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Research

차세대 메모리의 에너지효율 높일 반강자성체 제어기술 개발

  • 조회. 299
  • 등록일. 2021.05.17
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 신물질과학전공 홍정일 교수팀, 기계적 진동으로 반강자성체의 자기상태를 제어 가능한 기술 최초 개발
기존‘이진법’벗어난 멀티레벨(Multi-Level) 컴퓨터 기반기술의 차세대 메모리 소자 적용 기대

 

DGIST 신물질과학전공 홍정일 교수

 

 DGIST는 신물질과학전공 홍정일 교수 연구팀이 차세대 메모리에 적용되는 반강자성체1)에 기계적인 진동을 가해 자기정렬을 제어하는 기술을 최초 개발했다고 17일(월) 밝혔다. 기존의 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨(Multi-Level) 컴퓨터 기반 차세대 메모리 소자 등에 적용될 것으로 기대된다. 

 1990년대부터 자성체를 활용한 스핀트로닉스 전자공학이 본격 도입되면서 더 많은 정보의 저장 및 처리가 가능한 차세대 메모리 및 정보처리 소자가 개발되고 있다. 스핀트로닉스는 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리하고 저장하는 기술로, 기존의 실리콘을 이용한 반도체 소자보다 훨씬 빠르고 효율적으로 데이터를 처리할 수 있다.

 스핀트로닉스 기술을 활용한 차세대 메모리인 ‘스핀 메모리’를 포함한 다양한 스핀소자는 강자성체와 반강자성체의 결합 구조로 되어 있다. 일반적으로 강자성체의 내부 자기 배열상태는 똑같은 방향으로 배열되어 있어 외부자기장을 이용해 원하는 자기정렬 상태로 만들 수 있기 때문에 제어가 용이하다. 

 하지만 반강자성체의 내부 자기 배열상태는 서로 반대 방향으로 되어 있어, 외부자기장에 의한 제어가 어렵다. 이 때문에 반강자성체 제어를 위해서는 현재까지 주로 열과 자기장을 이용해 원자들을 원하는 자기정렬 상태로 만드는 교환바이어스2) 설정법이 사용되어 왔다. 하지만 복잡한 프로세서를 가진 소자들의 특성상 특정 부위만을 제어하기 어렵고, 원하지 않는 다른 물성들이 손상이 일어나는 단점 때문에 열 제어의 한계가 있는 실정이다.

 이에 DGIST 홍정일 교수 연구팀은 열을 가하지 않고 기계적 진동을 이용해 원자 결정 구조의 미세 변형을 가해 원자간 자기 결합(Magnetic Coupling)의 변화를 유도했다. 연구팀은 전압을 가하면 형태가 바뀌는 압전물질(piezo-electric materials)로 구성된 기판 위에 반강자성체로 된 박막을 덧씌웠다. 여기에 교류전압을 통한 기계적 진동을 주면 압전물질의 변형이 일어남과 동시에, 덧씌운 반강자성체 박막에 진동이 전해지면서 내부 자기배열상태를 임의로 변경할 수 있음을 확인했다. 또한 이를 반복적으로 인가(印加)하여 자기 결합 상태를 재설정할 수도 있음을 추가로 알아냈다.  

 연구팀이 최초 개발한 이번 공정은 기존의 열을 이용한 방법보다 국소부위에 적용이 가능하고, 상온에서도 적용 가능해 에너지 효율면에서 훨씬 유리하다. 또한 반복된 작동으로 인해 자기정렬도가 떨어진 소자의 재설정이 가능해 소자의 기능회복을 통한 내구성을 높일 수 있게 됐다. 무엇보다 자기 정렬의 미세 패턴화가 가능해, 기존의 소자와는 완전히 다른 작동 메커니즘의 스핀 소자를 설계할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 

 홍정일 교수는 “기존 교환바이어스 설정법의 단점과 한계를 극복한 새로운 설정 방법을 제시해 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 그 의의가 있다.”면서, “향후 지속적으로 반강자성체의 제어 메카니즘을 이해하고 개발하여 스핀 신소재 연구를 발전시키고자 한다.”고 밝혔다.

 한국연구재단이 지원하는 ‘중견연구자지원사업’으로 수행된 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공을 졸업한 김현중 박사(現표준과학연구원 재직)가 제1저자로 참여했으며, 재료과학분야의 최고권위지인 Acta Materialia에 5월 15일자 지면판으로 게재됐다.

