KR101381853B1 - 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 주기적으로 배열된 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체들을 포함하며, 상기 자성 박막 구조체들 중 신호출력 자성 박막 구조체를 기준으로 적어도 양측 이상에 배열된 신호주입 자성 박막 구조체에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 이웃한 신호출력 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발시킬 경우 상기 신호출력 자성 박막 구조체에서 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 고집적 대용량 저전력 디바이스 상에서 자성 박막 구조체를 이용한 논리 회로를 구현함으로써, 누설전류 없이 작은 에너지로도 동작이 가능하도록 하기 위한 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법에 관한 것이다.
최근 휴대전화나 태블릿 등의 모바일 기기와 같은 휴대용 기기의 사용이증가함에 따라 메모리, 논리소자 등에서 소형화, 고집적화 및 저전력 소모를 목표로 기술 발전이 이뤄지고 있다. 현재의 논리 연산 소자는 실리콘 반도체 기반의 전계 효과 트랜지스터로 구성되며 전자의 흐름을 정보 단위로 사용한다.
그러나 실리콘 반도체 기반의 트랜지스터는 소형화에 따라 절연막에서의 누설 전류 증가, 도선간의 간섭 및 단락 발생 등의 문제가 발생할 것으로 예상된다. 이러한 문제의 근본적인 해결을 위해 전자, 즉 전하의 이동에 의한 정보 처리 방법에서 탈피하여 전자가 가지고 있는 양자적 특성인 스핀을 이용한 정보 처리 방법에 대한 연구가 수행되고 있다. 예를 들어, 단자구(single domain) 형태의 소형 나노 자성 박막 구조체를 이용한 자기 양자 셀 방식 자동장치(MQCA) 소자와 정보의 전달과 처리에 자성체에서 발생된 스핀파를 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다. 단자구를 이용하는 경우 정보의 기록을 위해 단자구의 자화 방향을 반전(switching) 시키기 위한 보자력(coercivity)을 필요로 하기 때문에 적지 않은 전력 소모가 필요하다. 또 스핀파를 이용한 정보 처리 기술의 경우, 신호 발생을 위해 수십 기가 헤르쯔의 높은 고주파 신호를 필요로 해 제약이 있을 뿐 아니라 그 신호 세기가 너무 작아 종래의 기술을 이용해 이를 읽어내는데 한계가 있다. 따라서 본 발명에서는 기존의 실리콘 반도체 기반의 정보 처리 방법론에서 벗어나며, 종래의 기술을 이용해 보다 용이하게 신호를 주입하고 출력할 있는 새로운 논리 연산 방법을 제공하고자 한다.
한편, 도 1은 종래의 실리콘 기반의 트랜지스터의 축소에 따른 전력 소모가 증가하는 것을 도시한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 현재 반도체 기반의 트랜지스터는 정보 전달의 매개체로 전자의 흐름을 이용하는데, 소자의 크기가 줄어들면서 누설 전류의 문제를 일으킨다는 것을 알 수 있다. 이는 이에 기반한 논리 소자의 소형화 및 고효율화에 걸림돌이 되고 있으며, 나아가 고집적 디바이스의 구현을 어렵게 하고 있다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 직접적 매개체로 전자의 흐름을 이용한 논리 소자의 문제점을 해결하기 위해 자성체를 이용한 소자로 이를 대체하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 누설전류를 스티어링하는 동적논리회로(특허출원번호 제10-1995-0050302호)
2. 반도체 집적회로(특허출원번호 제10-1998-0023054호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용함으로써 적은 전력으로 쉽게 신호를 발생시키고 전자의 흐름이 아닌 자성체의 자화 구조 변화로 해결이 가능한 고집적 대용량 저전력 디바이스의 구현이 가능하도록 하며 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체들을 포함하며, 상기 자성 박막 구조체들 중 신호출력 자성 박막 구조체를 기준으로 적어도 양측 이상에 배열된 신호주입 자성 박막 구조체에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 이웃한 신호출력 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발시킬 경우 상기 신호출력 자성 박막 구조체에서 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 신호출력 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동 유무에 따라 정보 출력 유무를 판독하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 신호출력 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동 유무를 시간에 따른 핵의 위치 변화에 따른 자기저항값의 변화를 측정하여 상기 신호주입 자성 박막 구조체를 통해 전달된 신호 출력 유무를 판독하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 상기 자성 박막 구조체들은, 상기 홀수(2n+1, n은 1 이상의 자연수)로 형성되며, 상기 신호출력 자성 박막 구조체는, 상기 홀수의 자성 박막 구조체들 중 중앙에 배열되며, 상기 신호주입 자성박막은, 상기 신호출력 자상박막의 배열을 기준으로 최외각의 양쪽에 각각 배열된 자성박막인 제 1 신호주입 자성박막 및 제 2 신호주입 자성박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 하나로만 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되고 상기 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 상기 제 2 신호주입 자성박막의 수직 자화 방향이 같은 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되어 신호가 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 모두에 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되거나 주입되지 않은 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되지 않아 신호가 출력되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 적어도 어느 하나에 대해 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되고, 상기 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 