About the Laboratory

연구실 소개

전자(electron)의 응용에서 점점 중요해지고 있는 양자역학적 성질인 스핀을 이용하는 스핀트로닉스의 기술과 나노기술이 발전함에 따라 계면의 역할이 훨씬 더 복잡하고 중요해져 이를 조절하는 것은 미래기술의 핵심이 될 것입니다. 우리 연구실에서는 스핀트로닉스 분야에서 원자단위에서 계면을 조절할 수 있는 기술을 고안하여 발표하였고, 이 기술이 놀랍게도 많은 분야에 응용될 수 있음을 알아내었습니다(2012.06). 스핀소자연구실(스핀트로닉스 연구실)의 연구주제는 모두 도전적인 주제들이며 나노기술을 요구하는 것들입니다. 논문을 쓰기 쉬운 주제는 아니지만 일단 우리의 아이디어가 구현된다면 과학기술계에 큰 영향을 줄 수 있을 것입니다.

연세대학교에서 차세대메모리인 Magnetic Random Access Memory (MRAM) 등 스핀트로닉스 소재 및 소자연구를 진행하고 있는 유일한 스핀트로닉스 연구실입니다. 연구의 주된 방향은, 나노기술에서 가장 중요한 나노 계면을 원자수준에서 조절하고 또 새로운 재료를 이용하여 창의적인 방법으로 스핀의 transparency을 증가시킴으로써 스핀을 스위칭하는 연구를 하고 있습니다. 놀랍게도 지금의 기술로 강자성 물질이 전류만으로 스위칭 시킬 수 있다는 사실은 이 분야의 연구가 얼마나 급진적으로 발전하고 있는가를 알 수 있습니다.

현재, Spin-Transfer Torque, Spin-Orbit Torque와 Electric Field Assisted Spin Switching에 중점을 두고 있습니다. 또한, 우리의 중기 목표는 스컬미언이라는 준입자를 만들어 소자에 쓸 수 있는가를 연구하는 것입니다. 2018년 현재 이 분야에서 가장 주목받는 주제입니다. 둘째로, 우리 연구실에서는 그래핀을 이용한 소자를 연구하고 있습니다. 궁극적으로 그래핀을 스핀소자로 사용하기 위함입니다. 현재, 그래핀을 제어하는 우리의 기술은 세계 어느 그룹보다도 가장 앞서고 있다고 자부하고 있으며 이를 논문으로 증명하였습니다(2016.11). 마지막으로 우리는 상상하기 힘든 삼차원 패터닝 기술을 연구하고 있습니다. 현존하는 어떤 기술로도 대체할 수 없는 기술로 증명된다면 새로운 패러다임으로 전환될 수 있는 독창적인 소자가 창안될 수 있을 것이라 기대하고 있습니다.

연구 분야

자기터널접합 단면도. 위아래 강자성층 사이에 얇은 절연 배리어가 있고, 수직으로 흐르는 전류가 위층 자화를 뒤집고 있다.

스핀트로닉스 소재 · 소자

자성·비자성 다층 박막에서 spin을 제어합니다. ion irradiation과 전압으로 계면을 설계해 magnetization reversal 전류와 시간을 줄이고, 이를 SOT-MRAM array 기반 PIM 소자로 잇습니다.

Field-free SOT switching by hydrogen-ion irradiation
- 수소 이온을 국소 조사해 한 소자 안에 magnetic anisotropy가 다른 영역을 형성한다
- 영역 경계가 symmetry를 깨 보조 자기장 없이 magnetization reversal이 일어난다
- domain이 낮은 anisotropy 영역에서 nucleation되어 경계를 넘어 전파한다
- 물질을 제거하지 않아 소자 구조가 유지된다
Voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA)
- gate voltage로 계면의 산소 이온을 이동시켜 magnetic anisotropy를 조절한다
- electric-field 효과와 ion migration에 의한 magneto-ionic 효과가 한 구조에 공존한다
- oxide gate · CoOy · Co 구조에서 전압을 끊어도 상태가 유지된다
- magnetization reversal 전류를 낮추는 방법이다
Ultrafast STT switching with spike pulses
- 선단이 뾰족한 spike 전류 펄스로 자화를 미리 여기시켜 반전 시간을 줄인다
- precession을 이용해 나노초 이하에서 반전된다
- synthetic antiferromagnet과 antiferromagnet의 빠른 spin dynamics를 함께 활용한다
- STT · SOT · VCMA를 중첩한 hybrid 구동으로 확장한다
SOT-MRAM array for in-memory computing
- MgO [001] texture를 제어해 spin transparency와 TMR을 높인다
- e-beam lithography로 수백 nm 급 셀을 어레이에 집적한다
- PIM 구조에 필요한 셀 간 uniformity와 endurance를 소자 수준에서 확보한다
- 연구단 과제 「AI 연산을 위한 신소자 기반 1 Kb SOT-MRAM MUX 어레이 공정 및 소자기술 개발」로 수행 중. 회로 설계와 연산 시연은 연구단의 다른 팀이 맡는다

그래핀 육각 격자 도해. 오른쪽 절반에 수소 원자가 결합해 있고, 두 영역이 뚜렷한 경계로 나뉜다.

이차원 소재 · 소자

그래핀을 hydrogenation 해 전자·표면 물성을 제어합니다. etching 없이 원하는 영역만 바꿔, 한 장의 시트 위에 서로 다른 물성 영역을 만듭니다.

Band gap engineering by hydrogenation
- 가역적·연속적으로 조절되는 넓은 band gap과 그것으로 만든 field-effect transistor
- plasma 이온 에너지를 조절한 damage-free hydrogenation
Wettability control and patterning
- hydrogenation 정도로 wettability를 바꾸고 그 대비로 패터닝
- transparent·flexible 소자를 위한 그래핀 회로 패터닝
Graphene electronic devices
- contact resistance를 낮추는 bottom-electrode contact 구조
- hydrogenated graphene 기반 gas sensor

마스크를 통과한 양성자 빔이 다층 박막에 닿아, 맞은 자리만 상변태된 모습을 나타낸 단면도. 표면은 깎이지 않고 그대로다.

비파괴 나노패터닝 · 계면 공학

저에너지 proton을 조사해 맞은 영역만 local phase transformation을 일으킵니다. 물질을 제거하지 않고 물성만 바꿔 표면 평탄도가 유지됩니다.

Magnetic nanostructures by local phase transformation
- 산화물·금속 superlattice를 proton으로 환원해 만드는 자성 nano-island 배열
- 10 nm 급 고밀도 배열의 non-destructive 형성
Atomic-scale interface engineering
- 조사량으로 saturation magnetization과 magnetic anisotropy를 함께 조절
- 계면의 구조적·화학적 비대칭성에서 오는 giant spin-orbit coupling

연구단 · 국가과제

스핀로직소자 연구단

단장

과학기술정보통신부 지능형반도체 사업

자구벽 제어 기반 초저전력 PIM 단위소자 연구단

연구책임자

과학기술정보통신부 PIM 인공지능반도체 핵심기술개발 사업

SOT-MRAM 연구단

총괄책임자

과학기술정보통신부

AI 연산을 위한 신소자 기반 1 Kb SOT-MRAM MUX 어레이 공정 및 소자기술 개발 (2026~2028). 연구실은 SOT 소재와 어레이 공정·소자 제작을 담당. KRISS · KAIST 공동연구

인공지능 MRAM 연구실

국가반도체연구실 지정 (2023)

과학기술정보통신부

삼성전자 · SK하이닉스 스핀소자 개발, KRISS 차세대 스핀트로닉스 공동연구