발행일 2018. 03. 19 발행처융합연구정책센터 2018 MARCH vol.113 Technology Industry Policy 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자 우성훈 김보림한국과학기술연구원 융합연구정책센터스핀융합연구단
Technology 융합연구정책센터 Weekly TIP Industry Policy 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자우성훈 한국과학기술연구원스핀융합연구단 선정배경 01 최근모든전자기기가연결되어상호통신함으로써사람들의일상생활전반에걸쳐영향을끼치는 만물인터넷 (IoE: Internet of Everything) 시대가도래 AI( 인공지능 ) 등관련기술이더욱확대 보급됨에따라, 상호통신무선소자들의트래픽및통신기기들의전력소모가증대할것으로예상 - 현재의통신기술은실리콘기반의 CMOS(Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor) 통신 소자에서발생하는주파수영역대및통신방법을개선하는방법으로 3G, 4G, 5G 순으로발전 - 4G, 5G 로이어지는새로운고성능통신기법의출현은단위통신소자의소모전력및발열량을크게 증가시킴 그림 1. 전자소자의고직접화에따라증가하는단위소자당발열량 Power Denslty (W/cm 2 ) 10K 1K 100 10 1 8008 8086 236 386 Nuclear Reactor 486 Rocket Nozzle Pentium Processors 1970 1980 1990 2000 2010 2015 Year Source: intel& H. Ohno 출처 Intel Corp 최근 CMOS 통신의대체기술로전자의 스핀 을이용하는스핀트로닉스분야를기반으로저전력및초고속으로작동하는차세대통신소자에대한연구가활발히진행 이에스핀트로닉스를활용한차세대 IoT 용초저전력초고속통신소자기술에대해알아보고자함 02
2018 March vol.113 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자 스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자기술 02 (1) 스핀트로닉스의정의 스핀트로닉스기술은전자의전하와스핀을동시에제어하는기술 - 기존의일렉트로닉스 (Electronics) 기술은전자의두가지특성인전하와스핀중양자역학적인스핀을고려하지않고전하만을제어 - 스핀트로닉스기술은초고속, 초저전력및초고주파등스핀고유의특성으로차세대통신소자로서높은효율성기대 표 1. 일렉트로닉스와스핀트로닉스의비교 전자통신소자 (Electronics) High Power Device Boot up required Less Compact Normal Speed Cheaper 스핀통신소자 (Spintronics) Low Power No Boot up required More Compact Faster Transfer Costiler 출처저자작성 (2) 스핀트로닉스기반통신소자의역사 전류구동스핀소자의개념은 1996 년 L. Berger 와 J. C. Slonczewski 가독립적으로발표한스핀전달토크이론에근거 [1,2] - 이들은전류를인가하여국부적인자화방향을반전시킬수있으며, 10 GHz 정도의주파수를갖는 마이크로파발생을예측 병렬적으로, 1986 년프랑스의 A. Fert* 와독일의 P. Grunberg* 의거대자기저항현상 (giant magneto-resistance, GMR) 발견이후, 자기저항효과에대한연구가급속도로발전 * 2007 년노벨물리학상수상 03
Technology Industry Policy 융합연구정책센터 Weekly TIP 스핀발진기는 GMR( 거대자기저항 ) 및 TMR( 터널형거대자기현상 ) 소자의자기저항효과와전류구동자화반전 (Current Induced Magnetization Switching, CIMS) 현상을함께응용하여 구현하는소자 [3,4] 그림 2. 거대자기저항소자, 터널접합소자및스핀 RF 소자의응용 거대자기저항 (GMR) 소자 자기헤드 하드디스크 Nobel Prize 2007 터널접합 (TMR) 소자 스핀 RF 소자 MRAM 2006 상용화 V STT-MRAM 2016 상용화예정 e - time 출처스핀융합연구단 1999 년 Cornel 대학연구그룹에의해 GMR 소자에서스핀토크에의한자화반전을실증함으로써 Berger 와 Slonczewski 의이론적예측을증명 [4] 2003 년 Cornel 대학연구진이스핀토크에의한초고주파발진을실험적으로증명하면서스핀발진기에대한연구가급속히진전 [3] 현재소자의상용화까지는아직도달하지는못하였으나, 스핀발진기연구의학술적, 기술적파급력은높을것으로예상 최근 Science, Nature 를비롯한세계적인학술지에 30 여편의관련논문게재 04
