KR101642478B1 - 자성 구조체의 자구벽 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자 - Google Patents
자성 구조체의 자구벽 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향에 나란한 제 1 방향으로 제 1 자기장 및 상기 자구의 자화방향에 나란한 제 2 방향으로 제 2 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및 상기 자성 구조체에 상기 제 1 방향의 역방향으로 제 3 자기장 및 상기 제 2 방향의 역방향으로 제 4 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있으며, 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향 및 상기 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및 상기 자성 구조체에 상기 자기장 방향의 역방향으로 또 다른 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있는 자성 구조체의 자구벽 제어 방법 및 상기 제어 방법에 따른 상기 자성 구조체를 포함하는 자기 메모리 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 자성체의 자화상태 평형이동에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자화상태를 균일하게 이동할 수 있는 자성 구조체의 자구벽 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구되며, 고용량의 정보를 저장할 수 있는 정보 저장매체에 관한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 일반적으로 정보 저장매체로 널리 사용되는 HDD는 읽기/쓰기 헤드와 정보가 기록되는 회전하는 매체를 포함하고 있으며, 100GB 이상의 고용량 정보가 저장될 수 있다. 그러나 HDD와 같이 회전하는 부분을 갖는 저장장치는 마모되는 경향이 있고, 동작시 오류가 발생할 가능성이 크기 때문에 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
최근에는 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용하는 새로운 데이터 저장 장치에 관한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 일반적으로 자성 구조체를 구성하는 자기적인 미소 영역을 자구(magnetic domain)라 한다. 하나의 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일한 특징을 지니고 있다. 자구의 크기 및 자화 방향은 자성 재료의 모양, 크기 및 외부의 에너지에 의해 적절히 제어될 수 있다. 자구벽은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계 부분을 나타내는 것이다. 자구벽은 자성 재료에 인가되는 자기장 또는 전류에 의해 이동될 수 있는 특징이 있다.
한편, 자성박막의 폭을 줄여서 리본형태의 구조를 만들면 폭방향으로는 자화상태가 일정하게 형성될 수 있고, 자구의 상태에 따라 "1" 또는 "0"에 대응시키면 메모리 소자로 이용이 가능하다. 이러한 형태의 메모리를 자구벽 레이스 트랙 메모리(magnetic domain wall racetrack memory)라고 부른다. 이 자구벽 레이스 트랙 메모리 소자의 작동을 위해서는 모든 자구벽이 한쪽 소자의 길이 방향으로 균일하게 이동하는 것이 필요한데, 자기장 또는 전류를 이용해 자구벽을 이동시킬 수 있으나, 최근 전류를 흘려서 자구벽을 이동시키는 방법에 대한 연구가 많이 이루어졌다.
그러나 자구벽을 이동시킬 정도의 전류를 메모리 소자에 흘리면 전류에 의해 발생하는 줄 열(Joule heating)에 의해 온도 증가 문제가 심각해져 상기 메모리 소자를 파괴시킬 정도에 이른다. 또, 외부에서 균일하게 인가되는 자기장을 이용하면 자구벽의 이동이 가능하지만 자구벽이 한쪽 방향으로 균일하게 가지 않고, 멀어지거나 가까워지는 운동만하기 때문에 사용이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 최근 자기장을 이용한 다른 방법도 제안되었다. 소자에 한쪽 방향으로만 자구벽이 잘 이동하도록 방향성을 주는데, 주로 비대칭적인 톱니모양의 구조의 소자를 만들거나 후 처리를 통해 소자에 자구벽 이동의 방향성을 결정해 준다. 이러한 비대칭적인 시료에 자기장의 방향이 양의 방향 또는 음의 방향으로 계속적으로 변화하도록 자기장을 인가하면, 자구벽은 왕복운동을 하면서 한쪽방향으로 이동한다. 이러한 방법은 소자에 방향성을 주기 위해 복잡한 공정이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 전류로 제어하지 않으며, 자구벽 이동의 왕복대칭성을 깨기 위한 복잡한 구조가 필요하지 않으며, 방향이 서로 다른 자기장을 교대로 인가하여 자구벽을 균일하게 이동시킬 수 있는 자성 구조체의 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향에 나란한 제 1 방향으로 제 1 자기장 및 상기 자구의 자화방향에 나란한 제 2 방향으로 제 2 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및 상기 자성 구조체에 상기 제 1 방향의 역방향으로 제 3 자기장 및 상기 제 2 방향의 역방향으로 제 4 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다.