상기 제 2 신호주입 자성박막의 수직 자화 방향이 다른 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되어 신호가 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 모두에 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되지 않은 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되지 않아 신호가 출력되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 신호주입 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 상기 신호 주입 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시킴에 의한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 상기 신호주입 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 자기장 또는 전류를 인가함에 의한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자기장을 인가하는 방법은 선형 자기장, 펄스 자기장 또는 편향 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 전류를 인가하는 방법은 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체들의 자기소용돌이 핵의 자화 방향은 동일 또는 주기적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체들의 자기소용돌이 핵의 자화 방향은 자성 박막 구조체에 전류 또는 자기장을 인가하여 상기 자기소용돌이 핵을 임계속도 이상으로 회전시킴에 의해 전환되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자기소용돌이 핵의 자화 방향을 전환시키기 위하여 인가되는 전류 및 자기장은 각각 원형광 전류 및 원편광 자기장인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체들의 자기소용돌이 수평성분의 회전 방향은 동일 또는 주기적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체의 재료, 형상, 두께 및 직경 중 적어도 하나가 주기적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금, 철-니켈-몰리브덴 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 상기 자성 박막 구조체들은 원형, 타원형, 다각형 및 고리형으로 이루어진 군에서 선택되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자는, 상기 자성 박막 구조체들은 선형, 평면형 또는 입체형으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법은, 작은 에너지로도 쉽게 출력 신호를 발생시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법은, 매개의 직접적인 이동을 이용한 방식이 아니기 때문에 종래의 고집적 대용량 저전력 디바이스의 구현시 내부 소자의 누설 전류의 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 방법은, 감쇄상수가 작은 지닌 자성체를 이용하여 에너지 전달시 에너지 소모를 줄일 뿐만 아니라, 인가되는 자기소용돌이 핵의 자화 방향(polarity) 및 수평 자화 성분의 회전 방향(chirality)을 조절하여 다양한 논리연산이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 논리 소자의 축소에 따른 전력 소모 증가를 설명하기 위한 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에서의 자성 박막 구조체 어레이를 나타낸 도면이다.
도 3은 핵의 자화 방향(polarity) 및 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분한 자기소용돌이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 자기소용돌이 핵의 위치 변화에 따라 유도되는 유효 자화(effective magnetization)와 이에 따른 자성박막 외부에 형성되는 표유 자계(stray magnetic field) 분포를 보여주는 도면이다.
도 5는 두 개의 자기소용돌이 형태의 자성 박막 구조체가 이웃할 때 자기소용돌이의 운동이 전파되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2와 같은 구조의 자성 박막 구조체 어레이에서 편향 자기장을 인가하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 자성 박막 구조체에 편향 자기장을 인가하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 원편향 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 수직 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 자성 박막 구조체를 통해 전달된 신호를 출력하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 12a는 고정층이 자기소용돌이 형태를 갖는 경우를 나타내고, 도 12b는 고정층이 단일 자구 형태를 갖는 경우를 나타낸다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자가 구동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 수직 자화 방향을 고려한 논리표를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 수직 자화 방향에 따른 XOR 논리회로와 OR 논리회로 구분되는 것은 도표화한 도면이다.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체에 최초의 신호 주입으로 자기장이 인가시 자기장 인가가 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우에 신호출력 자성 박막 구조체로의 신호 출력 여부를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체에 최초의 신호 주입으로 자기장이 인가시 자기장 인가가 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우에 형성되는 표유 자계(stray magnetic field) 분포를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에서의 자성 박막 구조체 어레이를 나타낸 도면이다.
