‘스커미온’을 자유롭게 쓰고 지우는 기술,
차세대 초저전력 스핀 메모리 구현의 열쇠 찾았다. 


 - KIST 연구진, 전류 이용한 ‘스커미온’의 쓰기/지우기 기술 세계 최초 개발
 - 삼성미래기술육성사업 선정과제 수행, 향후 초저전력 스핀 메모리 구현 및  
   상용화에 기여

 

<그림 1> 전기적인 방법으로 생성된 스커미온의 모식도

 

2009년 처음 발견된 소용돌이 모양의 스핀 구조체인 ‘스커미온(Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 기존 연구에서는 스커미온 상태를 형성하고 없애기 위해서 외부 자석을 이용한 자기장 인가가  필요했다. 따라서 외부 자기장 없이 전기적인 방법으로 개개의 스커미온을 쓰고 지우는 기술 개발이 가장 필수적으로 요구되어왔으며, 이것은 향후 실제 스커미온 기반의 메모리, 논리소자 등의 전자 소자 구현을 위한 열쇠가 될 것으로 예상해왔다. 
*스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 전기적인 방법으로 개개의 스커미온을 쓰고(Creation) 지우는(Deletion), 스커미온 기반 전자소자 구현의 핵심기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 특히 스커미온이 형성되고 사라지는 과정에서 나타나는 독특한 물리학적 거동을 밝혀냄으로서, 스커미온의 위상학적 특성을 외부 전류를 이용하여 자유롭게 조절 가능하다는 것을 최초로 증명하였다고 밝혔다.

 

실제 스커미온을 사용하여 전자 소자를 구동하기 위해서는 정보의 가장 기본단위가 되는 개개의 스커미온을 원하는 위치에 원하는 개수만큼 쓰고 지울 수 있어야 한다. 현재까지의 보고된 연구에서는 외부 자석을 이용하여 자기장을 인가하는 방법으로만 스커미온 상태를 형성하고 변화시킬 수 있었고, 이러한 방법은 전자 소자에 적용이 불가능해 명확한 한계를 가지고 있었다.

 

우성훈 박사송경미 박사과정

 

KIST 우성훈 박사팀의 이번 연구는 현재 학계에서 매우 큰 관심을 받고 있는 스커미온을 쓰고/지우는 기술을 세계최초로 개발함으로서 실제 메모리, 논리소자 등의 전자소자에 적용되기 위한 가장 큰 기술적인 난제 중 하나를 해결한 중요한 결과이다. 향후 이 기술을 발판 삼아 스커미온 기반의 초저전력 전자소자 구현을 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 평가받고 있다.

 

KIST 우성훈 박사는 “이번 연구로 스커미온의 기술적 난제 중 하나를 해결하여 기쁘다.”라고 소감을 밝히며, “연구팀이 기존에 발표한 ‘상온 스커미온 형성기술’, ‘스커미온 고효율 이동 기술’ 등에 본 기술을 접목하여 실제 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 소자 구현을 빠른 시일에 이룰 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

 * (논문명) Deterministic creation and deletion of a single magnetic skyrmion observed by

               direct time-resolved X-ray microscopy
          - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원  
          - (공동 제1저자) 숙명여자대학교 송경미 박사과정

 

 

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 KIST 연구진이 규명한 ‘스커미온’의 직진운동,

초저전력 차세대 스핀 메모리가 온다.


  - 삼성미래기술육성사업 선정과제로 수행, ‘스커미온 직진운동’ 최초 구현
  - 향후 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 구현에 기여할 것으로 기대

 

2009년 처음 발견된 소용돌이 모양의 스핀 구조체인 ‘스커미온(Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 하지만 스커미온의 위상학적 특징 중 하나인, ‘스커미온 홀 효과(Skyrmion Hall effect)’**로 인해서 스커미온의 운동을 원하는 방향으로 제어할 수 없었고, 따라서 외부에서 인가하는 전류의 방향 그대로 움직이는 ‘스커미온 직진운동’ 구현 물질 및 기술 개발이 요구되어 왔다. 최근 국내 연구진이 위의 ‘스커미온 직진운동’을 가능하게 함으로서, 스커미온 기반의 차세대 초저전력 스핀 메모리 구현에 한발짝 더 다가서게끔 하였다. 

*스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체
**스커미온 홀 효과(Skyrmion Hall effect) : 전류를 가했을 때, 스커미온이 전류의 방향에 대해 대각선으로 움직이는 위상학적 효과

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 강자성체와 반강자성체의 중간 형태인 ‘페리자성체(ferrimagnetic)‘***를 사용하여, 기존에 이론으로만 제시되었던 높은 직진성 및 이동효율을 보이는 스커미온의 움직임을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다.
***페리자성체(ferrimagnetic) : GdFeCo(가돌리늄과 철, 코발트 포함 금속합금)

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원의 KIST 기관고유사업과 삼성전자 미래기술육성센터 지원사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF: 12.124)’ 최신호에 온라인 게재되었다.

