기존 자구벽 기반 자기메모리 속도 획기적 향상

자구벽 속도 측정 소자의 개략도 및 실험 결과. 각 운동량의 총합이 0이 되는 온도(약 310K)에서 속도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 사진=과학기술정보통신부 제공
자구벽 속도 측정 소자의 개략도 및 실험 결과. 각 운동량의 총합이 0이 되는 온도(약 310K)에서 속도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 사진=과학기술정보통신부 제공
김갑진 교수(한국과학기술원)와 이경진 교수(고려대) 연구팀이 `차세대 자구벽 기반 자기메모리`(Domain wall-based magnetic memory)의 속도를 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.

17일 과학기술정보통신부와 연구팀에 따르면 자구벽 기반 자기메모리는 이러한 기존 메모리의 단점을 해결하고자 등장한 메모리이다. 자구벽 메모리의 핵심 동작원리는 하드디스크의 기계적인 회전을 전류에 의한 자구벽 이동으로 대체하는 것이다. 자구벽 메모리는 기계적 회전이 아닌, 자성 나노선에서 자구벽의 이동으로 동작하는 비휘발성·저전력의 특성을 갖는 신개념 메모리 소자다.

그러나 동작 속도가 초당 수백m에 머무르고 있어 실용화를 위해 동작속도를 높이는 핵심 기술개발이 요구돼왔다. 기존의 자구벽 메모리 연구는 대부분 강자성체에서 이뤄졌다. 강자성체는 물질 내부의 자화가 한 방향으로 향하는 물질로서 항상 각운동량이 존재하기 때문에 워커붕괴현상을 피할 수가 없다.

이에 연구진은 강자성체가 아닌 반강자성체를 주목했다. 반강자성체는 인접한 스핀이 반평행을 이루고 있어서 전체적인 자화의 총합이나 각운동량의 총합이 0이 되는 물질이다. 연구진은 이론적인 선행 연구를 통해 반강자성체에서는 각운동량이 0이므로 워커 붕괴 현상이 사라지고 자구벽의 속도가 급격히 빨라질 것이라는 것을 예측했다. 그러나 이를 실험적으로 규명하는 것은 쉽지 않았는데 반강자성체는 자화가 0이므로, 외부자기장으로 제어하는 것이 불가능하기 때문이다.

이에 연구진은 철(Fe), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd)을 포함한 금속 합금(GdFeCo)에 주목했다. 이 물질은 페리자성체로서, Gd의 자화와 FeCo의 자화가 반평행으로 나열돼 반강자성체적 특성을 띠지만, 각각의 원소의 자화크기가 달라서 전체적으로 총 자화가 0이 되지 않는 물질이다.

GdFeCo의 경우 물질의 조성이나 온도를 바꿈으로써, 자화의 총합이나 각운동량의 총합을 바꿀 수 있는데 특이하게도 자화의 총합이 0이 되는 온도와 각운동량의 총합이 0이 되는 온도가 다르게 나타난다. 즉 각운동량의 총합이 0이 되는 곳에서 자화가 남아 있으므로 외부 자기장으로 제어가 가능하다는 것을 의미한다.

연구팀 관계자는 "이번 연구성과로 자구벽 메모리에 초고속 동작특성을 가미한다면, 하드디스크를 뛰어넘는 고집적·저전력·비휘발성을 갖춘 차세대 메모리가 될 것으로 기대되고 있다"고 말했다.

한편, 현재 사용 되는 메모리 소자는 D램(RAM), S램(RAM), 플래시메모리(Flash memory), 하드 디스크 드라이브(HDD) 등이 있다. D램과 S램은 속도가 빠름에 반해, 전원이 꺼지면 메모리가 사라지는 휘발성 특성을 보인다는 문제가 있다. 플래시메모리는 비휘발성이긴 하나 동작속도가 느리고, 쓰고 지우는 횟수의 한계가 존재하는 단점이 있다. HDD의 경우 높은 용량이 장점이나, 기계적인 회전을 사용함으로써, 전력 사용량이 높고 충격에 약하다는 단점이 있다. 김달호 기자

<저작권자ⓒ대전일보사. 무단전재-재배포 금지>

페리자성체를 이용한 자구벽 메모리 소자의 개념도. 페리자성체(GdFeCo)를 이용해 초고속 구동을 실현할 수 있다. 사진=과학기술정보통신부 제공
페리자성체를 이용한 자구벽 메모리 소자의 개념도. 페리자성체(GdFeCo)를 이용해 초고속 구동을 실현할 수 있다. 사진=과학기술정보통신부 제공
페리자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
페리자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
반강자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
반강자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
강자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
강자성체의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
자구벽 메모리의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공
자구벽 메모리의 개념도. 사진=과학기술정보통신부 제공

김달호
저작권자 © 대전일보 무단전재 및 재배포 금지