| MRAM, 전자의 스핀에 의한 자성을 이용
| 두 자성물질 자화 방향 같거나 반대일 때 0, 1 기록
| 비대칭적 상호작용에 의한 자화 방향도 있음 발견

IT 산업의 발달과 함께 대용량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 동작속도가 빠르고 고집적도를 달성할 수 있는 새로운 메모리 장치 개발에 대한 연구가 주목을 받고 있다.

서강대학교 정명화 교수 연구팀은 자성물질 사이에 숨겨진 자기적 상호작용을 규명함으로써 차세대 메모리 반도체인 자성 메모리(magnetic random access memory; MRAM)의 속도와 저장용량을 한 단계 더 발전시켜줄 가능성을 입증했다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 3일에 ’Long-range chiral exchange interaction in synthetic antiferromagnets‘라는 제목으로 게재되었다.

어디서나 동영상을 실시간으로 재생하고 IoT가 익숙해진 정보화 시대인 현재, 대용량 정보 저장장치 개발이 활발하다. 그 중 MRAM은 전원이 끊겨도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성, 고속 동작 등의 장점이 주목받으며, 최근 상용화되고 있다.

전류를 기반으로 하는 기존 메모리와 달리, MRAM은 전자의 스핀(회전)에 의한 자성을 이용한다.

두 개의 자성물질에서 자화 방향이 같거나 반대일 때 0 또는 1의 정보가 기록된다. 많은 장점에도 불구하고 자화 방향을 바꿀 때 필요한 소비 전력이 크다는 한계가 있다.
(a) 자성 박막의 단일층 및 다층 단위에서 보이는 비대칭 상호작용의 모식도 (b) 두 자성층의 스핀 방향이 서로 평행한 상태와 반평행한 상태에 수평 방향의 자기장에 의해 변화하는 스핀 상태의 모식도 (c) 실험 방법에 대한 모식도

연구팀은 자성물질에서 대칭적 상호작용에 의한 두 가지 자화 방향(동일/반대 방향)뿐 아니라 비대칭적 상호작용에 의한 자화 방향도 있음을 발견했다. 3차원 스핀 구조에 정보를 저장함으로써 MRAM의 속도와 용량을 크게 개선할 수 있게 되었다.

이번 연구에서 밝혀진 비대칭적 상호작용은, 두 자성물질 사이에 있는 비자성 물질에 의해 대칭성이 붕괴되면서 발생한다. 자성물질의 종류에 무관하게 재현된다. 두 자성물질 사이에 숨겨진 새로운 자기적 상호작용을 규명했다는 점에서 학술적인 의미가 있다.
(a) 자성 박막의 단일층 및 다층(스핀 방향이 서로 평행한 상태와 반평행인 상태) 단위에서 수평 방향의 자기장을 인가했을 때 측정된 자화 곡선. (b, c) 수평 방향의 자기장을 다양한 각도로 바꾸며 측정한 대칭적, 비대칭적 스위칭 결과

비대칭적 자기 상호작용을 이용하면, 자성물질에서 동일/반대 방향의 대칭적 스핀 구조 뿐 아니라 비대칭적 특이한 스핀 구조를 구성할 수 있다. 이로써 0과 1의 이진법을 뛰어넘어, 빠르고 데이터 용량이 큰 신개념 비휘발성 메모리 소자 응용도 가능하다.

정명화 교수는 “이 연구는 자성 박막 사이에 존재하는 밝혀지지 않은 새로운 자기적 상호작용을 밝혔다는데 의의가 있다”라며 “향후 메모리 소자의 저장 용량 한계를 극복하고 자성 소재의 구조적 문제를 해결해, 새로운 형태의 MRAM 소자를 디자인하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.