도 3은 핵의 자화 방향(polarity) 및 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분한 자기소용돌이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 자기소용돌이 핵의 위치 변화에 따라 유도되는 유효 자화(effective magnetization)와 이에 따른 자성박막 외부에 형성되는 표유 자계(stray magnetic field) 분포를 보여주는 도면이다.
도 5는 두 개의 자기소용돌이 형태의 자성 박막 구조체가 이웃할 때 자기소용돌이의 운동이 전파되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2와 같은 구조의 자성 박막 구조체 어레이에서 편향 자기장을 인가하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 자성 박막 구조체에 편향 자기장을 인가하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 원편향 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 수직 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 자성 박막 구조체를 통해 전달된 신호를 출력하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 12a는 고정층이 자기소용돌이 형태를 갖는 경우를 나타내고, 도 12b는 고정층이 단일 자구 형태를 갖는 경우를 나타낸다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자가 구동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 수직 자화 방향을 고려한 논리표를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 수직 자화 방향에 따른 XOR 논리회로와 OR 논리회로 구분되는 것은 도표화한 도면이다.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체에 최초의 신호 주입으로 자기장이 인가시 자기장 인가가 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우에 신호출력 자성 박막 구조체로의 신호 출력 여부를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자에 있어서, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체에 최초의 신호 주입으로 자기장이 인가시 자기장 인가가 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우에 형성되는 표유 자계(stray magnetic field) 분포를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자를 구성하는 자성 박막 구조체의 배열구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 논리 소자는 주기적으로 배열된 자기소용돌이 구조를 갖는 3개 이상의 자성 박막 구조체들을 포함하며, 자성 박막 구조체들 중 신호주입 자성 박막 구조체에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 이웃한 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발함에 따라 신호를 전달한다.
배열된 자성 박막 구조체 중에서, 외부로부터 최초의 신호를 입력받는 자성 박막 구조체를 신호주입 자성박막으로 정의하고, 최종적으로 신호를 발현하는 자성 박막 구조체를 신호출력 자성 박막 구조체로 정의한다.
예컨대, 3개의 자성 박막 구조체가 1 렬 또는 1 행으로 형성된다는 가정하에, 중앙에 있는 자성 박막 구조체가 신호출력 자성 박막 구조체로 정의되며, 중앙의 자성 박막 구조체를 기준으로 양측 또는 상하에 위치한 2개의 자성 박막 구조체가 신호주입 자성박막으로 정의될 수 있다.
한편, 자성 박막 구조체가 5 이상의 홀수로 1 렬 또는 1 행으로 형성될 경우, 최 외각의 2개의 신호주입 자성박막으로부터 중앙의 신호출력 자성 박막 구조체로 신호를 전달하는 자성 박막 구조체를 적어도 2개 이상의 신호전달 자성 박막 구조체로 정의할 수 있다. 신호전달 자성 박막 구조체의 수는 논리 소자의 형상, 구조, 크기 등의 다양한 요소를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
위와 같은 구조의 논리 소자를 제조하기 위하여, 자성 박막 구조체는 예를 들어 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 등과 같은 박막 형성 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 자성 박막 구조체들은 도 2와 같이 직선 또는 곡선 등의 선형으로 배열될 수 있을 뿐만 아니라, 이차원의 평면형 구조로 배열될 수 있고, 나아가 삼차원의 입체형으로도 배열될 수 있다.
자성 박막 구조체는 강자성 물질로 형성될 수 있으며, 그 예로 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금 또는 철-니켈-몰리브덴 합금이 대표적이다. 이러한 물질들 중 철-니켈 합금의 일종인 퍼멀로이(permalloy)가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 본 발명의 논리 소자의 신호 전달 원리를 설명하면 다음과 같다.