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1) 반강자성체(反强磁性體, Antiferromagnetic Substance) :물질 중의 자기(磁氣) 배열이 2조로 갈라져 서로 반대 방향으로 향하기 때문에 전체로서는 자력이 나타나지 않는 물질. 대표적인 물질은 금속은 망간 등, 화합물에서는 산화망간, 산화크롬 등이 있다. 홍정일 교수연구팀에서는 주로 이리듐망간(IrMn), 코발트 옥사이드(CoO)를 반강자성체 물질로 연구했다.
2) 교환바이어스(Exchange Bias) : 2018년부터 양산되고 있는 차세대 스핀 메모리의 핵심 동작 원리로, 스핀 정보의 안정적인 저장에 결정적 역할을 한다. 교환 바이어스 크기가 크면 정보저장 안정성이 좋아지고, 작으면 안정성이 떨어진다.

 

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 연구결과개요 

Free tuning of exchange bias via resettable alignment of antiferromagnetic Neel axes using mechanical vibrations

Hyun-Joong Kim, Seongsoo Yoon, Jae-Hyun Ha, Wonchang Choi, Jung-Il Hong* 
Published on May 15th, 2021 in Acta Materialia (IF = 7.656, Metallurgy Ranking #1) 

반강자성체는 포화자화도가 없음으로 인해 외부의 자기장에 영향을 받지 않는 안정성을 보유하지만 이로 인해 자기정렬 상태를 바꾸는 데 field cooling이라는 과정이 필수적이다. 반강자성체의 자기 상태는 인접결합된 강자성체의 교환바이어스 현상에 반영되는데, 따라서 이 현상은 field cooling 과정에 영향을 받게 된다. 본 연구에서는 물질에 인가되는 수 kHz의 비교적 낮은 주파수 기계적 교류 진동이 비효율적인 열인가 작업을 대체하여, 진동과 자기장의 인가를 통한 반강자성체의 자기정렬 설정, 교환바이어스 제어 등이 가능함을 보였다. 이 작업은 물질의 국소 부위에 부분적으로 원하는 방향으로 반복 재적용이 가능하며, 따라서 스핀트로닉스 소자 설계에 활용될 수 있다. 
DOI : 10.1016/j.actamat.2021.116821

 

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 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
반강자성체의 자기정렬은 일반적으로 field cooling 이라는 열과 자기장의 동시 인가에 의해 이루어져 왔는데, 본 연구에서 원자결정구조에 진동과 자기장을 인가하여, 열을 대체할 수 있는 환경인자를 제시하였다. 가열 과정은 에너지면에서도 비효율적이며 현대의 미세 복잡 구조의 스핀소자에 적용에 부적절한 프로세스임에 비하여, 본 연구의 결과는 스핀 소자의 구성과 활용에 장점을 제공한다.  

Q. 어디에 쓸 수 있나?
다양한 스핀트로닉스 소자의 디자인에 반강자성체를 도입하고 반강자성체 및 인접한 자성체의 자성을 제어하는 역할을 한다. 정보소자 및 센서 소자에 적용가능하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
스핀트로닉스 기술에 반강자성체의 도입 확대를 유도할 것으로 기대하며, 소자 설계 발전에 비례할 것으로 예상하며, 5-6년 내에 반강자성체 기반 스핀 기술이 확대될 것으로 기대한다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
기계적 물성과 자기적 물성을 통합적으로 이해하려는 박사과정생의 연구주제를 통하여 연구의 진전이 이루어졌다.    

Q. 어떤 의미가 있는가?
자성을 제어하기 위한 새로운 환경 인자가 도입되었다는 점에서 의의가 있으며, 기계적인 면과 자성의 결합을 반강자성체로 이룬다는 점에서 특이점이 있다. 소재의 다양한 물성을 연결하여 기능성을 최대화하였다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
현재의 기계적 물성과 자기 물성의 연결에 이어, 전기물성과도 좀 더 다양한 유기적 연결을 구성하고자 한다. 그 결과가 실용화에서도 효율적인 유용한 기술로 발전되기를 바란다. 

 

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 그림 설명 

[그림 1] 연구 내용의 전반적 개요도

기계적 진동에 의한 교환바이어스 특성을 나타낸 연구 내용의 전반적 개요도

(그림설명) 
물질의 결정구조에 인가되는 기계적 진동에 의해 원자별 자기 결합 및 자기 배열 상태에 의해 결정되는 교환바이어스 특성이 여러 방향으로 설정될 수 있음을 의미한다.


[그림 2] 연구팀이 개발한 반강자성체의 상태 제어를 통한 특성 변화 데이터

연구팀이 개발한 반강자성체의 상태 제어를 통한 특성 변화 데이터(그림설명)
a. 반강자성체의 상태 제어를 통한 인접강자성체의 교환바이어스 특성 변화
b. 반복적 교환바이어스의 재설정 측정 결과
c. 다양한 방향으로 설정가능한 반강자성체의 자기정렬  
d & e. 자기정렬 설정 방향에 따른 교환바이어스의 공간적 변화 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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