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국내 연구진, 숨겨진 자성 메모리(M램)의 자기 상호작용 규명

자성 메모리 뛰어넘는 3차원 스핀구조 메모리 응용 기대

국내 연구진, 숨겨진 자성 메모리(M램)의 자기 상호작용 규명
비대칭 층간 상호작용에 대한 모식도

[산업일보]
정보 산업의 급속한 발달이 이뤄지면서 대용량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 늘고 있다. 그만큼 동작속도가 빠르고 고집적도를 달성할 수 있는 새로운 메모리 장치 개발에 대한 연구가 주목을 받고 있다.

자성 메모리는 전자의 스핀을 이용하기 때문에 비휘발성을 가지며 고속 동작이 가능하다는 장점이 있지만, 소비 전력이 상대적으로 많이 소비되기 때문에 스위칭 전류를 낮추기 위한 많은 노력들이 진행되고 있다.

최근에 나노와이어의 자구벽 이동 원리를 이용하는 레이스트랙 메모리는 초고속, 비휘발성 등을 겸비한 신개념 메모리 소자로 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있지만, 자구(magnetic domain)를 단위 비트(bit)로 사용하기 때문에 고집적 회로 구성이 용이하지 않다는 어려움이 있다.

전자의 스핀 상태를 결정하는 자기적 상호작용은 일반적으로 대칭적인 형태로 발생한다. 예를 들어, 두 개의 서로 다른 자성층 사이에 있는 비자성층에 의해 자화의 방향이 평행 또는 반평행 상태로 스위칭하는 동작 원리를 가진다. 하지만 최근에 단일 물질 내에 비대칭적 상호작용의 존재가 밝혀지면서 신개념의 메모리 소자로의 응용 가능성에 많은 관심이 모아지고 있다.

국내 연구진, 숨겨진 자성 메모리(M램)의 자기 상호작용 규명
단일 자성 박막과 다층 자성 박막에서 자화 스위칭 곡선

과학기술정보통신부는 정명화 교수(서강대학교) 연구팀이 자성물질 사이에 숨겨진 자기적 상호작용을 규명함으로써, 차세대 메모리 반도체인 자성 메모리의 속도와 저장용량을 한 단계 더 발전시켜줄 가능성을 입증했다고 11일 밝혔다.

어디서나 동영상을 실시간 재생하고 사물인터넷이 익숙해진 정보화 시대에 들어서면서 대용량 정보 저장장치 개발이 활발하다. 그 중 자성 메모리(M램)는 전원이 끊겨도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성, 고속 동작 등의 장점이 주목받으며, 최근 상용화되고 있다.

전류를 기반으로 하는 기존 메모리와 달리, 자성 메모리는 전자의 스핀(회전)에 의한 자성을 이용한다. 두 개의 자성물질에서 자화 방향이 같거나 반대일 때 0 또는 1의 정보가 기록된다. 많은 장점에도 불구하고 자화 방향을 바꿀 때 필요한 소비 전력이 크다는 한계가 있다.

연구팀은 자성물질에서 대칭적 상호작용에 의한 두 가지 자화 방향(동일/반대 방향)뿐 아니라 비대칭적 상호작용에 의한 자화 방향도 있음을 발견했다. 3차원 스핀 구조에 정보를 저장함으로써 자성 메모리의 속도와 용량을 크게 개선할 수 있게 됐다.

이번 연구에서 밝혀진 비대칭적 상호작용은, 두 자성물질 사이에 있는 비자성 물질에 의해 대칭성이 붕괴되면서 발생한다. 자성물질의 종류에 무관하게 재현된다. 두 자성물질 사이에 숨겨진 새로운 자기적 상호작용을 규명했다는 점에서 학술적인 큰 의미가 있다.

비대칭적 자기 상호작용을 이용하면, 자성물질에서 동일/반대 방향의 대칭적 스핀 구조 뿐 아니라 비대칭적 특이한 스핀 구조를 구성할 수 있다. 이로써 0과 1의 이진법을 뛰어넘어, 더욱 빠르고 데이터 용량이 큰 신개념 비휘발성 메모리 소자 응용도 가능하다.

정명화 교수는 “이 연구는 자성 박막 사이에 존재하는 밝혀지지 않은 새로운 자기적 상호작용을 밝혔다는데 큰 의의가 있다”라며 “향후 메모리 소자의 저장 용량 한계를 극복하고 자성 소재의 구조적 문제를 해결해, 새로운 형태의 자성 메모리 소자를 디자인하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

해외 글로벌 기업들의 동향을 신속 정확하게 보도하겠습니다.

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