강자성/전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도.
강자성의 자화방향 (Mx,y)에 따른 스핀전류 (Jzs) 및 스핀방향 (σy,z). (왼쪽) 자화방향이 x (Mx): x 방향의 전류가 y, z 스핀방향 (σy,σz)을 가진 스핀전류 생성 (오른쪽)
자화방향이 y (My): x 방향의 전류가 y 스핀방향(σy)을 가진 스핀전류만 생성
이경진 교수(고려대)와 박병국 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 자성메모리(MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
이 연구는 미국 국립연구소 NIST의 Stiles 박사 연구팀, 한국과학기술원 물리학과 김갑진 교수 연구팀과 공동 수행한 결과로, 네이쳐 머터리얼즈(Nature Materials)에 3월 19일 온라인 게재되었다.
- 논문명: Spin currents and spin-orbit torques in ferromagnetic trilayers.
- 저자정보 : 백승헌 박사(공동제1저자, 한국과학기술원), V. P. Amin(공동제1저자, NIST), 오영완, 이근희, 김갑진 교수(한국과학기술원), 고경춘, 이승재(고려대), M. D. Stiles (NIST), 박병국 교수(공동 교신저자, 한국과학기술원), 이경진 교수(공동교신 저자, 고려대학교) 포함 총 10명
자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 외부 전원의 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속 동작이 가능한 장점이 있어 차세대 메모리로 전 세계 반도체 업체들이 경쟁적으로 개발하고 있다.
자성메모리의 동작은 스핀전류*를 자성소재에 주입하여 발생하는 스핀토크로 이루어지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모전력을 결정하는 핵심 기술이다.
* 스핀전류: 일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 말하는데, 스핀전류는 전자의 또 다른 고유특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 스핀전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유로울 수 있다.
본 연구에서는 새로운 소재구조, 즉 강자성/전이금속 이중충에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험으로 규명하였다. 특히, 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀방향을 임의로 제어할 수 있다.
이 신소재를 차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀궤도토크 기반의 자성메모리에 적용할 경우, 스핀토크 효율을 높이고 외부자기장 없이 동작이 가능하여 스핀궤도토크 자성메모리 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
스핀궤도토크 자성메모리는 고속동작 및 비휘발성 특성으로 SRAM 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜, 저전력을 필수로 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 사물인터넷용 메모리로 활용가능성이 높다.
이경진 교수는 “본 연구는 스핀궤도결합이 비교적 작다고 알려진 값싼 강자성과 전이금속의 이중층 구조에서 스핀전류가 생성되는 것과 하부 강자성 물질의 자화방향에 따라서 스핀전류의 스핀 방향을 제어 할 수 있음을 이론 및 실험으로 규명한 것에 의미가 크고, 추가 연구를 통해서 개발된 소재를 기반으로 하는 자성메모리 개발에 주력할 예정이다.”라고 밝혔다.
이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었다.
강자성/전이금속 이중층에 의한 스핀전류 생성에 관한 주요 연구 결과
(a) 소자 구조 및 실험 개략도. (왼쪽) 강자성(FM)/Ti/CoFeB/MgO 소자, (오른쪽) 스핀궤도토크 실험 설명도
(b) 하부 강자성 (FM) 물질에 따른 스핀궤도토크 측정 결과. (왼쪽) FM=CoFeB, (오른쪽) FM=NiFe
(c) 하부 강자성 물질의 자화방향에 따른 스핀궤도토크 스위칭 결과. (왼쪽) 자화방향 (M)//x, (오른쪽) M//y