2018 March vol.113 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자 (3) 스핀 RF 소자의구동원리 스핀전달토크현상을이용한스핀 RF 발진기통신소자는적정전류를인가하여스핀의세차운동을일으킴으로써수 GHz 주파수대역의신호발진 - 이때전류혹은자기장의변화에따라공진주파수를넓은범위 ( 십 ~ 수백 GHZ 영역 ) 내에서조절하는것이 가능함 또한스핀트로닉스기반의통신소자는소자의크기를수십나노미터로축소할수있으며, 제조공정이 CMOS process 와호환가능하므로집적화에유리 [3] 스핀통신소자는고정자성층 (pinned magnetic layer), 비자성층 ( 절연층 ) 및자유자성층 (free magnetic layer) 으로이루어진자기터널접합구조 - 고정자성층은경계면에대해평행한고정된자화방향을가지며, 비자성층은고정자성층과자유 자성층의사이에위치 통신소자에전류를인가하는경우, 인가된전류의스핀전달토크에의해자유자성층의자화방향을회전시킬수있으며, 이때자유자성층의자화가수 GHz 내지수십 GHz 의주파수대역으 로회전하면서초고주파교류신호를출력 그림 3. 스핀나노발진기의기본구조및동작원리 외부자기장 자유자성층 V 고정자성층 time e - 출처스핀융합연구단 05
Technology Industry Policy 융합연구정책센터 Weekly TIP (4) 스핀발진기단위소자의구조 스핀토크기반통신소자의가장핵심적인구성요소는자기터널접합 - 자기터널접합은자성체, 절연체, 자성체로구성되어있으며, 두자성층사이에전압을인가하면, 절연체를터널하는전자의전도도 (conductance) 가두자성층의상대적인자화방향에의해전환 그림 4. 스핀발전기단위소자의구조 (a) 자성체 / 비자성체 / 자성체 / 터널링베리어 / 자성체로이루어진자기터널접합스핀소자의모식도 (b) 자기터널접합을이용한고주파발진기각층의구조와역할 Current External field H > Hc Ru (7) CuN (10) Ta (10) CoFeB (2) MgO CoFeB (5) Ru (0.8) CoFe (3) PtMn (20) Buffer (40) nm unit Free layer Pinned layer 출처스핀융합연구단 초고주파대역스핀토크나노 RF 소자에사용할터널접합구조설계의고려사항 - 자기터널접합은수 수십 Ωμm2의낮은저항값 (R*A: resistance * area) 을가지고, 충분한터널자기저항비 (TMR) 가확보되어야 RF 회로와임피던스매칭이되는스핀토크나노통신소자로응용가능 [ 그림 4] 는가장일반적으로쓰이는 MgO 기반자기터널접합구조를나타냄 06
2018 March vol.113 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자 (5) 스핀통신소자의성능 스핀통신소자는일반적으로최대 ~50 nv/hz1/2* 의스펙트럼밀도 (Spectral density) 를갖는초고주파발진출력을가지며, CMOS 소자출력에비해매우향상된결과 * Power 로환산하면, ~50 nw/ghz 에해당 또한이러한스핀토크기반의나노통신소자의중심주파수는전류바이어스에따라 1 GHz/mA 수준으로변환가능 - 통신주파수영역은수 GHz ~ 수십 GHz 대로 CMOS 기반의단위통신소자에비해수십배절감한수치 그림 5. 스핀통신소자의성능측정 (c) (a) 자기터널접합소자의나노필러공정후모식도 (c) (b) 교환결합으로이루어진소자의자기이력곡선 (c) 나노공정후측정방법 preamplifier Spectrum Analyzer DC Source 출처스핀융합연구단 07
Technology Industry Policy 융합연구정책센터 Weekly TIP 해외동향 03 스핀기반통신소자에관련한연구는주로미국, 프랑스, 일본등에서활발하게진행되고있으며, 특히스핀통신소자에관한연구는미국이주도하여프랑스, 일본, 독일등이추격하고있는상황 - ( 미국 ) 주요연구기관은 Cornell, Michigan State University, New York, Missouri 등의대학과연구기관인 NIST 를중심으로이론및실험연구가진행되고있으며, IBM, Hitachi GST, Seagate 등의기업에서는 스핀발진기의실용화연구를활발히진행중 - ( 일본 ) 스핀통신소자관련된연구를하는주요대학으로는 Osaka 대학, Tohoku 대학과연구소에서는 AIST 를중심으로 MgO tunnel junction 에기반한스핀연구를선도하고있으며, Toshiba 등기업이 Osaka 대학및 AIST 와의협력하에연구진행 - ( 유럽 ) 프랑스의 Paris Sud 대학및 CNRS 의 A. Fert 교수와 C. Chappert 교수를중심으로스핀통신 소자에대해세계최초, 최고수준의연구를선도 프랑스 Grunoble 에위치한 CEA 의 Spintec 연구그룹 (Prof. B. Dieny 등 ) 은새로운구조와물질을중심으로한스핀발진기실험연구를활발히진행 독일은대학및연구소등에서실험및이론연구가활발히진행되고있으나, 아직까지미국, 일본, 프랑스선두그룹에비해연구가뒤쳐진실정 스웨덴의 RIT 에서스핀발진기측정실험에대한연구결과를연이어발표하면서새롭게각광 이태리, 스페인, 폴란드, 러시아, 우크라이나등여러연구그룹에서강점분야인이론부분을중심으로스핀발진기연구에기여 표 2. 