또한, 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향 및 상기 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및 상기 자성 구조체에 상기 자기장 방향의 역방향으로 또 다른 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다.
상기 자성 구조체가 수직자기이방성을 가지는 경우, 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽은 상기 자구벽의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동될 수 있다.
상기 자성 구조체가 수평자기이방성을 가지는 경우, 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽은 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동될 수 있다.
상기 자구벽은, 상기 자성 구조체의 종류에 따라 상기 자화방향이 결정됨으로써, 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동이 가능할 수 있다.
상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽 간의 이격거리를 일정하게 유지하면서 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다.
상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계를 교대로 반복 수행함으로써, 상기 자성 구조체의 자화상태를 일정한 거리만큼 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다.
상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 수직일 수 있다.
상기 제 1 자기장 또는 상기 제 3 자기장은, 상기 자구벽의 자화방향과 나란한 성분으로, 상기 자구벽들의 에너지 차이가 발생됨으로써 상기 자구벽의 이동 속도를 제어할 수 있다.
상기 제 2 자기장 또는 상기 제 4 자기장은, 상기 자구의 자화방향과 나란한 성분으로, 상기 자구들의 크기 차이가 발생됨으로써 상기 자구벽의 이동 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 자기 메모리 소자는 상기 자성 구조체의 자구벽 제어방법에 따른 상기 자성 구조체를 포함할 수 있다.
상기 자성 구조체는 리본 형태, 라인형태 또는 박막 형태 중 어느 하나를 가질 수 있다.
상기 자성 구조체와 연결된 데이터 기록 소자 및 읽기 헤드를 더 포함하고, 상기 데이터 기록 소자 및 상기 읽기 헤드에 의하여 상기 데이터를 기록하거나 삭제할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기 메모리 소자에 가해지는 전류로 인해 발생되는 줄 열에 의한 자기 메모리 소자의 파괴없이, 자기장의 인가되는 방향만을 제어하여 자구벽을 균일하게 이동시킬 수 있다.
또한, 소자 자체가 자구벽 이동의 방향성을 결정하지 않으며, 구조가 간단한 자성 구조체의 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
일반적으로 강자성 구조체는 인접한 자기모멘트들이 서로 나란하게 정렬하려는 성질을 가진 물질을 말하며, 강자성 구조체를 수나노미터 정도의 두께를 가지는 박막으로 만들고 자성층의 위 또는 아래에 다른 물질을 적층하면 수직 자성을 가지는 자성박막을 만들 수 있다.
또한, 상기 자성박막의 위에서 보았을 때, N극 또는 S극으로 정렬되어 있는 영역을 자구(magnetic domain)라 하고, 자화방향이 서로 다른 자구 사이에는 자구벽(domain wall)이 형성되게 된다. 자구벽은 예를 들어, 자기장과 전류의 두 가지 구동력에 의해 이동되는데, 자기장으로 이동하는 자구벽의 속력은 작은 자기장 영역에서 크립(creep)이라는 범주에 속한다. 그리고 전류에 의한 자구벽의 이동 속력 역시 자기장일 때와 마찬가지로 크립의 범주에 속하며, 자구벽의 속력은 전류방향에 대한 자구벽의 기울기에 크게 의존한다. 최근 전류에 의한 자구벽 이동현상을 이용한 다양한 응용가능성들이 제시되었으며, 예를 들면, 나노선구조를 기반으로 하는 자구벽 메모리 소자(domain wall race track memory)가 대표적이다.
한편, 상대적으로 긴 시간에서 자구벽 이동을 관찰할 경우, 전류로 이동하는 자구벽은 전류에 의해 발생하는 줄열에 의해 소자가 파괴되거나 시간이 지날수록 자구벽의 속력이 급격하게 감소하게 된다.
