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Research

정보처리 성능 높일 스핀 기반 차세대 제어 메커니즘 개발

  • 조회. 354
  • 등록일. 2021.07.23
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 홍정일 교수 – KRISS 황찬용 박사 공동 연구팀, 반강자성체를 응용한

스핀 소자 내 자화(磁化) 반전 진행 과정과 관련 작용 규명

차세대 자성 메모리 및 컴퓨팅 메커니즘의 효율 향상에 큰 역할 기대

 

[DGIST 신물질과학전공 홍정일 교수(좌)와 한국표준과학연구원 황찬용 박사(우)]

 

 국내 연구진이 자성체 기반의 차세대 정보처리 및 저장 디바이스의 효율을 더욱 향상시킬 핵심 메커니즘을 최초 규명했다.

 DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 홍정일 교수팀과 한국표준과학연구원(KRISS‧원장 박현민) 황찬용 박사팀이 자성체 내 자구(磁區, magnetic domain) 이동 메커니즘에 대한 상호 작용을 밝혀내고, 이를 효율적으로 미세 제어할 수 있는 새로운 스핀트로닉스 응용 구조를 제시했다.

 90년대부터 스핀트로닉스 전자공학이 본격 도입되면서 더 많은 정보의 저장 및 처리가 가능한 차세대 자성 메모리 및 정보처리 소자, 고효율 센서 기술들이 개발되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리, 저장하는 고성능-고효율 컴퓨팅 기술 구현의 핵심 원리다.

 자성체 내의 정보 이동 및 처리를 담당하는 소자의 작동원리는 자화 반전(flux reversal) 현상을 통해 일어나는데, 자구의 다양한 움직임과 확장 등을 통한 이동 특성에 의해 결정된다. 자구는 자성체가 일정한 방향성을 갖고 정렬돼 있는 미세한 구역인데, 자구의 배열을 통해 01로 구성된 최소 데이터 단위인 비트(bit)를 생성한다. 이 때문에 자구의 움직임을 제어해 고성능-고효율 컴퓨팅 기술을 이루어 내려는 연구가 최근 활발히 진행 중이다.

 이에 DGIST-KRISS 공동연구팀은 자성체 내부 자구의 움직임에 반강자성체에 의한 교환바이어스 필드를 도입해, 계면효과들이 스핀 정렬 상태에 미치는 영향을 연구했다. 연구팀은 실험을 통해 DMI 효과(다중박막 내부에서 스핀들간의 비뚤어진 배열을 유도하는 효과)가 있는 자성 박막에 반강자성체를 인접시켰다. 이후 교환바이어스 효과에 의한 유효자기장을 추가 작용시켜 자구벽의 스핀 구조 변화와 이동을 관찰하면서, 자구벽의 모양과 속도 변화를 확인해 교환바이어스 유효자기장에 의해 제어될 수 있음을 확인했다. 이로써 많은 공학자들이 제안했던 자성체의 자구 동역학에 기반한 정보 처리 메커니즘을 구현하고 그 작동 원리를 최초 규명할 수 있었다.

 홍정일 교수는 이번 연구는 반강자성체의 계면효과로 인접 자성체 내 자구 이동의 미세 제어가 가능함을 실증해, 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 그 의의가 있다, “지속적인 연구를 통해 반강자성체가 나타내는 새로운 스핀의 특성을 밝히고 이에 기반한 신소재 개발을 이어나가겠다.”고 계획을 밝혔다.

 이번 연구 성과는 DGIST 신물질과학전공 김현중 박사졸업생(한국표준과학연구원)와 전남대학교 제숭근 물리학과 교수가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단과 국가과학기술연구회의 지원으로 수행됐다. 아울러 재료과학분야의 권위지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)15일자 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요

Programmable Dynamics of Exchange-Biased Domain Wall via Spin-Current-Induced Antiferromagnet Switching

Hyun-Joong Kim, Soong-Geun Je, Kyoung-Woong Moon, Won-Chang Choi, Seungmo Yang, Changsoo Kim, Bao Xuan Tran, Chanyong Hwang*, Jung-Il Hong*

: Published in Advanced Science (IF = 15.84)

 

자성 도메인의 경계를 이루는 자구벽의 거동(擧動)은 스핀트로닉스 기술에 기반한 정보 처리 메카니즘 개발 가능성을 고려하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 자성체 내부 자구벽 인근에서의 복잡한 스핀 배열들 상태를 결정하는 원자들 사이의 상호작용들을 정확히 이해하고 이들을 정밀하게 제어하는 것이 미세 자구를 응용한 새로운 스핀 소자와 그 작동 메카니즘의 개발에 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 스핀들간의 비뚤어진 배열을 유도하는 DMI 효과가 있는 수직자성 박막에 반강자성체를 인접시켜 추가로 교환바이어스 효과에 의한 유효자기장을 추가로 작용시키고 이에 의한 자구벽의 스핀 구조 변화와 이동을 관찰하였다. 이 때 자구벽의 모양과 속도 변화를 확인하였고, 이 변화가 교환바이어스 유효자기장에 의해 제어될 수 있음을 확인하였다. 또한 반강자성체의 배열 상태를 스핀전류로 조절이 가능함을 보여서 미세패턴으로 구성된 집적 소자에서의 활용가능성을 실증하였다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

반강자성체와 강자성체의 결합에 의한 교환바이어스 현상이 만드는 유효자기장이 자성 박막 내에 존재하는 DMI 효과와 동시에 작용하여 복잡한 스핀 구조 및 그 변화에 의해 나타나는 자구벽의 거동 특성을 분석할 수 있었다. 특히 마이크로 패턴으로 구성되는 집적소자 적용에 유리한 수직강자성 박막에 반강자성체 결합을 이용하여, 스핀트로닉스 기술의 다양화를 도출하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

자구의 거동에 기반한 스핀트로닉스 소자 디자인에 반강자성체를 도입하였다. 자성 기반 비휘발성 메모리와 같은 정보처리 및 저장 소자, 그리고 자기 센서 소자 등에 적용가능하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

스핀트로닉스 기술에 반강자성체의 도입 확대를 유도할 것으로 기대하며, 소자 설계 기술의 발전에 따를 것으로 예상.

Q. 연구를 시작한 계기는?
김현중 박사의 비대칭 자구 거동을 관찰하고 이를 이해하려는 시도에서 시작했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
외부 인가 자기장이 아닌 반강자성의 교환바이어스 효과를 이용하여 국소부위에서 독립적인 자성 제어가 가능하다는 점에서 스핀 집적소자 구성 가능성을 높임.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

기존의 분류에서 벗어난 새로운 구조의 스핀배열과 이에 기반한 자성체를 구성하여, 알려지지 않은 새로운 스핀 현상을 추가적으로 발견하고자 함.

 

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그림 설명

[그림] 자구의 이동과정에 관여하는 원자간 상호작용 분석 및 관측결과

(그림설명) 자성체로 구성된 미세패턴 경로를 통해 자구가 이동하는 과정에 관여하는 원자간 상호작용들을 분석하였고, 이를 실제로 제어하고 관측한 결과. 전류 (I로 표시)를 흘려 자구의 이동 특성이 바뀜을 볼 수 있음.

 

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135