차세대 메모리 핵심 소재 개발 성공

- 기존 SRAM 메모리 한계를 뛰어넘는 비휘발성, 고속, 고집적 소재 -

[그림 1] 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성메모리(MRAM)의 개략도. 반강자성(IrMn)/강자성(CoFeB) 계면에 존재하는 교환결합을 이용하여 외부 자기장 없이 소자구동 가능함. 반강자성 물질(IrMn) 내부에는 전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 반대로 정렬되어 있음.

[그림2] 스핀궤도토크에 의해 강자성 물질의 스핀 방향을 제어하는 소자개략도 및 주요 실험 결과. 외부자기장 없이 전류의 극성에 따라 스핀의 방향 제어 가능함을 보임

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내대학 연구진이 차세대 자성 메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술 개발에 성공하였다고 밝혔다.

□  이경진 교수(KU-KIST융합대학원)와 박병국 교수(한국과학기술원) 공동연구팀의 연구결과는 나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 네이쳐 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology) 7월 11일자에 게재되었다.

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같으며 미래소재디스커버리사업 스핀궤도소재연구단(단장 고려대 김영근)의 지원을 받아 연구를 수행하였다.

- 논문명 : Field-free switching of perpendicular magnetization through spin-orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures

- 저자 정보 : 오영완, 백승헌(공동제1저자, 한국과학기술원 박사과정), 김영민, 이해연, 이경동(한국과학기술원), 양창근, 박은상, 이기승, 고경춘 (고려대학교), 김경완(NIST), 정종율 교수(충남대학교), 민병철 박사(한국과학기술연구원), 이현우 교수(포항공과대학교) 이경진 교수(공동교신저자, KU-KIST융합대학원), 박병국 교수(공동교신저자, 한국과학기술원) 포함 총 15명

□ 자성메모리(MRAM)는 실리콘을 기반으로 한 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작과 집적도를 높일 수 있다. 이러한 특성 때문에 메모리 패러다임을 바꿀 새로운 기술로 전 세계 여러 반도체 업체에서 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 메모리이다.

□ 개발 경쟁의 대상이 되는 핵심 기술 중 하나는 메모리 동작 속도를 더 높이면서도 고집적도를 동시에 구현 하는 기술이다. 현재까지 개발 된 MRAM 기술에 의하면 동작 속도를 최고치로 유지하는 경우 집적도가 현저히 떨어지는 문제가 있었다.

□ 현 연구팀은 동작 속도를 기존 MRAM 기술보다 10배 이상 빠르고 고집적도를 달성 할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다.

  o 본 연구의 기술이 적용 될 수 있는 차세대 메모리로 주목받고 있는 일반적 스핀궤도토크 기반의 MRAM 경우, 정보기록을 위해 중금속/강자성 물질의 스핀궤도결합을 이용한다. 하지만 기존에 사용되는 백금(Pt) 또는 텅스텐(W)의 경우 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 제약이 있었는데, 연구팀은 이리듐-망간(IrMn) 합금과 같은 새로운 반강자성 소재를 도입하여 반강자성/강자성 물질의 교환결합을 이용해 외부자기장 없이 고속, 저전력 동작이 가능한 기술을 개발하였다.

  o 스핀궤도토크 MRAM은 컴퓨터 또는 스마트폰에 쓰이는 SRAM 보다 10배 이하로 전력소모를 낮출 수 있고, 비휘발성 특성으로 저전력을 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 IoT용 메모리로 활용가능성이 높다.