초고속 동작 자기메모리 핵심 기술 개발 성공

-하드디스크를 뛰어넘는 차세대 자기메모리에 응용 기대-

김갑진 교수(한국과학기술원)와 이경진 교수(고려대) 연구팀이 차세대 자구벽 기반 자기메모리의 속도를 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

이 연구는 물리·재료 분야 최고 권위의 학술지인 네이처 머티리얼스 (Nature Materials) 9월 25일자에 게재되었다.

※ 논문명 : Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets

※ 저자 정보 : 김갑진(한국과학기술원, 공동 제1저자/공동교신저자), 김세권 (UCLA, 공동 제1저자), 이경진(고려대학교, 공동 교신저자), T. Ono (Kyoto University, 공동교신저자), Y. Hirata, T. Tono, 김덕호, T. Okuno, 함우승, 김상훈, T. Moriyama(Kyoto University), 오세혁, 고경춘(고려대학교), Y. Tserkovnyak(UCLA), A. Tsukamoto(Nihon University) 포함 총 15명

현재 사용되는 메모리 소자인 D램(D-RAM)과 S램(S-RAM)은 속도는 빠르나 전원이 꺼지면 메모리가 사라지는 휘발성 특성이 있고, 플래시 메모리(Flash memory)는 비휘발성이나 속도가 느리고, 하드 디스크 드라이브(HDD)는 용량은 크나 전력 사용량이 크고 충격에 약하다는 한계가 있다.

기존 메모리의 단점을 해결하기 위해 ‘자구벽 기반 자기메모리(domain wall-based magnetic memory, 이하 ’자구벽 메모리‘)’를 개발 중에 있다. 자구벽 메모리의 핵심 동작원리는 전류에 의한 자구벽 이동이다. 자성 나노선을 사용하여 비휘발성 특성을 확보하고, 기계적 회전을 없앰 으로써 전력사용량을 줄인 고집적․저전력의 차세대 메모리이다.

그러나 현재까지 연구결과, 자구벽 메모리의 동작 속도는 최대 수백 m/s로 속도에 한계가 있다고 보고되었고, 이는 자구벽이 회전하면서 움직이는 ‘워커붕괴현상*’ 때문이라고 알려져 있다.워커붕괴현상(Walker breakdown) : 자성물질이 본질적으로 가지게 되는 각운동량에 기인

따라서 자구벽 메모리의 실용화를 위해 워커붕괴현상을 제거하여 동작 속도를 높일 수 있는 핵심기술 개발이 요구되어 왔다.

자구벽 메모리 연구는 대부분 ‘강자성체’ 물질을 사용하여 왔으며, 강자성체의 경우 자구벽이 회전하는 워커붕괴현상을 피할 수 없다. 강자성체 : 자화(자성을 지니는 현상)가 모두 한 방향으로 정렬되어 있는 자성체로, 자화와 각운동량(회전운동하는 물체의 운동량)이 항상 존재하여 워커붕괴현상이 나타남.

연구팀은 자기메모리 연구에 ‘페리자성체’인 GdFeCo*를 사용한 결과 특정조건**을 만족할 경우 워커붕괴현상을 없앨 수 있는 메커니즘을 발견하였고, 이를 이용하여 자구벽의 이동 속도를 상온에서 2 km/s 이상까지 증가시키는데 성공하였다.

• *페리자성체 : 인접한 자화가 반대로 정렬되어 있고 크기가 서로 다른 자성체
• * GdFeCo : 가돌리늄(Gd), 철(Fe), 코발트(Co)를 포함한 금속합금
• ** 자화와 각운동량이 0인 지점

자구벽 메모리는 고집적·저전력·비휘발성을 갖춘 메모리로서, 이번 연구로 발견한 초고속 동작 특성이 가미된다면, 하드디스크를 뛰어넘는 차세대 메모리가 될 것으로 기대된다.

김갑진 교수는 “이번 연구는 페리자성체의 각운동량이 0인 지점에서 나타나는 새로운 물리 현상을 발견했다는 점에서 의미가 크고, 향후 차세대 메모리 구현을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었다.