<그림 1> 기존의 강자성체(Ferromagnet)과 달리, 전류방향 그대로 직진 운동을 하는 페리 스커미온(Ferromagnetic Skyrmion)의 운동 모식도

 

실제 스커미온을 사용하여 메모리 소자를 구동하기 위해서는, 개개의 스커미온의 위치를 정확히 컨트롤할 수 있어야하며, 이러한 위치조정을 위해서는 외부 전류를 이용하여 스커미온을 원하는 위치로 이동시키는, 즉 전류방향 그대로의 스커미온 직진 운동이 핵심 기술로 요구된다. 따라서 본 연구 결과는 학계에서 매우 큰 관심을 받고 있는 스커미온이 실제 메모리 소자에 적용되기 위한 핵심 기술이며, 향후 스커미온 기반의 초저전력 메모리를 구현하는 데 큰 기여를 할 것으로 예상하고 있다.

우성훈 박사는 “4차 산업혁명과 함께 고성능 고용량 전자소자들이 매우 빠른 속도로 출현함에 따라 초저전력 메모리 소자의 개발은 현재 매우 절실한 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “본 연구를 통해 개발한 스커미온 메모리 핵심 기술은, 향후 실제 스커미온 기반의 초저전력 스핀 메모리 소자 구현 및 관련 산업 전반에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구 논문에는 KIST 연수생 송경미 박사과정(숙명여자대학교 물리학과) 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

 * (논문명) Current-driven dynamics and inhibition of the skyrmion Hall effect of

               ferrimagnetic skyrmions in GdFeCo films
            - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원  
            - (공동 제1저자) 숙명여자대학교 송경미 박사과정

 

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KIST-DGIST 공동연구팀, 이론으로만 제시된 스커미온의 호흡운동 규명
향후 스커미온 기반의 초저전력-초고주파 차세대 통신소자 개발 기대

 

2009년 발견된 소용돌이 모양으로 배열된 스핀들의 구조체인 ‘스커미온 (Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 최근 국내 연구진이 독특한 스핀 구조체인 스커미온을 사용하여 차세대 초저전력-초고주파 통신 소자에 적용 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다.
*스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 손상혁) DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장(신물질과학전공 교수)팀과의 공동연구를 통해 스커미온 스핀 구조체를 사용하여 기존에 제시된 바 없는 전혀 새로운 형태의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다고 밝혔다. 최근에는 이러한 스커미온이 보이는 독특한 동역학적 움직임인 ‘스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing)’**현상을 사용할 때, 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 이론적인 예측이 있어 왔다. 하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 빠른 운동 속도로 인하여, 스커미온 호흡운동을 실제 관측하는 연구는 현재까지 이뤄지지 못했었다.
**스커미온 호흡운동 : 외부의 신호에 반응하여, 스커미온의 크기가 커졌다-작아졌다를 반복하며 새로운 고주파 신호를 발생시키는 독특한 자성 동역학적 움직임.
이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 ‘스커미온의 호흡운동’을 세계 최초로 구현한 것으로, KIST-DGIST 공동연구팀은 우수한 시공간 분해능(Resolving Power)***을 가지는 X-선 촬영기법을 이용하여, 외부 신호에 반응하는 스커미온의 미세 호흡운동을 1 나노 초(ns, 10억분의 1초) 단위로 관측하는데 성공하였다. 뿐만 아니라, 본 연구 과정을 통하여 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법 또한 개발하였다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 메모리 소자로의 적용을 넘어 미래 전자기기 전 분야에 스커미온이 큰 역할을 할 수 있음을 제시하는 매우 중요한 결과라 할 수 있다.
**분해능(分解能) : 현미경 등의 광학기기에서 관찰하는 대상의 세부를 상(像)으로 판별하는 능력. 분리능 또는 해상력이라고 한다.

<그림 1> 외부 전류 자극에 의해 시간에 따라 변하는 스커미온 호흡운동에 대한 모식도

본 연구를 주도한 KIST 우성훈 박사는 “기존에 이론으로만 제시되었던 스커미온 기반의 고효율 차세대 통신소자가 실제 가능하다는 연구 결과이며, 향후 미래 고성능 전자기기들의 효율적인 통신을 위한 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것”이라고 말했다. 또한 DGIST 홍정일 센터장은 “본 연구결과가 제시하는 ‘스커미온’을 활용한 새로운 접근법은 전반적인 소자의 작동 메커니즘을 새롭게 제시할 수 있어 기존의 연구 흐름에 시사하는 바가 크다”고 밝혔다. 또한 본 연구 논문에는 KIST 연수생 송경미 박사과정(숙명여자대학교 물리학과) 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업 및  미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 24일(수) 온라인 판에 게재되었다.

 * (논문명) Spin-orbit torque-driven skyrmion dynamics revealed by time-resolved X-ray microscopy

        - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원
        - (공동 제 1저자) 한국과학기술연구원 송경미 학연(숙명여자대학교 나노물리학과 박사과정)
        - (공동 교신저자) 대구경북과학기술원 DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장

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