스핀통신소자분야해외연구동향 연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황 Cornell Univ. ( 미국 ) NIST ( 미국 ) SpinTech ( 프랑스 ) IMEC, Univ.Paris-Sud, ( 프랑스, 벨기에 ) IBM ( 미국 ) AIST ( 일본 ) 나노필러구조에서스핀토크전달현상및초고주파발생현상최초로관측나노 point contact 구조에서초고주파발진특성구현두개의통신소자가공조되는현상발견수직자기이방성층을이용한스핀통신소자개발스핀토크의각도의존성조정을이용하여, 외부자기장을가하지않은초고주파통신구조발견스핀통신의기본이되는스핀토크현상의최초발견자 MgO 터널접합에서의스핀발진 (0.43μW), 세계최고수준 나노필러구조에서얻은연구결과를 MgO 터널접합구조에적용스핀통신소자 array를이용한출력증대기술개발스핀통신소자실용화기술개발을위한mosaic 프로젝트출범이론적예측을실험으로구현. 원천기술개발 TUNAMOS라는대형 project 운영했음 MgO 터널접합을이용한 TMR 현상연구및이를이용한통신소자개발에활용세계최고수준의통신소자발진출력 08 출처스핀융합연구단
2018 March vol.113 만물인터넷을위한스핀트로닉스기반초저전력초고속통신소자 2005 년무선통신시스템을위한초고주파집적회로에스핀토크소자를활용을목적으로유럽연합에서는 TUNAMOS(TUnable NAno-Magnetic OScillators for integrated transceiver applications) 프로젝트를진행 - 현재의이동통신, GPS 수신기, 무선네트워크등에사용되는통신소자의크기, 성능한계를뛰어넘을 잠재성을지닌나노스핀통신소자를제작하는것이프로젝트의목적 ( 특허 ) 해외의선도연구기관을중심으로각각특정분야원천특허들을확보하고있는상황 - MOSAIC PROJECT는통신소자의가장기본인 MTJ 구조및 Vortex 구조에강점을나타내며, 그외경쟁연구그룹이관련기술들인 Nanocontact, Phase shift, DWM, SHE(Spin Hall Effect), SHE+ Dropelet + Nanocontact 등다양한분야의특허선점 국내동향 04 스핀통신소자를연구하기위한기반기술은어느정도확립되어있으나, 실제초고주파나노스핀가변통신소자와관련된연구는시작단계 - 주로차세대메모리 (MRAM) 개발에편중되어있으며, 스핀 RF 소자연구는초기단계 - 주요연구기관으로는 KIST 가스핀통신소자제작부문을선도하고있으며, 그외고려대와포항공대 ( 이론분야 ), KBSI( 한국기초과학지원연구원 ) 와서울대 ( 측정분야 ) 가우수한기술력을보유 KIST 는세계최고수준에근접한 100 nm 나노스핀통신소자제작공정기술을보유 KBSI 는세계수준에근접한초고주파스핀통신소자특성평가기술을보유 고려대는스핀토크에의한국소스핀거동에대한마이크로마그네틱분야에서세계최고수준의기술을확보하고있으며,KAIST, 서울대, 포항공대, 인하대, 연세대, 세종대, 삼성전자등은나노스핀소자에대한기반기술및응용기술을연구중 09
Technology Industry Policy 융합연구정책센터 Weekly TIP 시사점 05 해외스핀 RF 소자에대한연구는주로단위소자의성능개선에초점 - 발진출력증대, 좁은신호선폭의달성, 외부자기장없는초고주파발진등을이루기위한수직자화층, vortex 자화구조등다양한자화구조를이용한연구가진행 - 하지만실제상용스핀통신소자로서의응용가능성에대한연구는이제시작되는단계이며, RF 시스템에대한실질적인요구조건을만족시키기위한구체적인연구는이제태동단계 실제적으로단위스핀통신소자를응용한변복조개념등을포함한시스템화에대한제작결과발표는거의미비 하지만세계적으로활발히연구를지속하고있기에, 향후 10 년이내에실제 CMOS 소자를대체할수있는스핀트로닉스기반의통신상용소자가개발가능할것으로예상 참고자료 > 1. J. C. Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159, L1 (1996); J. C. Slonczcwski, 'Currents and torques in metallic magnetic multilayers', Journal of Magnetism and Magnetic Materials 247, 324 (2002) 2. L. Berger, 'Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current ', Phys. Rev. B 54, 9353 (1996) 3. S. I. Kiselev, J. C. Sankey, I. N. Krivorotov et al., 'Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spinpolarized current', Nature 425, 380 (2003) 4. E. B. Myers, D. C. Ralph, J. A. Katine et al., 'Current-induced switching of domains in magnetic multilayer devices', Science 285, 867 (1999) 10