강자성체 박막에서는 형상, 두께 및 직경 등에 따라 내부에 형성되는 자화 구조가 결정이 된다. 이때, 특히 수 백에서 수 마이크로 미터의 직경을 가지고 수십 나노미터의 두께를 가지는 원통에서는 직경이 약 10nm인 중심부에 원판 평면에 수직한 방향으로 자화된 핵과 주변부에 평면에서 시계/반시계 방향으로 회전하는 자화 방향을 지닌 자기소용돌이구조(Vortex)가 형성된다[한국공개특허 10-2009-0040023]. 이러한 자기소용돌이의 구조는 도 3과 같이 자기소용돌이 핵의 자화 방향(polarity) 및 수평 자화의 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분된다. 이러한 자기소용돌이 구조는 열적 안정성이 매우 높으며, 에너지적으로 매우 안정한 구조이다.
본 발명의 논리 소자는 이러한 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체가 배열된 구조를 포함하며, 이러한 구조에서 자기소용돌이의 동적거동이 주변 자성 박막 구조체에 존재하는 자기소용돌이에 의해 영향을 받아 발생되는 현상을 이용한다.
단일 원판형 자성 박막 구조체 내에 존재하는 자기소용돌이는 외부에서 인가된 자기장이 없을 경우 자기소용돌이 핵이 원판의 중심에 위치하는 것이 에너지적으로 안정하다. 하지만, 특정 외부 자기장이 인가되면 자기소용돌이는 원판의 중심에서 벗어나 회전운동을 하게 된다. 이때 자기소용돌이 핵은 자성 박막 구조체의 구조 및 구성 물질 등에 따라 특정한 고유진동수(eigenfrequency)를 가지고 회전운동을 한다. 따라서 외부에서 고유 진동수에 해당하는 자기장을 인가해 주면 공명현상에 의해 작은 자기장 세기에서도 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도할 수 있다. 이 때 핵의 자화 방향에 따라 핵의 회전 운동의 방향이 결정되는데, 자기소용돌이 핵의 자화 방향이 윗 방향일 때는 반시계 방향, 아랫 방향일 때는 시계방향의 운동을 하게 된다(여기서 시계 방향 및 반시계 방향은 자성 박막 구조체를 위에서 보았을 때 핵의 회전 방향을 말함).
주변 자기소용돌이 간 상호 작용은 자기소용돌이 간의 쌍극자-쌍극자 상호 작용(dipole-dipole interaction)에 의한 것으로, 특정 자성 박막 구조체의 자기소용돌이의 핵이 중심부로부터 이동(shift)하게 되면 자성 박막 구조체 내부에는 유효 자화(effective magnetization)가 형성되고 이들 간의 상호작용으로 인해 자기 박막 내부의 에너지 상태가 변하게 된다.
도 4는 상기 자기소용돌이 핵의 위치 변화에 따른 유효 자화 변화 및 자성 박막 구조체 외부에 유도되는 표유 자계(stray magnetic field) 분포를 보여준다. 특정 자기소용돌이 핵의 위치가 원판의 중심부로부터 벗어나 회전운동을 하게 되면 원판형 자성박막 내부에는 유효 자화가 형성되며 주변에 표유자계가 분포된다. 해당 표유자계는 자기소용돌이 핵이 회전함에 따라 반대의 회전 방향과 주파수를 가지고 회전하게 된다. 이때 회전하는 표유자계는 주변의 다른 원판형 자성박막 내부에 존재하는 자기소용돌이 핵과 상호작용하며 인접한 자성박막 내부에 존재하는 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발한다.
따라서, 특정 원판형 자성 박막 구조체에 외부 자기장 및 전류 등을 이용해 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발시키면 주변 자기소용돌이 간의 쌍극자-쌍극자 상호 작용에 의해 인접한 원판 자성 박막 구조체에 존재하는 자기소용돌이 핵들의 위치가 순차적으로 변화하면서 자기소용돌이의 회전운동이 주변으로 전파된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 자성 박막 구조체가 배열된 구조에서 자기소용돌이 핵의 회전운동에 의한 신호 전달에 대한 전산모사 결과를 보여준다.
