정보 산업의 급속한 발달과 함께 대용량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 새로운 저장 장치에 대한 수요가 지속적으로 증가하면서 동작 속도가 빠르고 고집적도를 달성할 수 있는 새로운 메모리 장치 개발에 대한 연구가 주목을 받고 있습니다. 그 중에서 자성 메모리는 전자의 스핀을 이용하기 때문에 비휘발성을 가지며 고속 동작이 가능하다는 장점이 있습니다.
전류를 기반으로 하는 기존 메모리와 달리, 자성 메모리는 전자의 스핀(회전)에 의한 자성을 이용합니다. 두 개의 자성물질에서 자화 방향이 같거나 반대일 때 0 또는 1의 정보가 기록되는 방식인데요. 많은 장점을 갖고 있지만 자성 메모리는 자화 방향을 바꿀 때 필요한 소비 전력이 크다는 한계가 있죠.
서강대학교 정명화 교수연구팀이 차세대 메모리 반도체인 자성 메모리의 속도와 저장 용량을 한 단계 더 발전시켜줄 가능성을 입증했다고 합니다. <Nature Materials>에 게재된 논문에 따르면 연구진은 자성물질 사이에 숨겨진 자기적 상호 작용을 규명함으로써 자성 메모리의 속도와 저장 용량을 더 발전시켜줄 수 있다고 합니다.
어떻게 개발했는가
연구팀은 자성 물질에서 대칭적 상호작용에 의한 두 가지 자화 방향(동일/반대 방향)뿐 아니라 비대칭적 상호작용에 의한 자화 방향도 있음을 발견했습니다. 연구팀은 3차원 스핀 구조에 정보를 저장함으로써 자성 메모리의 속도와 용량을 크게 개선하는데 성공했다고 합니다.
연구팀은 하드디스크의 GMR과 유사한 구조, 즉 비자성층으로 분리된 두 개의 자성 박막층으로 구성된 구조에서 비대칭적 상호 작용에 의한 비대칭적인 스위칭 현상을 관측했습니다. 또한 연구진은 이 현상이 비자성 중간층에 의해 매개되는 비대칭적 층간 상호 작용, 즉 반전 대칭성의 붕괴에 의해 나타남을 증명했죠.
연구진은 이를 실험적으로 규명하기 위해 수직 자화를 가지는 Co/Pt 단일층 및 다층 박막을 제작하여 수직 방향의 자화를 측정했습니다. 다층 박막에서 대칭적인 수직 자화 곡선이 수평 방향으로 인가하는 자기장에 의해 비대칭적인 자화 곡선으로 변했다고 합니다. 이는 단일 자성층에서 얻어진 대칭적 스위칭 결과와 명확히 비교되죠.
앞으로의 전망
정명화 교수는 "이 연구는 자성 박막 사이에 존재하는 밝혀지지 않은 새로운 자기적 상호 작용을 밝혔다는데 큰 의의가 있다"라며 "향후 메모리 소자의 저장 용량 한계를 극복하고 자성 소재의 구조적 문제를 해결해, 새로운 형태의 자성 메모리 소자를 디자인하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 이 연구의 의의를 밝혔습니다.
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