초고속 동작 자기메모리 핵심 기술 개발 성공

하드디스크를 뛰어넘는 차세대 자기메모리에 응용 기대

▲ 공과대학 신소재공학부 이경진 교수

  고려대학교 공과대학 신소재공학부 이경진 교수팀은 한국과학기술원 김갑진 교수팀과 함께 `차세대 자구벽 기반 자기메모리(Domain wall-based magnetic memory, 이하 ’자구벽 메모리‘)’의 속도를 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다.

  과기정통부 미래소재 디스커버리 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 물리·재료 분야 최고 권위의 학술지인 네이처 머티리얼스 (Nature Materials) 9월 25일 자에 게재됐다.

※ 논문명 : Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets

※ 저자 정보 : 김갑진(한국과학기술원, 공동 제1저자/공동교신저자), 김세권 (UCLA, 공동 제1저자), 이경진(고려대학교, 공동 교신저자), T. Ono (Kyoto University, 공동교신저자), Y. Hirata, T. Tono, 김덕호, T. Okuno, 함우승, 김상훈, T. Moriyama(Kyoto University), 오세혁, 고경춘(고려대학교), Y. Tserkovnyak(UCLA), A. Tsukamoto(Nihon University) 포함 총 15명

  기존의 하드디스크는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 특성이 있으나, 원판을 회전시켜 정보를 저장하기 때문에 에너지 소모가 크고 속도가 느리다는 한계가 있었다. 자구벽 메모리는 기계적 회전이 아닌, 자성 나노선에서 자구벽의 이동으로 동작하는 비휘발성․저전력의 특성을 갖는 신개념 메모리 소자다. 그러나 동작 속도가 수백 m/s(meters per second)에 머무르고 있어 실용화를 위해 동작 속도를 높이는 핵심 기술개발이 요구된다.

  자구벽 메모리 연구는 대부분 ‘강자성체’ 물질을 사용하고 있으나, 연구팀은 ‘페리자성체’인 GdFeCo를 활용하여 특정 조건을 만족할 경우 자구벽의 이동속도가 수 km/s(kilometers per second)까지 급속도로 빨라지는 현상을 발견했다. 강자성체의 경우 물질내부의 자화가 한쪽 방향으로 향하고 있어 저속의 원인으로 알려진 워커 붕괴현상을 피할 수 없었다.

* 강자성체 : 자화(자성을 지니는 현상)가 모두 한 방향으로 정렬되어 있는 자성체

* 페리자성체 : 인접한 자화가 반대로 정렬되어 있고 크기가 서로 다른 자성체

* GdFeCo : 가돌리늄(Gd), 철(Fe), 코발트(Co)를 포함한 금속합금

* 워커 붕괴현상(Walker breakdown) : 자성 물질이 본질적으로 가지게 되는 각운동량(회전운동 하는 물체의 운동량)에 기인

  그러나 GdFeCo는 Gd와 FeCo의 자화가 반 평행으로 나열되어 있어, 두 각운동량의 총합이 0인 지점에서 워커붕괴현상이 사라지면서 자구벽의 속도를 상온에서 2km/s 이상으로 증가시키는 데 성공했다.

  이번 연구성과로 자구벽 메모리에 초고속 동작 특성을 가미한다면, 하드디스크를 뛰어넘는 고집적·저전력·비휘발성을 갖춘 차세대 메모리가 될 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 “이번 연구는 페리자성체의 각운동량이 0인 지점에서 나타나는 새로운 물리현상을 발견했다는 점에서 의미가 크고, 향후 차세대 메모리 구현도 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

[ 용 어 설 명 ]

1. 자구벽 기반 자기메모리 (Domain wall-based magnetic memory)

○ 비휘발성 메모리의 한 종류인 자기메모리로 자성 나노선에서의 자구벽 이동을 기반으로 메모리가 동작한다. 기존 하드디스크의 기계적인 회전을 전류에 의한 자구벽 이동으로 대체한 것으로, 하드디스크의 단점인 높은 전력 소비나 충격에 약한 점을 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있는 신개념 메모리다.

2. 강자성체 (Ferromagnet)

강자성체의 개념도

○ 자성체 내부의 자화가 모두 한 방향으로 정렬된 자성체이다.

3. 반강자성체 (Antiferromagnet)

○ 한쪽 방향으로 자화되는 강자성체와 달리 전자의 자화가 인접한 자화와 균일하게 반대로 정렬된 자기적 특성을 가지는 물질이다.

4. 페리자성체 (Ferrimagnet)

○ 인접한 자화가 반강자성체와 같이 반평행을 향하나, 두 자화의 크기가 달라서 전체적으로 자화의 총합이 존재하는 물질이다. 두 물질의 합금을 이용할 경우, 조성의 조절을 통해서 자화의 총합을 조절할 수 있고, 특이하게도, 자화와 각운동량의 총합이 0이 되는 지점이 다르게 만들 수 있다.

[ 그림 설 명 ]

▲[그림 1] 페리자성체를 이용한 자구벽 메모리 소자의 개념도

페리자성체(GdFeCo)를 이용하여, 초고속 구동을 실현할 수 있다.

▲[그림 2] 자구벽 속도 측정 소자의 개략도 및 실험 결과

각운동량의 총합이 0이 되는 온도(약 310K)에서 속도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.