이경진 교수팀 NSU 연구진과 저전력 고속 자성메모리용 스핀 신소재 개발

차세대 자성메모리의 핵심 소재기술 개발 기대

▲ 공과대학 신소재공학부 이경진 교수

공과대학 신소재공학부 이경진 교수와 양현수 싱가포르국립대 교수 연구팀이 저전력, 고속 스위칭이 가능한 차세대 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)의 핵심 소재 구조를 개발했다.

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 게재됐다.

- 논문명 : Long spin coherence length and bulk-like spin-orbit torque in ferrimagnetic multilayers.

- 저자명 : 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. 그러나 MRAM의 시장 파급력을 확대하기 위해서는 두꺼운 자성층의 자화방향을 낮은 전류로 스위칭시키는 신기술이 필요하다.

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.

이번 연구에서는 새로운 소재구조, 즉 원자 단위의 반강자성* 스핀 배열을 갖는 페리자성 다층막에서 횡 스핀전류가 소재 표면에서 소실되지 않고, 두꺼운 막 전체에 걸쳐 유지됨을 이론 및 실험으로 규명했다. 이를 통해 기존 소재에 비해 20배 정도 높은 스핀 전환효율을 달성했다.

* 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.

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.  이경진 교수는 “이번 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 예” 라고 밝혔다.

이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업, 중견연구자사업, KIST Joint Research Lab 사업, 삼성전자 미래기술육성사업 및 싱가포르 정부과제의 지원을 받아 수행됐다.

[ 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.

[ 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

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)