신저자) |
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1. 인적사항
○ 소 속 : 고려대학교 신소재공학과
○ 전 화 : 02-3290-3289
○ e-mail : kj_lee@korea.ac.kr
2. 학력
○ 1988 - 1994 B.S. Physics, KAIST
○ 1994 - 1996 M.S. Materials Science and Engineering, KAIST
○ 1996 - 2000 Ph.D. Materials Science and Engineering, KAIST
3. 경력사항
○ 2000 - 2005 Senior Researcher, Samsung Advanced Institute of Science
○ 2003 - 2005 Postdoctoral fellow, CNRS-CEA Spintec, France
○ 2005 - present Professor, Department of Materials Science and Engineering,
Korea University
4. 전문 분야 정보
○ Spintronics theory and modeling
5. 연구지원정보
○ 2016년 ~ 현재 과학기술정보통신부·미래소재디스커버리지원사업
○ 2017년 ~ 현재 과학기술정보통신부·중견연구자지원사업
출처-과학기술정보통신부
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