KAIST, 고속동작 뉴로모픽 자성 소자 핵심기술 개발..자화 방향 전기 제어

반강자성 기반스핀 소자 응용(왼쪽) 및 멀티레벨을 활용한 뇌 모사컴퓨팅 응용 모식도

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박병국·정연식 신소재공학과 교수, 김갑진 물리학과 교수팀이 고속 동작 자성메모리 핵심 전극 소재로 활용될 수 있는 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구 결과는 기존 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자 개발 가능성을 높였다. 또 기존 알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써 반강자성체 자화 방향을 연속적으로 제어, 기존 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨 메모리 특성을 보였다. 이는 뇌 시냅스 동작을 모방할 수 있어 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

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 않아 누설 자기장이 발생하지 않고, 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 회전함을 실험적으로 규명했다. 또 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.

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 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원 사업, KAIST 글로벌 특이점 연구과제 지원을 받아 수행됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com