또한, 최근 자기장을 이용한 다른 방법은 소자에 한쪽 방향으로만 자구벽이 잘 이동하도록 방향성을 주는데, 주로 비대칭적인 톱니모양의 구조의 소자를 만들거나 후 처리를 통해 소자에 자구벽 이동의 방향성을 결정해 준다. 이러한 비대칭적인 시료에 자기장의 방향이 양의 방향 또는 음의 방향으로 계속적으로 변화하도록 자기장을 인가하면, 자구벽은 왕복운동을 하면서 한쪽방향으로 이동한다. 이러한 방법은 소자에 방향성을 주기 위해 복잡한 공정이 필요하다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명은, 소자 자체가 자구벽 이동의 방향성을 결정하지 않으며, 구조가 간단한 자성 구조체의 자구벽 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 1을 참조하면, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법은 다수의 자구 및 자구벽을 구비하는 자성 구조체에 상기 자구벽의 자화방향에 나란한 제 1 방향으로 제 1 자기장 및 상기 자구의 자화방향에 나란한 제 2 방향으로 제 2 자기장을 인가하는 제 1 단계(S100), 자성 구조체에 제 1 방향의 역방향으로 제 3 자기장 및 제 2 방향의 역방향으로 제 4 자기장을 인가하는 제 2 단계(S200) 및 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 교대로 반복 수행함으로써, 자성 구조체의 자구벽을 일정한 거리만큼 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시키는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 단계(S100)와 상기 제 2 단계(S200)은 본 발명의 일 실시예로써, 자성 구조체의 자구벽을 이동하고자 하는 방향에 따라 상기 제 1 방향은 상기 제 1 방향의 역방향이 되고, 상기 제 2 방향은 상기 제 2 방향의 역방향이 될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2를 참조하면, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법은 다수의 자구 및 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향 및 상기 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 자기장을 인가하는 제 1 단계(S110), 자성 구조체에 상기 자기장 방향의 역방향으로 또 다른 자기장을 인가하는 제 2 단계(S210) 및 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 교대로 반복 수행함으로써, 자성 구조체의 자구벽을 일정한 거리만큼 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시키는 단계(S310)를 포함할 수 있다.
자성 구조체의 자구벽 제어 방법에 대한 상세한 설명은 도 3a 내지 도 3d, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하여 후술한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 자성 구조체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 강자성 구조체는 인접한 자기 모멘트들이 서로 나란하게 정렬 하려는 성질을 가진 물질이며, 강자성 구조체를 수 나노미터 정도의 두께를 가지는 박막으로 만들고, 서로 다른 성분을 갖는 물질을 적층하면, 수직 자성 또는 수평 자성을 갖는 자성 구조체(1)를 만들 수 있다. 예를 들면, 자성 구조체(1)는 리본 형태, 라인 형태 또는 박막 형태 중 어느 하나를 가질 수 있다. 상기 수직 자성을 갖는 자성 구조체를 수직자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)라고 할 수 있다. 여기서, 수직자기이방성이란 자화방향이 자성 구조체(1)의 상부면을 기준으로 면방향에 뚫고 나오거나 들어가거나 둘 중 하나의 자화상태를 취하게 된다. 즉, 자성 구조체(1)의 상부에서 보면 N극(11) 또는 S극(21) 중 어느 하나를 볼 수 있다.
자성 구조체(1)의 면 위에서 보았을 때, N극(11)으로 정렬되어 있는 부분 또는 S극(21)으로 정렬되어 있는 영역을 자구(magnetic domain)라고 부른다. 예를 들면, 각각을 업자구(업도메인, N극이 위로 서있고, S극이 아래에 있는 경우), 다운자구(다운도메인, S극이 위로 서있고, N극이 아래에 있는 경우)라 부를 수 있다. 자구(10, 20)는 자화상태가 균일하게 정렬되어 있는 영역을 의미한다.
자화 방향이 서로 다른 두 개의 자구(10,20) 사이에는 자구벽(15, domain wall)이 형성될 수 있다. 자구벽(15)에서 자화방향은 한쪽 자구(10,20)의 자화방향에서 다른 자구(10,20)의 자화방향으로 점진적으로 변화할 수 있다. 일반적으로는 자화방향의 변화는 수십 나노미터의 길이에서만 일어난다고 알려져 있다. 즉, 자구벽(15)의 폭은 수십 나노미터 크기이다.
