신개념 비휘발성 스핀 메모리 소자의 작동 원리 개념도. 연구그림=유니스트M램(자성메모리) 반도체의 전력소모와 발열을 잡을 신개념 메모리 소자(반도체 칩을 구성하는 단위로 손톱만 한 반도체 칩 안에는 최대 수십억 개의 미세소자가 집적돼있다)가 개발됐다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 신소재공학과 유정우 교수팀은 저전력으로 메모리에 데이터를 저장할 수 있는 M램 소자 구조를 제안하고 이를 실험적으로 입증해 냈다고 28일 밝혔다. 관련 내용은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 지난 10일 게재했다.
M램은 낸드플래시와 D램의 장점을 고루 갖춘 차세대 메모리다. 낸드플래쉬처럼 전원을 꺼도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성을 지니며 D램 수준으로 속도가 빠르다. 안전성과 빠른 데이터 읽기, 쓰기가 필요한 분야에서는 일부 상용화됐다.
이 M램은 메모리에 데이터를 쓰고 지울 때 전류를 사용한다. 메모리 소자를 구성하는 두 개 자성층의 자화 방향이 서로 평행일 때는 저항값이 작고 반평행 상태일 때는 저항값이 높아져, 각각의 평행 반평행 상태에 따라 0과 1의 데이터로 저장하는 방식이다. 자성층 자화 방향을 바꾸는 데는 문턱전류 이상의 전류를 흘려야하며 이때 발생하는 전력 소모와 발열이 문제였다.
반면 연구팀이 개발한 메모리 소자는 전압 펄스만으로 메모리에 정보를 쓸 수 있다. 이 소자는 그래핀이 자성절연체인 YIG(이트륨 철 가넷)와 강유전체인 PVDF-TrFE(폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 에틸렌(TrFE)를 중합시킨 고분자) 사이에 끼어 있는 구조인데, 전압 펄스를 가하면 그래핀에 흐르는 전류 방향이 바뀐다. 이 방향에 따라 0과 1을 저장한다.
개발된 메모리 소자에는 역에델스타인 효과, 강자성공명 현상 등과 같은 물리 이론이 적용됐다. 자성절연체의 강자성공명으로 그래핀에 주입된 스핀전류가 역에델스타인 효과에 의해 전하전류로 변환되는 원리다. 전류 방향은 강유전체에 전압펄스를 줘서 바꿀 수 있다. 전압펄스가 강유전체의 극성을 바꾸면 그래핀의 페르미 준위가 이동하기 때문이다. 페르미 준위에 따라 그래핀에 흐르는 전류 방향이 바뀌게 된다.
유정우 교수는 “발열과 에너지 소모를 획기적으로 줄이고 기하급수적으로 늘어나는 AI 반도체 소자의 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 단초를 제공한 연구”라고 설명했다.
이번 연구에는 UNIST 신소재공학과 최종현 박사가 제1저자로 참여했으며 UNIST 신소재공학과 출신 박정민 박사(KAIST 소속)와 연세대학교 김경환 교수와 KIAS 소속 김충현 박사 등이 참여했다. 연구수행은 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업과 나노 및 소재 기술개발사업 및 기초연구사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
