열로 작동하는 초고속 메모리 기술 개발

전자의 스핀을 이용한 초고속 메모리소자의 새로운 구동방법 개발

전기가 아닌 열로 작동하는 메모리 기술이 개발됐다. 초고속 레이저를 이용한 열로 스핀 전류를 발생시켜 기존보다 효율적이고 소자 속도 한계를 밝힐 수 있는 초고속 메모리 소자 개발 기술이 나온 것.

한국과학기술연구원(KIST)은 스핀융합연구센터의 최경민 연구원이 주저자로 참여하고 KIST 민병철 박사, 고려대 이경진 교수 등 국제 공동 연구진이 수행한 연구 ‘열에 의한 초고속 탈자화로 발생시킨 스핀 전류’ 논문이 학술지 테이처커뮤니케이션에 게재됐다고 27일 밝혔다.

전자는 일종의 아주 작은 자석으로, 전자가 스스로 회전하는 운동을 스핀이라고 한다. 전자의 스핀을 이용해 수 나노미터의 크기의 나노자석에 정보를 저장하는 것이 차세대 메모리로 불리는 스핀트로닉스 메모리 기술이다.

스핀이 한 방향으로 정렬되어 흐르면 스핀전류가 발생하고, 이를 이용해 나노 자석에 정보를 기록하면 나노소자메모리로 작동이 가능하다. 기존 연구는 이런 스핀 전류를 만들기 위해 전기를 이용했으나 이 방법으로는 메모리소자의 최대 동작 속도를 파악할 수 없어 메모리소자의 정보처리 능력을 연구하기가 쉽지 않았다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전기 대신 열이라는 독창적인 방법을 고안했다. 피코 초(1조분의 1초)의 아주 짧은 시간 동안 작동하는 초고속 레이저를 이용해 메모리소자에 열을 가했고 그 결과 온도 차이가 발생했다.

이같이 나노 자석 내에 만들어낸 온도 차이가 어떻게 스핀 전류를 발생시키는지 물리적인 원리를 규명하고, 기존 전기적 방법보다 매우 효율적인 방법으로 스핀 전류를 발생시킬 수 있다는 점을 규명한 것. 열을 이용한 스핀 전류 발생법의 경우, 전자 하나당 발생가능한 스핀 전류량이 전자적 방법보다 월등히 크다.

연구진은 나아가 초고속 레이저 열로 발생시킨 스핀 전류를 이용해 메모리 속 나노 자석의 N극과 S극의 방향을 회전시켰다.

자석의 극 방향 전환은 메모리 정보 제어를 위해 필요한 것으로, 과거 전기적 방법을 활용하여 방향을 제어한 속도가 1나노초였던데 비해 1피코초의 속도로 극 방향 전환이 이루어져 약 1천배 정도 속도가 향상된 것이다. 열을 이용한 방법이 전기적 방법보다 메모리 성능 측면에서도 우위에 있다는 점을 보여준다.

이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업, 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원이 추진하는 전자정보디바이스 산업원천기술개발사업 및 한국과학기술연구원의 기관고유사업 지원으로 수행됐다.