도 5를 참조하면, 왼쪽의 원판형 자성 박막 구조체에 자기장을 한시적으로 인가하여 자기소용돌이를 원통의 중심으로부터 이동시킨 후 자기장을 제거하면 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유도된다. 이때 자기소용돌이 핵은 회전 반경이 줄어들면서 원판의 중심으로 이동하게 되며 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해 인접한 원판형 자성박막에 존재하는 자기소용돌이 핵의 회전 운동을 유발시킨다.
도 6은 물질 NiMnSb로 구성된 25개의 원판형 자성박막이 주기적으로 배열된 구조에서 자성박막 배열의 중앙에 위치한 원판형 자성박막에만 자기장을 인가해서 자기소용돌이 핵의 위치를 자성 박막 구조체의 중심으로부터 벗어나게 위치시킨 후 자기장을 제거하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도한 결과이다.
도 6의 b는 시간에 따른 자기소용돌이의 동적 거동을, 도 6의 c는 시간에 따라 각 자성 박막 구조체에 위치한 자기소용돌이 핵의 회전 반경의 변화를 보여준다.(이때 각 숫자는 어레이의 왼쪽에서부터의 원판형 자성박막의 순서를 나타낸다) 이 경우 처음에는 어레이의 가운데 자성 박막 구조체에 위치한 자기소용돌이 핵만이 중앙으로부터 벗어나 있었지만, 시간이 지남에 따라 주변 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유도되면서 전파되어가는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 논리 소자에 있어서, 외부에서 신호를 입력하기 위하여 상술한 신호주입 자성박막에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 것은, 해당 신호주입 자성박막의 자기소용돌이 핵의 위치를 자성 박막 구조체의 중앙으로부터 이탈시킴에 의해 이루어질 수 있다. 여기서 중앙이란 자기소용돌이 핵이 외부 자기장에 의한 영향을 받지 않고 안정한 상태에 있을 때의 위치를 말하며, 예를 들어 원형, 타원형, 정다각형, 마름모, 직사각형의 박막에서는 무게 중심을 가리킨다.
해당 신호주입 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시키는 것은, 신호주입 자성 박막 구조체에 자기장을 인가하거나 전류를 인가함에 의해 이루어질 수 있다.
여기서, 신호주입 자성박막에 자기장을 직접 인가하는 방법으로는 예를 들어 선형 자기장 또는 펄스 자기장을 인가하는 방법과 원 편향 자기장을 인가하는 방법 등이 있다.
선형 자기장 또는 펄스 자기장을 인가하는 방법은 자성 박막 구조체 위 또는 아래에 자성 박막 구조체와 평행하게 도선을 배치시키고 도선에 전류를 흘려줌으로써 자기장을 발생시킬 수 있다.
또한, 편향 자기장을 이용하는 방법은 도 7과 같이 서로 만나는 두 도선에 시간에 대한 위상차를 가지는 교류 전류 또는 펄스 전류를 인가하여 시간에 따라 방향이 회전하는 자기장을 형성시킴으로써 신호를 발생시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면, 원 편향 자기장의 경우 도 8과 같이 한쪽 도선에서는 싸인(sine) 형태의 전류를 인가하고 다른 도선에서는 90도 위상 차이를 갖고 있는 전류를 인가함으로써 자기장의 크기는 일정하지만 자기장이 형성되는 방향이 시간에 따라 회전하는 효과를 얻을 수 있다. 이 경우 인가해 주는 전류의 주파수를 제어함으로써 자기장의 회전 진동수를 제어할 수 있다.
여기서, 자기소용돌이의 고유 모드의 공명 현상을 이용하여 작은 전력으로 큰 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 자성 박박에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 진동수를 갖는 자기장을 형성하여 자성 박막 구조체에 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 큰 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 전류를 이용하는 방법은 자성 박막 구조체에 전류를 흘려 자기소용돌이 핵의 움직임을 발생시키는 방법으로서, 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류 등을 이용할 수 있다.
선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하는 방법은 도 9에 도시된 바와 같이 자성 박막 구조체에 전류를 흘려 스핀 토크 현상을 이용해 자기소용돌이 핵을 움직이게 한다.
