국내 연구팀, 자성 메모리(M램)의 숨겨진 자기 상호작용 규명

[테크월드=석주원 기자] 정명화 교수(서강대학교) 연구팀이 자성물질 사이에 숨겨진 자기적 상호작용을 규명함으로써, 차세대 메모리 반도체인 자성 메모리의 속도와 저장용량을 한 단계 더 발전시켜줄 가능성이 열렸다.

어디서나 동영상을 실시간 재생하고 사물인터넷이 익숙해진 정보화 시대에 들어서면서 대용량 정보 저장장치 개발이 활발하다. 그 중 자성 메모리(M램)는 전원이 끊겨도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성, 고속 동작 등의 장점이 주목받으며 최근 상용화되고 있다.

전류를 기반으로 하는 기존 메모리와 달리, 자성 메모리는 전자의 스핀(회전)에 의한 자성을 이용한다. 두 개의 자성물질에서 자화 방향이 같거나 반대일 때 0 또는 1의 정보가 기록된다. 다만, 많은 장점에도 불구하고 자화 방향을 바꿀 때 필요한 소비 전력이 크다는 한계가 있다.

국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 6월 3일에 게재된 ’Long-range chiral exchange interaction in synthetic antiferromagnets‘ 논문에서 연구팀은 자성물질에서 대칭적 상호작용에 의한 두 가지 자화 방향(동일/반대 방향)뿐 아니라 비대칭적 상호작용에 의한 자화 방향도 있음을 발견했다고 밝혔다. 이를 통해 3차원 스핀 구조에 정보를 저장함으로써 자성 메모리의 속도와 용량을 크게 개선할 수 있게 되었다.

이번 연구에서 밝혀진 비대칭적 상호작용은, 두 자성물질 사이에 있는 비자성 물질에 의해 대칭성이 붕괴되면서 발생하며, 자성물질의 종류에 무관하게 재현된다. 두 자성물질 사이에 숨겨진 새로운 자기적 상호작용을 규명했다는 점에서 학술적으로 큰 의미가 있다.

이 비대칭적 자기 상호작용을 이용하면, 자성물질에서 동일/반대 방향의 대칭적 스핀 구조뿐 아니라 비대칭적 특이한 스핀 구조를 구성할 수 있다. 이로써 0과 1의 이진법을 뛰어넘어, 더욱 빠르고 데이터 용량이 큰 신개념 비휘발성 메모리 소자 응용도 가능하다.

정명화 교수는 “이 연구는 자성 박막 사이에 존재하는 밝혀지지 않은 새로운 자기적 상호작용을 밝혔다는데 큰 의의가 있다”며 “향후 메모리 소자의 저장 용량 한계를 극복하고 자성 소재의 구조적 문제를 해결해, 새로운 형태의 자성 메모리 소자를 디자인하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구) 등의 지원으로 수행되었으며, 이번 논문의 주저자로는 정명화 교수(교신저자, 서강대), 마티아스 클로우이 교수(Mathias Klaui, 교신저자, 독일 마인츠대), 한동수 박사(제1저자, KIST), 이규준(제1저자, 독일 마인츠대) 등이 이름을 올렸다.