KIST-MIT 공동연구팀, ‘無 전력’ 메모리 소자 가능성 세계 최초 규명(스핀융합연구단 우성훈 박사)

이론으로만 제시된 스핀파(Spin wave)를 이용한 자구벽 이동 세계 최초 구현

향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발 기대

 

국내 연구진이 초저전력을 넘어선 전력소모 ‘0’인 ‘無 전력’ 메모리소자를 가능케 하는 물리적 현상을 세계 최초로 규명했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 미국 MIT 재료공학과 제프리 비치(Geoffrey Beach) 교수팀과의 약 3년간의 공동연구를 통해, 소자의 스핀성질을 활용하여 전력소모 없이 메모리 소자를 구동할 수 있는 방법을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin wave)*를 이용한 자구벽(Domain Wall)**의 이동을 세계 최초로 구현한 것으로, 물리학 분야 세계 최고권위의 저널 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 1월 31일(한국시간)자에 게재되었다.
*스핀파(Spinwave) : 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생하다고 생각되는 파동.
*자구벽(Magnetic Domain Wall) :  강자성체에 있어서 자구와 자구(磁區)의 경계이다.

 

서로 다른 자성을 띈 자기 구역을 구분하는 ‘자구벽’ 구조는, 높은 이동도와 안정성, 값싼 공정가격 등을 바탕으로 이를 차세대 메모리 소자에 적용하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 하지만 ‘자구벽’ 구조를 이동시키기 위해 소모되는 임계 전류값이 기존 전자소자와 비교하여 큰 이점을 가지지 못한다는 ‘전력소모’의 한계로 인해, 임계 전류를 낮추기 위한 다각도의 연구가 이루어져 왔으나 여전히 분명한 해결책이 나타나지 않았다. 

 [그림 : 두 개의 자구벽이 부딪힐 때 나타나는 강한 크기의 스핀파에 대한 도식(Schematic)]

본 연구결과는, 기존에 전기적인 방법을 이용하여 자구벽을 이동시켜야 한다는 고정관념을 깬 전혀 새로운 접근 방법의 결과이다. 연구팀은 2개의 자구벽이 부딪혀서 생기는 스핀의 독특한 파동 형태인 ‘스핀파(or 마그논(Magnon))’를 사용하여 전력소모가 전혀 없이도 자구벽의 효율적인 이동이 가능하다는 것을 밝혔다. 즉, 외부전류의 유입없이 자구벽의 유무상태를 바꿀 수 있게 됨으로서, 향후 무전력 소자가 가능해질 것이라는 원리를 세계최초로 규명한 것이다. 또한 스핀파의 효율적인 생성을 위해서 두 개의 자구벽의 충돌을 이용함으로서, 전력 소모 없이도 강한 크기의 스핀파가 생성될 수 있음도 보여주었다.  우성훈 박사는 “스마트기기 하나가 처리해야할 정보의 양이 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황에서 초저전력 문제는 굉장히 큰 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “이런 상황에서 본 연구결과가 제시하는, 스핀소자를 활용한 새로운 접근법은 향후 차세대 메모리 관련 산업전반에 크게 기여할 수 있을 것이라고 본다”고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업과 미국 C-SPIN 사업의 지원으로 수행되었다. 

 * (논문명) Magnetic Domain Wall Depinning Assisted by Spin Wave Bursts 
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원       
          - (교신저자) MIT Geoffrey Beach 교수