원편향 전류를 이용하는 방법은 도 10에 도시된 바와 같이 박막에 도선을 연결하고 원 편향 자기장의 경우와 같이 90도의 위상차를 갖는 전류를 인가하게 되면 전류의 방향이 회전하는 효과를 나타내게 되며, 이를 통해 자기소용돌이 핵이 회전하게 된다. 여기서, 자성 박박에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전류를 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 큰 신호를 발생시킬 수 있다.
수직 전류를 이용하는 방법에 따르면, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 자성 박막 구조체를 자기소용돌이 구조를 갖는 자유층과 중간층 및 편향층을 갖도록 구성한다. 편향층은 자기소용돌이 핵의 자화 방향과 반대인 수직 방향의 자화(magnetization)를 갖는 층으로, 강한 자기 이방성을 갖고 있어 외부 전류나 자기장에 의해 자화 방향이 쉽게 변하지 않는다. 이와 같은 구조에서, 전류를 인가하면 편향층을 지나면서 스핀 편향 전류가 형성되고, 전류의 스핀 방향과 자기소용돌이 핵의 자화 방향의 상관 관계에 따라 토크가 형성되어 자기소용돌이 핵의 회전이 발생한다.
여기서, 편향층은 Co/Pt, Co/Pd, CoPt, CoPd, CoCrPt, FePt, FePd 등의 수직자기이방성을 지니는 물질로 이루어지며, 중간층은 Cu 등의 비자성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 논리 소자에 있어서, 정보의 저장은 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동 유무에 따라 저장될 수 있다. 즉, 신호주입 자성박막에 신호가 입력되어 자기소용돌이 핵의 운동이 유발되면 이는 신호전달 자성 박막 구조체를 거쳐 신호출력 자성 박막 구조체로 전달된다. 신호출력 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동은 자기저항의 변화를 일으키게 되고, 이를 이용하여 자성 박막 구조체들을 통해 전달된 신호를 인식할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 자기저항의 변화를 이용한 신호 인식을 위하여 자성 박막 구조체에는 자기소용돌이 구조를 갖는 자유층 외에 고정층 및 중간층이 구비될 수 있다. 여기서, 고정층은 자화 방향이 외부에서 가해진 자기장에 의해 자유롭게 변화하는 자유층과 달리 자기소용돌이 혹은 자화 방향이 한 방향으로 정렬되어 있는 단자구 형태의 자기 구조를 갖는 강자성 물질로 이루어지며, 자화 방향이 고정되어 외부 자기장에 의해 자화 방향이 크게 변하지 않는다. 또한. 중간층은 자유층과 편향층 사이에 배치되며, 비자성 도체 또는 부도체로 이루어진다.
이러한 구조의 자성 박막 구조체에서 자유층에 자기소용돌이의 회전 운동이 일어나면, 자유층과 고정층 사이에 시간에 따라 수평 자기 성분의 비가 달라져 자기저항의 변화가 발생하게 되고, 이를 측정하면 정보 전달 소자에서 신호 전달 여부를 판독할 수 있다.
도 12a는 고정층이 자기소용돌이 형태를 갖는 경우에 자유층에 핵의 운동이 없을 때와 있을 때의 자성 박막 구조체의 형태와 시간에 따른 자기저항비를 나타낸 도면이다. 고정층이 자기소용돌이 형태를 갖는 경우, 자유층에서 자기소용돌이 핵의 운동이 없으면 고정층과 자유층의 자화 방향이 완전히 같기 때문에 시간에 따른 변화가 나타나지 않고 낮은 저항 값을 갖게 된다. 또한, 자유층에서 자기소용돌이 핵의 운동에 따라 그 위치가 중앙에서 이탈하게 되면 고정층의 자화 방향과의 차이가 나타나게 되고 이에 따라 저항 값이 발생하며, 자기소용돌이가 일정한 궤도를 가지고 운동을 할 경우 고정층과 자유층의 자화 방향의 차이(고정층과 자유층에 수직 방향으로 평행하게 위치한 각각의 자화 벡터의 내적의 합)는 항상 일정하기 때문에 시간에 따른 저항 값의 변화는 나타나지 않는다.
