카이스트(KAIST) 연구진이 고속 동작 자성메모리의 핵심 전극소재로 활용될 수 있는 반강자성체(Antiferromagnetic Material)의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재 기술을 개발했다.

반강자성체는 인접한 원자의 자기모멘트의 방향이 서로 반대 방향으로 평행한 구조로 누설자기장이 없고 고속스위칭 특성을 갖는다.

알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발해 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

자성메모리(MRAM)는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 개발되고 있다. 기존 자성메모리는 강자성체를 기반으로 하는데, 고집적 소자에서는 강자성체에서 발생하는 누설 자기장으로 인해 인접한 자기 소자 사이에 간섭이 발생하게 된다.

반강자성체는 알짜 자성을 띠고 있지 않아서 누설 자기장이 발생하지 않아 이를 자성 소자에 적용하면 초고집적 자기메모리 소자 개발이 가능하게 된다. 이를 위해서 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어하는 기술의 개발이 요구되고 있다.

KAIST 신소재공학과 박병국, 신소재공학과 정연식, 물리학과 김갑진 교수 연구팀은 교환 결합(Exchange Bias)이 형성된 반강자성체/강자성체 이중층 구조를 제작해 반강자성체에서 생성되는 스핀 전류를 이용해 반강자성체의 자화 방향이 전류의 크기와 부호에 따라 가역적으로 회전함을 실험적으로 규명했다. 

기존의 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자의 개발 가능성을 높인 것이다. 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 다중상태 메모리 구성이 가능함도 보였다. 

연구팀이 개발한 반강자성 제어 기술 및 다중상태 스위칭 거동을 활용하면 초고집적 및 초고속 동작이 가능한 반강자성체 기반 자성메모리 및 뉴로모픽 소자의 핵심 기술이라는 게 KAIST의 설명이다.

제1 저자인 강재민 연구원은 “이번 연구는 반강자성체의 자화 방향을 스핀 전류로 제어할 수 있음을 실험으로 규명한 것”이라며 “향후 반강자성체를 기반으로 하는 차세대 반도체 기술로 여겨지는 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ라고 밝혔다.

과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원 사업, KAIST 글로벌 특이점 연구과제의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 11월5일자에 온라인 게재됐다.