한편, 자성 구조체(1)에 자구벽(15)이 존재할 때, 자석(30)을 이용하여 상기 자성 구조체(1)에 업 또는 다운 방향의 균일한 외부 자기장(31)을 인가하면 자구벽(15)이 이동할 수 있다. 예를 들어, 업 자기장이 인가되면 제 1 자구(10)들의 에너지가 제 2 자구(20)들의 에너지보다 안정적이기 때문에 제 2 자구(20)들이 제 1 자구(10)로 변화하려는 힘을 받게 된다. 이러한 변화는 자구벽(15)에서 쉽게 작용하는데 이를 통해 자구벽(15)이 이동하고 각 자구가 확장 또는 수축하게 된다. 이 때, 자성 구조체(1)의 물질에 따라 자화방향이 결정된다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20) 사이에는 반드시 자구벽(15)이 존재하게 되는데, 자구벽(15)의 중심에서 자화방향은 자성 구조체(1)의 면에 수평하게 눕혀질 수 밖에 없다. 그 이유는 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20)의 자화상태가 연속적인 회전을 통해 연결되어야 하기 때문이다. 도 3b의 경우는 블로흐 타입이며, 도 3c의 경우는 닐 타입을 도시한 도면이다. 최근 DMI(Dzyaloshinskii-Moriya interaction, 좔로신스키-모리야 영향)에 의해 자구벽(15)의 자화방향이 일정한 방향성을 선호하는 것이 밝혀지고, DMI 계수의 부호에 따라 도 3c에 도시된 것과 같이, 수직자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)의 종류, 즉, 물질의 특성에 따라서, 두 개의 닐 타입 자구벽 중 어느 한 개를 형성하게 된다. 이러한 자구벽의 자화형태 결정은 수평자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)의 경우도 마찬가지이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서 자구(10,20)의 자화방향 및 자구벽(15)의 자화방향과 소정의 각도를 갖고 비스듬하게 기울어진 외부 자기장(31)을 상기 자성 구조체(10)의 면방향의 위쪽(양의 방향)과 면방향의 아래쪽(음의 방향)으로 교대로 번갈아 인가할 경우, 자성 구조체(1)의 종류에 의해 자성 구조체(1)의 자구벽(15)은 상기 외부 자기장(31)에 의해 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 이동이 가능하다.
도 3d를 참조하면, DMI의 영향에 의해 선소자 형태의 자성 구조체(1)에 다수의 자구(10, 20) 및 자구벽(15)들이 형성될 수 있다. 형성된 자구벽(15)은 DMI 계수에 의해 선소자 형태의 자성 구조체(1)의 길이방향으로 자화상태를 가지는데, 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20) 또는 제 2 자구(20)와 제 1 자구(10)에 따라서 외부 자기장(31) 방향에 평행 또는 반평행하게 될 수 있다. 따라서 자성 구조체(1)의 길이 방향에 나란한 방향으로 균일한 외부 자기장(31)을 걸어주면 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20) 사이의 자구벽(15)과 제 2 자구(20)와 제 1 자구(10) 사이에 존재하는 자구벽(15) 간에 에너지 차이가 발생하게 된다. 자구벽(15)의 자화방향이 외부 자기장(31)에 평행할수록 안정적이고 에너지가 낮아지게 되고, 반대의 경우는 불안정해지고 에너지가 높아지게 된다.
또한, 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20)는 모두 수평 자기장에 수직이므로 두 자구의 에너지 차이가 없기 때문에 수평자기장은 자구벽(15)을 이동시킬 수 없으며, 수평자기장에 의한 자구벽(15)의 확장과 수축도 일어나지만 그 크기가 수나노미터 이하의 미미한 수준이다. 크리프 법칙(creep law)에 의하면, 자구벽(15)의 속력은 수직자기장의 세기가 셀수록 빨라지며, 자구벽(15)의 이동 방향은 수직자기장과 나란한 방향의 자구가 확장하는 방향으로 이동될 수 있다. 자구벽(15)의 에너지가 낮을수록 자구벽(15)의 이동 속력이 빨라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 4의 (a)와 도 4의 (b)를 참조하면, 에너지가 낮은 자구벽(15)은 빨리 이동하고, 에너지가 높은 자구벽(15)은 상대적으로 천천히 이동하기 때문에, 예를 들어, 수직 이방성을 갖는 자성 구조체(1)에 수평한 제 1 방향으로 제 1 자기장(31a)을 걸어주고, 추가로 수직한 제 2 방향으로 제 2 자기장(31b)을 업방향으로 주게 되면 제 1 자구(10)가 확장함에 따라 제 1 자구(10)의 양쪽에 배치된 자구벽(15)이 비대칭적으로 이동하게 된다. 여기서, 제 1 자기장이 갖고 있는 벡터 성분이 제 1 방향인 것을 뜻하며, 제 2 자기장이 갖고 있는 벡터 성분은 제 2 방향인 것을 뜻한다.
도 4의 (b)와 도 4의 (c)를 참조하면, 자성 구조체(1)의 자구벽(15)을 한 번 이동시킨 다음 제 2 방향의 역방향으로 각각 제 4 자기장(31d)을 인가하면, 처음과 반대로 제 2 자구(20)가 확장하며 자구벽(15)은 처음과 반대방향으로 이동하게 된다. 그러나 제 3 자기장(31c)의 방향이 제 1 방향의 역방향으로 바뀌어 있으므로 자구벽(15)의 이동거리는 처음과 다르다. 여기서, 제 3 자기장이 갖고 있는 벡터 성분이 제 1 방향의 역방향인 것을 뜻하며, 제 4 자기장이 갖고 있는 벡터 성분은 제 2 방향의 역방향인 것을 뜻한다.
자성 구조체(1)에 처음과 동일한 제 1 방향과 제 2 방향으로 제 1 자기장(31a)과 제 2 자기장(31b) 및 또 다시 상기 제 1 방향과 제 2 방향의 반대방향으로 제 3 자기장(31c)과 제 4 자기장(31d)를 인가하게 되면, 최종적으로 자구벽(15)의 위치는 처음의 위치에서 균일하게 한쪽 방향으로 이동하거나 자구벽(15) 간에 이격거리를 일정하게 유지하면서 한쪽 방향으로 계속이동하게 된다. 여기서, 제 1 자기장과 제 2 자기장은 서로 수직일 수 있으며, 제 3 자기장과 제 4 자기장도 서로 수직일 수 있다.
따라서 수직자기이방성 또는 수평자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)의 초기의 자화상태와 외부 자기장(31)에 의해 변화된 자성 구조체(1)의 최종 자화상태를 비교하면, 자성 구조체(1)의 자구벽(15)들이 외부 자기장(31)의 방향을 교대로 반복 인가함에 따라, 인가된 외부 자기장(31)의 수평성분 방향으로 균일하게 이동될 수 있다. 상기 수평성분 방향은 자성 구조체(1)의 종류에 의해 결정된 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향 중 어느 한 방향을 갖고 상기 자구벽(15)이 이동될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 수직자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)에서 임의의 형태를 가지는 자구벽(15)에 자성 구조체(1)의 면방향(x축-y축 방향)에 대한 수직방향과 소정의 각도를 갖고 비스듬하게 기울어진 외부 자기장(31)을 인가하면, 예를 들어, y축과 z축의 범위 내에서 비스듬하게 기울어진 방향(자구벽의 자화방향 및 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 방향)으로 제 5 자기장(31e)을 인가하면, 자성 구조체(1) 내에 형성된 자구들의 에너지 차이에 의해 제 1 자구(10) 또는 제 2 자구(20)의 확장 또는 축소가 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 제 1 자구(10) 및 제 2 자구(20) 사이에 개재된 자구벽(15)이 비대칭적으로 이동하게 된다.
이와는 반대로 자구벽(15)이 이동된 상기 자성 구조체(1)에 상기 제 5 자기장 방향의 역방향으로 제 6 자기장(31f)을 인가하게 되면, 자구벽(15)이 이동되는 반대 방향으로 다시 되돌아가려고 하지만, 제 5 자기장(31e)의 초기 수평 성분(y축 방향)에 의해 자구벽(15)이 기존에 이동되는 거리보다 상대적으로 더 짧게 이동하게 된다.
결과적으로 상기 자성 구조체(1)에 외부 자기장(31)을 정방향과 상기 정방향의 역방향으로 한 주기를 반복하여 인가할 경우, 초기 자성 구조체(1)의 자화상태에서 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향과 나란한 방향(여기서, 수직자기이방성을 갖는 자성 구조체이므로 자구벽의 자화방향인 y축 방향)으로 자화상태가 일정한 간격을 유지하면서 이동될 수 있다. 여기서 인가되는 외부 자기장(31)은 수평벡터의 성분 및 수직벡터의 성분을 모두 가질 수 있다.
즉, 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향 및 상기 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 자기장을 인가하는 단계; 및 상기 자성 구조체에 상기 자기장의 역방향으로 또 다른 자기장을 인가하는 단계;를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다. 여기서, 상기 자기장은 상기 제 5 자기장(31e)에 대응되며, 상기 또 다른 자기장은 상기 제 6 자기장(31f)에 대응된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 구조체의 자구벽 제어 방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도 6의 (a)와 도 6의 (b)를 참조하면, 수평자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)는 자구(10, 20)의 자화방향과 자구벽(15, 수평선소자의 경우, 트랜스버스 월(transverse domain wall)이라 함. 이하, 자구벽)의 자화방향은 각각 x축-y축 상에 놓이게 된다. 먼저, 상기 자성 구조체(1)에 제 5 자기장(31e)을 인가할 수 있다. 인가된 제 5 자기장(31e)에 의해 각 제 1 자구(10)는 확장할 수 있고, 제 2 자구(20)는 수축할 수 있다. 제 5 자기장(31e)은 자구벽(15)의 자화방향의 벡터 성분과 자구(10, 20)의 자화방향의 벡터 성분 두 가지를 모두 가질 수 있다. 상기 제 5 자기장(31e)의 방향은 자구벽(15)의 자화방향으로부터 자구(10, 20)의 자화방향으로 소정의 각도를 갖고 비스듬하게 기울어진 것 또는 상기 자구벽(15)의 자화방향 및 상기 자구(10, 20)의 자화방향과 각각 나란하지 않은 것을 이용할 수 있다.
도 6의 (b)와 도 6의 (c)를 참조하면, 제 5 자기장(31e)의 역방향으로 제 6 자기장(31f)을 인가하게 되면, 확장 또는 수축되었던 제 1 자구(10)와 제 2 자구(20)들이 다시 원래대로 돌아가려고 하지만, 자구벽(15)들의 에너지 차이에 의해 그 이동 거리가 처음과 다르고, 수평자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)의 경우는, 자구(10, 20)의 자화방향에 따라 자구벽(15)들이 균일하게 이동하게 된다.
다시 말하면, 도 4 및 도 5의 수직자기이방성을 갖는 자성 구조체(1)를 예로 들어 상술한 것과 같이, 자기장 또는 또 다른 자기장을 교대로 번갈아 인가하게 되면, 각 자구(10, 20)의 크기 및 자구벽(15)들간의 에너지 차이가 발생됨에 따라 자구벽(15)들은 처음 자화상태의 위치로 이동될 수 없고, 그 위치가 변하게 된다. 따라서 상기 자기장 또는 또 다른 자기장을 자성 구조체(1)에 교대로 계속 인가하게 되면, 자구벽(15)을 일정한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있다. 여기서, 상기 자기장은 상기 제 5 자기장(31e)에 대응되며, 상기 또 다른 자기장은 상기 제 6 자기장(31f)에 대응된다.
한편, 상기 자기장 또는 또 다른 자기장은 x-y평면 상에 인가되고, 최종적으로 이동되는 자구벽(15)의 방향은 상기 자구(10, 20)의 자화방향 즉, +x 또는 -x 둘 중 하나로 이동될 수 있다. 만약, 인가되는 자기장 또는 또 다른 자기장이 x-z평면 또는 z-y평면 상에 존재하게 되면, 자구벽(15)을 이동시킬 수 없게 된다.
상술한 내용을 토대로 외부 자기장에 의해 쉽게 제어가 가능한 자성 구조체는, 전류에 의한 줄열에 의한 소자의 파괴를 피할 수 있다. 또, 자성 구조체에 일정한 이동방향을 주기 위해서, 톱니모양과 같은 복잡한 형상의 자성 구조체를 제조하지 않아도 되며, 외부 자기장 만으로 간단하게 자성 구조체의 자화상태를 제어할 수 있어, 자기 메모리 소자(미도시)에도 쉽게 적용할 수 있다.
또한, 자성 구조체의 형태는 리본 형태, 라인 형태 또는 박막 형태 중 어느 하나를 가질 수 있으며, 자성 구조체와 연결된 데이터 기록 소자 및 읽기 헤드를 포함하여, 데이터를 기록하거나 읽고, 삭제할 수 있는 구조가 간단한 자기 메모리 소자를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 수직자기이방성 또는 수평자기이방성을 갖는 자성체에 존재하는 자구벽 및 자구의 자화방향과 소정의 각도를 갖고 약간 기울어진 외부 자기장을 인가하고, 상기 외부 자기장의 방향을 반복적으로 변화시켜 상기 자성 구조체에 인가함으로써, 각 자성 구조체의 종류에 따라 자화상태를 자구벽의 자화방향 또는 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 평행 이동시킬 수 있다.
이러한 현상은 자성선소자에 존재하는 자구벽에만 국한되지 않고, 박막에서 임의의 형태를 가지는 자구벽에도 적용될 수 있다. 이러한 기술을 응용하여 개발되는 메모리소자를 포함한 모든 자성소자에 적용 가능하다.
한편, 자기 메모리 소자를 장시간 운용함에 있어서, 일정한 속력으로 자구벽을 이동시킬 수 있으므로 매우 안정적이며, 정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구되는 자기 메모리 소자를 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 : 자성 구조체 10 : 제 1 자구
11 : N극 15 : 자구벽
20 : 제 2 자구 21 : S극
30 : 자석 31 : 외부 자기장
31a : 제 1 자기장 31b : 제 2 자기장
31c : 제 3 자기장 31d : 제 4 자기장
31e : 제 5 자기장 31f : 제 6 자기장
11 : N극 15 : 자구벽
20 : 제 2 자구 21 : S극
30 : 자석 31 : 외부 자기장
31a : 제 1 자기장 31b : 제 2 자기장
31c : 제 3 자기장 31d : 제 4 자기장
31e : 제 5 자기장 31f : 제 6 자기장
Claims (13)
- 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향에 나란한 제 1 방향으로 제 1 자기장 및 상기 자구의 자화방향에 나란한 제 2 방향으로 제 2 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및
상기 자성 구조체에 상기 제 1 방향의 역방향으로 제 3 자기장 및 상기 제 2 방향의 역방향으로 제 4 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써,
상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 다수의 자구 및 상기 자구 사이에 개재된 자구벽을 구비하는 자성 구조체에, 상기 자구벽의 자화방향 및 상기 자구의 자화방향과 각각 나란하지 않은 자기장을 인가하는 제 1 단계; 및
상기 자성 구조체에 상기 자기장 방향의 역방향으로 또 다른 자기장을 인가하는 제 2 단계;를 포함하여 수행함으로써,
상기 자구벽을 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성 구조체가 수직자기이방성을 가지는 경우,
상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽은 상기 자구벽의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동되는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성 구조체가 수평자기이방성을 가지는 경우,
상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써, 상기 자구벽은 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동되는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자구벽은,
상기 자성 구조체의 종류에 따라 상기 자화방향이 결정됨으로써, 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동이 가능한, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 포함하여 수행함으로써,
상기 자구벽 간의 이격거리를 일정하게 유지하면서 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있는, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계를 교대로 반복 수행함으로써, 상기 자성 구조체의 자화상태를 일정한 거리만큼 상기 자구벽의 자화방향 또는 상기 자구의 자화방향과 나란한 방향으로 균일하게 이동시킬 수 있는, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 수직인, 자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자구벽의 자화방향과 나란한 성분인 상기 제 1 자기장 또는 상기 제 3 자기장을 상기 자성 구조체에 인가함에 따라,
상기 자구벽 및 상기 자구벽과 인접한 다른 자구벽 간의 에너지 차이가 발생됨으로써 상기 자구벽의 이동 속도를 제어할 수 있는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자구의 자화방향과 나란한 성분인 상기 제 2 자기장 또는 상기 제 4 자기장을 상기 자성 구조체에 인가함에 따라,
상기 자구 및 상기 자구와 인접한 다른 자구의 크기 차이가 발생됨으로써 상기 자구벽의 이동 속도를 제어할 수 있는,
자성 구조체의 자구벽 제어 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 의한, 상기 자성 구조체의 자구벽 제어방법에 따른 상기 자성 구조체를 포함하는, 자기 메모리 소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 자성 구조체는 리본 형태, 라인형태 또는 박막 형태 중 어느 하나를 가지는, 자기 메모리 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 자성 구조체와 연결된 데이터 기록 소자 및 읽기 헤드를 더 포함하고, 상기 데이터 기록 소자 및 상기 읽기 헤드에 의하여 상기 데이터를 기록하거나 삭제할 수 있는, 자기 메모리 소자.
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