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저전력 차세대 자성메모리의 핵심 스핀 신소재기술 개발

기존 소재에 비해 20배 정도 높은 스핀 전환효율

[산업일보]
현재 사용되는 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.

저전력 차세대 자성메모리의 핵심 스핀 신소재기술 개발

자성메모리는 자성물질의 자화방향에 정보를 기록하기 때문에 자화방향을 제어하는 것이 소자의 동작원리다. 기존 자성메모리에 사용되는 기술은 전기를 인가해 생성되는 스핀전류를 이용해 자화방향을 제어하는 스핀전달토크 또는 스핀궤도토크다.

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 돼왔다. 즉 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 소실되는 문제를 해결함으로써, 보다 두꺼운 자성층의 자화방향을 낮은 전류로 제어하는 소재기술 개발이 요구됐다.

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.

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) 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이루어지는데, 기존 자성소재는 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 모두 소실되는 특성으로 인해 두꺼운 자성층을 스위칭시킬 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 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.

이 신소재를 차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀토크 기반의 자성메모리에 적용할 경우, 스핀토크 효율을 높이고 초고집적이 가능해 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.

양현수, 이경진 교수는 “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 수행됐다.
김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

해외 글로벌 기업들의 동향을 신속 정확하게 보도하겠습니다.

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