초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 기존의 폰노이만 방식 컴퓨팅 기술을 넘어 미래 컴퓨팅 기술의 핵심소자로 활용 가능한 스핀오빗토크(spin-orbit torque: SOT) 기반 뉴로모픽 하드웨어 개발을 목표로 하고 연구 내용은 아래와 같음
○ SOT 기반 반강자성/강자성 구조의 멀티레벨 소자 개발
○ SOT 기반의 probabilistic-bit (p-bit) 소자 개발
○ 자구벽 이동을 이용한 뉴론/시냅스 모방 소자 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
1. SOT 기반 반강자성/강자성 구조의 멀티레벨

□ 연구개요
본 연구는 기존의 폰노이만 방식 컴퓨팅 기술을 넘어 미래 컴퓨팅 기술의 핵심소자로 활용 가능한 스핀오빗토크(spin-orbit torque: SOT) 기반 뉴로모픽 하드웨어 개발을 목표로 하고 연구 내용은 아래와 같음
○ SOT 기반 반강자성/강자성 구조의 멀티레벨 소자 개발
○ SOT 기반의 probabilistic-bit (p-bit) 소자 개발
○ 자구벽 이동을 이용한 뉴론/시냅스 모방 소자 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
1. SOT 기반 반강자성/강자성 구조의 멀티레벨 소자 개발
- 반강자성체/강자성체 기반 (IrMn/NiFe) 이중층 구조에서 SOT를 이용하여 교환결합의 방향을 최대 ±22° 제어함
- 이를 통해 교환결합의 방향을 전류 인가로 제어함을 보였고, 그 원인은 반강자성체에서 발생하는 스핀 전류로 계면의 uncompansated 자화를 제어하는 것임을 증명함
- 교환 결합의 방향을 여러단계로 제어할 수 있고, 이를 이용하여 멀티레벨 소자 가능성을 보임
2. SOT 기반의 probabilistic-bit (p-bit) 소자 개발
- NiFe/IrMn/CoFeB/Ta/CoFeB 구조에서 탈자화 공정을 통하여 면내 교환 결합의 stochastic한 분포를 만들었어 무자기장 SOT 스위칭 분극도 무작위로 배열시킴
- 소자의 Entropy 0.973 및 inter-Hamming distance 0.517의 값을 얻어 우수한 무작위성을 가지고 있음을 보임
- 단결정 Fe/Ti/CoFeB 구조에서 stochastic 스위칭을 구현하였고 외부자기장에 따라서 스위칭 확률이 시그모이달 곡선을 보이는 p-bit 소자를 개발함
3. 자구벽 이동을 이용한 뉴론/시냅스 모방 소자 개발
- Ta/Pt/Co/Ta/Pt 구조에서 전류 펄스를 반복적으로 인가하여 홀 저항을 가역적으로 제어하였고 이를 통하여 시냅스의 단기 가소성을 모방하였음
4. MTJ 소자 개발
- CoFeB/MgO/CoFeB 구조의 자기터널접합에서 자기저항 240% 이상을 확보하여 자화방향을 감지하는 소자로 활용 가능함
5. 위 연구결과로 Nature Electronics, Nature Communications, Advanced Materials를 포함 SCI 16편 게재하고 특허 6건 (국내 4건, 국외 2건)을 출원함

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
○ 본 연구에서는 다양한 구조에서 멀티레벨 거동을 보이는 스핀트로닉스 소자를 개발하여 스핀소재 기반 인공 시냅스 등의 뉴로모픽 컴퓨팅에 활용될 가능성을 보여줌
○ 또한, 반강자성체/강자성체 기반 삼중층 구조에서 외부 교류 자기장 인가를 통하여 교환 결합의 방향을 stochastic하게 분포하는 데에 성공하였고 이를 무자기장 스핀-궤도 토크 스위칭을 통하여 전기적 신호로 출력을 하였음
○ 단결정 강자성체/비장성체/강자성체 기반 삼중층 구조에서 자기장에 따라 시그모이덜 곡선을 그리며 스위칭 확률을 가지는 p-bit 소자를 개발하여 확률 컴퓨팅 분야에 응용이 될 것으로 예상이 됨
○ 사다리꼴 모양의 소자에서 전류인가를 통하여 자구벽을 움직여 이에 따른 홀 저항을 가역적으로 제어하는 데에 성공하였음
○ 이는 자구벽 기반 인공 스냅스 소자의 단기 가소성 특성을 모양한 것으로 스핀 소재 기반 뉴로모픽 소자의 응용가능성이 기대됨

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 9
• (1) SOT 기반 반강자성/강자성 구조의 멀티레벨 소자 개발 ... 9
• (2) SOT 기반의 probabilistic-bit (p-bit) 소자 개발 ... 11
• (3) 자구벽 이동을 이용한 뉴론/시냅스 모방 소자 개발 ... 14
• (4) MTJ 개발로 스핀기반 소자의 출력신호 증대 ... 15
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 목표 달성 수준 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 가. 과학·기술적 중요성 ... 17
• 나. 경제 산업적 중요성 ... 17
• 다. 산업지원 및 연구성과 활용 ... 17
• 라. 국내외 기술료 징수 현황 (기업화 완료 또는 기술실시계약 체결 시 기재) ... 17
• 마. 기업화 성과 (기업화 완료 또는 추진 중인 경우 반드시 기재) ... 18
• 바. 경제적 파급 효과 (지난 1년간 실적) ... 18
• 사. 향후 경제적 기대 효과 ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 19
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
• 붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 31
• 끝페이지 ... 45