"뇌 동작 모방해 10배 빠르다"..차세대 메모리 핵심 기술 개발

카이스트 박병국·정연식 신소재공학과, 김갑진 물리학과 교수 연구팀

반강자성 기반 스핀 소자 응용(왼쪽) 및 멀티레벨을 활용한 뇌 모사 컴퓨팅 응용 모식도. 그림 제공=카이스트

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 뇌의 동작을 모방해 초고속으로 작동하는 차세대 메모리 핵심 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST·이하 카이스트)은 박병국·정연식 신소재공학과, 김갑진 물리학과 교수 연구팀이 고속 동작 자성메모리의 핵심 전극 소재로 활용될 수 있는 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

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

연구팀은 이번 연구에서 기존의 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자의 개발 가능성을 높였다. 또 기존에 알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 기존의 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨 메모리 특성을 보였다. 이는 뇌의 시냅스 동작을 모방할 수 있어 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

자성메모리(Magnetic Random Access Memory, 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. 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 다중상태 메모리 구성이 가능함을 보였다.

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 기대된다.

강재민 연구원은 "이번 연구는 반강자성체의 자화 방향을 스핀 전류로 제어할 수 있음을 실험으로 규명했다"면서 "향후 반강자성체를 기반으로 하는 차세대 반도체 기술로 여겨지는 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난 5일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr