【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=전기를 거의 사용하지 않고도 정보를 저장·유지할 수 있는 차세대 메모리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 온도 변화만으로 전자의 스핀 방향을 바꾸고, 전원이 꺼져도 상태를 유지하는 비휘발성 메모리 구현에 성공하면서 인공지능(AI) 시대 초저전력 반도체 기술의 새로운 돌파구로 평가된다.
 ▲ 1. 열 이력 기반 온도 유도 비휘발성 스위칭의 개념도 2. 온도 조절에 따른 작동 신호3. 기존 SOT 스위칭과의 소모 에너지 비교 © 포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과 진현규 교수와 통합과정 김준석 씨 연구팀이 충남대 신소재공학과 정종율 교수, 카오반 푸억 박사 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구가 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 앞속커버(Inside Front Cover) 논문으로 선정됐다고 밝혔다.
최근 AI 산업이 급성장하면서 데이터 처리 속도뿐 아니라 전력 소비를 얼마나 줄일 수 있는지가 핵심 경쟁력으로 떠오르고 있다. 대규모 데이터센터 한 곳이 작은 도시와 맞먹는 전력을 소비하는 것으로 알려지면서, 에너지 효율이 높은 차세대 메모리 기술 확보가 산업계의 주요 과제로 부상하고 있다.
연구팀이 주목한 기술은 ‘스핀트로닉스(spintronics)’다. 이는 전자의 전하뿐 아니라 스핀 특성을 활용해 정보를 저장하는 기술로, 전자의 스핀 방향이 디지털 정보의 ‘0’과 ‘1’을 나타낸다. 특히 전류가 흐르지 않는 자기절연체 기반 소자는 발열 손실이 적어 고효율 차세대 메모리로 주목받아 왔다.
그러나 기존 기술은 강한 전류를 흘려야만 스핀 방향을 바꿀 수 있어 에너지 소모가 컸다. 온도 변화를 활용한 방식도 제안됐지만, 온도가 원래 상태로 돌아가면 스핀 방향도 함께 되돌아가 비휘발성 구현에는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 ‘열 이력(thermal hysteresis)’ 현상을 이용해 해결했다. 연구진은 희토류 자성체인 가돌리늄 철 가넷(GdIG)과 홀뮴 철 가넷(HoIG)을 이중층 구조로 쌓아, 특정 온도 구간에서 서로 다른 자화 상태가 안정적으로 유지되는 ‘쌍안정성’을 구현했다. 이를 통해 한 번 바뀐 스핀 상태가 외부 조건 변화에도 쉽게 되돌아가지 않는 메모리 특성을 확보했다.
실험 결과 연구팀은 약 ±25K 범위의 온도 변화와 약한 자기장만으로 스핀 방향을 안정적으로 전환하는 데 성공했다. 또 기존 스핀궤도토크(SOT) 방식보다 최대 66배 적은 에너지를 사용했으며, 조건에 따라 최대 452배까지 에너지 절감 가능성이 있는 것으로 분석됐다.
진현규 POSTECH 교수는 “이번 연구는 온도 변화만으로 스핀 방향을 제어하고, 그 상태를 유지할 수 있음을 입증한 성과”라며 “AI 시대가 요구하는 초저전력 메모리 소자 개발의 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 삼성전자 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Develops ‘Ultra-Low Power Memory’ Technology That Uses Almost No Electricity
Next-generation memory technology capable of storing and maintaining information with minimal electricity consumption has been developed by Korean researchers. Having succeeded in implementing non-volatile memory that changes electron spin direction solely through temperature variations and maintains its state even when the power is off, this is being hailed as a new breakthrough for ultra-low power semiconductor technology in the era of artificial intelligence (AI).
POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced that this research, jointly conducted by a team led by Professor Jin Hyun-kyu of the Department of Mechanical Engineering and Integrated Graduate Student Kim Jun-seok with a team led by Professor Jeong Jong-yul and Dr. Kaoban Phuoc of the Department of Materials Science and Engineering at Chungnam National University, has been selected as an Inside Front Cover paper in the international materials science journal *Advanced Functional Materials*.
With the recent rapid growth of the AI industry, the ability to reduce power consumption—in addition to data processing speed—is emerging as a key competitive advantage. With large-scale data centers known to consume as much power as a small city, securing energy-efficient next-generation memory technology has emerged as a major challenge for the industry.
The technology the research team focused on is "spintronics." This is a technology that stores information by utilizing not only the electric charge but also the spin characteristics of electrons, where the direction of the electron's spin represents the "0" and "1" of digital information. In particular, magnetic insulator-based devices, which do not conduct current, have attracted attention as high-efficiency next-generation memory due to their low heat loss.
However, existing technologies consumed a significant amount of energy because they required a strong current to change the spin direction. Although methods utilizing temperature changes were proposed, there were limitations in achieving non-volatility because the spin direction reverted when the temperature returned to its original state.
The research team solved this problem by utilizing the phenomenon of "thermal hysteresis." The research team realized "bistability"—where different magnetization states are stably maintained within a specific temperature range—by stacking the rare-earth magnetic materials gadolinium iron garnet (GdIG) and holmium iron garnet (HoIG) in a double-layer structure. Through this, they secured memory characteristics where the spin state, once changed, does not easily revert to its original state even with changes in external conditions.
Experimental results showed that the research team successfully switched the spin direction stably using only a weak magnetic field and a temperature range of approximately ±25K. Furthermore, it consumed up to 66 times less energy than the conventional Spin Orbit Torque (SOT) method, and analysis indicated the potential for energy savings of up to 452 times depending on the conditions.
Professor Jin Hyun-kyu of POSTECH stated, "This research is an achievement that proves it is possible to control the spin direction and maintain that state solely through temperature changes," adding, "It will serve as a significant turning point in the development of ultra-low-power memory devices required by the AI era."
Meanwhile, this research was conducted with support from Samsung Electronics' Samsung Future Technology Development Project and the Ministry of Science and ICT's Nano Materials Technology Development Project.
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