[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 자성메모리(MRAM)는 비휘발성 고속·저전력 구동으로 인해 사물인터넷(IoT) 등 다양한 응용소자에 적용이 가능할 것으로 주목받는다. 하지만 정보를 저장하는 자성층의 두께가 두꺼워지면 필요 전력이 증가하는 문제로 고집적화가 어렵다는 문제를 안고 있다.

싱가포르국립대 양현수 전기전자컴퓨터학과·고려대 이경진 신소재공학과 교수 등 공동연구팀은 저전력 고속 스위칭이 가능한 차세대 자성메모리의 핵심 소재 구조를 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 소재는 고속동작과 비휘발성 특성을 갖춰 SRAM(정적 램·Static Random Access Memory)과 비교해 대기 전력을 획기적으로 감소시켜 저전력을 필수로 요구하는 모바일, 웨어러블 또는 IoT용 메모리로 활용 가능성이 높다.

연구결과는 '네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 지난 3일자 온라인판(논문명 ‘Long spin coherence length and bulk-like spin-orbit torque in ferrimagnetic multilayers’)에 실렸다.

(그림) 스핀전류 흡수 개략도 : 기존 자성소재의 경우 외부에서 발생한 스핀전류가 자성소재의 표면에서 모두 소실되는 반면, 개발 자성소재 (반강자성 스핀배열을 갖는 페리자성 다층막 소재)의 경우 스핀전류가 자성층 깊은 곳까지 유지되는 특성을 보인다. 이런 특성은 반강자성 스핀배열을 갖는 페리자성 다층막의 우수한 스핀정합성 때문이며, 이로 인해 두꺼운 페리자성층의 자화도 손쉽게 스위칭이 가능하다. 2018.12.06. [자료=과학기술정보통신부]

연구진에 따르면 자성메모리는 외부 전원의 공급이 없는 상태에서 정보를 유지하고 고속 동작이 가능해 차세대 메모리로서 세계 반도체 업체들이 경쟁적으로 개발하고 있다. 하지만 자성메모리의 시장 파급력을 확대하기 위해서는 두꺼운 자성층의 자화 방향을 낮은 전류로 스위칭시키는 신기술이 필요하다.

자성메모리의 동작은 횡(橫·transverse) 스핀 전류를 자성 소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이뤄지고, 기존 자성소재는 횡 스핀전류가 소재의 표면에서 모두 소실되는 특성으로 인해 두꺼운 자성층을 스위칭시킬 수 없다는 한계가 있었다.

스핀전류 전자가 가진 전하(charge)의 흐름인 일반 전류와 달리 전자의 또 다른 고유특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 스핀전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 ‘주울열(Joule heating)’로 인한 전력 손실로부터 자유로울 수 있다.

이에 연구진은 새로운 소재구조, 즉 원자 단위의 반강자성 스핀 배열을 갖는 '페리자성 다층막(ferrimagnetic multilayers)'에서 횡 스핀전류가 소재 표면에서 소실되지 않고 두꺼운 막 전체에 걸쳐 유지됐다는 점을 이론과 실험으로 규명했다. 반강자성이란 인접한 두 원자가 갖는 스핀들이 서로 반대 방향인 특성을 말한다. 페리자성 다층막은 서로 다른 원소로 이뤄진 원자층이 반복적으로 교차되도록 쌓은 박막이다.

이로써 연구진은 기존 소재에 비해 20배 정도 높은 스핀 전환효율을 달성했다.

특히 이 신소재를 차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀토크 기반의 자성메모리에 적용할 경우, 스핀토크 효율을 높이고 초고집적이 가능해 스핀토크 자성메모리의 시장 확대에 기여할 것으로 기대된다.

자성메모리의 미래기술로 개발 중인 스핀궤도토크 자성메모리에도 적용이 가능하다.

이경진 교수는 이번 연구의 의의에 대해 “횡 스핀전류가 자성소재 내에서 유지되도록 하는 양자역학적 원리를 실험적으로 구현함으로써 자성메모리의 초고집적화를 위한 난제를 해결한 것”이라며 “기초학문에 대한 이해가 응용소자의 핵심적 난제를 해결하는 데 활용될 수 있음을 보여주는 좋은 예”라고 밝혔다.

kimys@newspim.com