뇌 모방해 동작하는 초고속 전자 소자 핵심 기술 개발

남연희 기자 / 기사승인 : 2021-11-29 13:50:13
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강재민 연구원 "향후 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것"
▲ 박병국 교수와 강재민 연구원 (사진= KAIST 제공)

 

[메디컬투데이=남연희 기자] 고속 동작 자성메모리의 핵심 전극 소재로 활용될 수 있는 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재 기술이 개발됐다.


반강자성체(antiferromagnetic material)는 인접한 원자의 자기모멘트의 방향이 서로 반대 방향으로 평행한 구조를 가져, 외부에서 자기장을 걸었을 때 자성을 띠는 강자성체와는 달리 알짜자화 값이 나타나지 않는 물질이다. 누설자기장이 없고 고속스위칭 특성을 갖는다.

KAIST는 신소재공학과 박병국·정연식, 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 이 같은 소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

자성메모리(MRAM)는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 개발되고 있다. 기존 자성메모리는 강자성체를 기반으로 하는데, 고집적 소자에서는 강자성체에서 발생하는 누설 자기장으로 인해 인접한 자기 소자 사이에 간섭이 발생하게 된다.

이에 반해 반강자성체는 알짜 자성을 띠고 있지 않아서 누설 자기장이 발생하지 않아 이를 자성 소자에 적용하면 초고집적 자기메모리 소자 개발이 가능하게 된다. 이를 위해서 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어하는 기술의 개발이 요구되고 있다.

연구팀은 교환 결합(exchange bias)이 형성된 반강자성체/강자성체 이중층 구조를 제작해 반강자성체에서 생성되는 스핀 전류를 이용해 반강자성체의 자화 방향이 전류의 크기와 부호에 따라 가역적으로 회전함을 실험적으로 규명했다.

기존의 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자의 개발 가능성을 높인 것이다.

또한 기존에 알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 기존의 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨 메모리 특성을 보였다.

교환결합(exchange bias)은 반강자성체/강자성체 이중층 구조에서 경계면에 있는 스핀 모멘트들이 상호작용으로 결합하는 현상으로 강자성체에 유효자기장이 발생하게 된다.

연구팀이 개발한 반강자성 제어 기술 및 다중상태 스위칭 거동을 활용하면 초고집적 및 초고속 동작이 가능한 반강자성체 기반 자성메모리 및 뉴로모픽 소자의 핵심 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

제1 저자인 강재민 연구원은 "이번 연구는 반강자성체의 자화 방향을 스핀 전류로 제어할 수 있음을 실험으로 규명해, 향후 반강자성체를 기반으로 하는 차세대 반도체 기술로 여겨지는 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것이다ˮ 라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원 사업, KAIST 글로벌 특이점 연구과제의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 11월 5일 字온라인 게재됐다.

 

메디컬투데이 남연희 기자(ralph0407@mdtoday.co.kr)

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