카이스트(KAIST) 신소재공학과 박병국 교수 연구팀이 차세대 비휘발성(Non-volatile) 메모리인 스핀궤도토크 자성메모리(SOT-MRAM)의 스위칭 분극을 전기장 인가를 통해 임의로 제어하는 소재 기술을 개발했다. 

스핀궤도토크 자성메모리는 면방향 전류에서 발생하는 스핀전류를 이용해 자화 방향을 제어하는 방식으로 설계돼 기존 스핀전달토크 자성메모리(STT-MRAM) 보다 동작속도가 10배 이상 빠른 장점이 있다.

연구팀이 개발한 이 기술은 차세대 지능형 반도체로 개발되는 프로세싱-인-메모리(PIM)에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

PIM(processing-In-Memory) 기술은 메모리 공간에서 로직 기능을 수행해 프로세서에서 처리하는 데이터양을 줄이면서 기존의 폰노이만 구조의 한계를 극복하는 기술로 주목받고 있다.

스핀궤도토크 자성메모리(SOT-MRAM)는 고속 동작과 높은 안정성 특성으로 차세대 자성메모리 기술로 개발되고 있으나, 정보 기록을 위해서 외부자기장을 인가해야 하며 이는 고집적 소자에 치명적인 단점으로 작용한다. 

따라서 외부자기장 없이 자화 방향을 제어하는 무자기장 스위칭 기술의 개발이 요구되고 있다.

박병국 교수팀은 자성메모리에 측면 게이트 구조를 도입해 계면의 라쉬바 효과를 제어함으로 무자기장 스핀 궤도 토크 스위칭 소재 기술을 개발했다. 게이트 전압의 부호에 따라 스위칭 방향을 제어하는 결과를 확인하고 이를 활용해 하나의 소자에서 배타적 논리합(XOR), 논리곱(AND) 등의 다양한 논리연산을 구현하는 데 성공했다. 

이 기술은 데이터를 저장하는 메모리 반도체와 연산 기능을 수행하는 로직반도체가 융합된 MRAM 기반 PIM 소자의 원천 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

제1 저자인 강민구 연구원은 “이번 연구는 차세대 자성메모리 내에서 프로그램이 가능한 논리연산을 실험으로 규명해, 향후 미래 컴퓨팅 기술로 여겨지는 지능형 반도체 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 12월7일 온라인 게재됐다.