도 12b는 고정층이 단일 자구 형태를 갖는 경우 자유층에 핵의 운동이 없을 때와 있을 때의 자성 박막 구조체의 형태와 시간에 따른 자기저항비를 나타낸 도면이다. 고정층이 단일 자구 형태를 갖는 경우, 자유층에서 자기소용돌이 핵의 운동이 없으면 시간에 따른 저항 값의 변화는 나타나지 않으나 자유층과 고정층 사이에 자화 방향의 차가 존재하므로 일정한 자기 저항 값이 발생한다. 또한, 자유층에서 자기소용돌이 핵이 운동하게 되면 자기소용돌이 핵의 위치에 따라 고정층과 자유층 사이의 자화 방향 차이가 변화하며, 이에 의해 시간에 따라 변화하는 자기 저항을 나타낸다.
신호 입력을 위하여 수직 전류를 이용하지 않는 경우, 신호 인식을 위한 중간층 및 고정층은 각자의 기능을 수행하도록 앞서 설명한 물성을 갖도록 형성하는 것으로 족하다. 다만, 수직 전류를 이용하여 신호 입력을 하는 경우 고정층은 편향층으로서의 기능을 수행하여야 하므로, 이와 같은 기능을 하기에 적합한 물성을 갖도록 형성되어야 한다. 또한, 중간층도 자유층 및 고정층 사이에서 신호 측정에 적합할 뿐 아니라 스핀 편향 전류를 유발하기에 적합한 물성을 갖도록 형성되어야 한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자가 구동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다. 논리 소자로 사용되기 위해선 신호출력 자성 박막 구조체(1)을 기준으로 양측에 적어도 2개 이상의 자성 박막 구조체가 배열되어야 한다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 신호출력 자성 박막 구조체(1)의 일 측에 형성된 자성 박막 구조체인 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)과 다른 측에 형성된 자성 박막 구조체인 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)으로 이루어진 3개의 자성 박막 구조체를 기준으로 이하 설명하나 이는 하나의 예로 상술한 바와 같이, 홀수(2n+1, n은 1 이상의)의 자성 박막 구조체들로 변형 가능하다.
제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및/또는 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)으로 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동은 신호출력 자성 박막 구조체(1)으로 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발가능함으로써, 자성 박막 구조체 간의 상호 작용을 통해 정보 출력이 가능하며. 이 회전 운동의 주입을 외부의 조작을 통해 조절함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 논리 소자로 이용될 수 있는 것이다.
이러한 구조를 통해 자성 박막 구조체들 중 신호주입 자성 박막 구조체(11) 또는 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 이웃한 신호출력 자성 박막 구조체(1)에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발될 경우 신호출력 자성 박막 구조체(1)에서 신호를 출력한다.
즉, 신호출력 자성 박막 구조체에서의 핵의 회전 운동 발생 여부를 0 또는 1의 정보로 제어가 가능하다는 측면에서 자기소용돌이를 이용한 논리소자로서의 응용이 가능한 것이다.
한편, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및/또는 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)에서의 핵의 수평 또는 수직 자화 방향(polarity)을 변경하거나, 자성 박막 구조체들의 배열 변경, 그리고 인가되는 자기장이나 전류의 형태와 방향의 변경을 통해 논리 연산의 조정이 가능하다.
여기서 논리 회로는 자성 박막 구조체 배열이 조합된 망을 통해 입력과 출력이 유기적으로 이루어질 수 있으며, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 또는 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)으로 인가되는 최초의 신호주입은 자기장 또는 스핀 수송 전류 등을 이용할 수 있으며, 신호출력 자성 박막 구조체(1)으로의 최종 출력 신호는 자기소용돌이의 움직임을 자기 저항이나 유도 기전력을 통해 전류 신호로 변경함으로써 형성될 수 있다. 이러한 최종 출력 신호는 다시 주입 신호로 사용될 수 있다.
도 13 및 도 14와 같이 배열된 세 개의 자성 박막 구조체에서 최초의 신호인가인 자기소용돌의 핵의 회전운동이 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 한쪽 또는 양쪽으로 인가되는지 여부에 따라 논리 회로에 있어서 중앙에 위치한 신호출력 자성 박막 구조체(1)에서 자기소용돌이의 회전 운동이 발생 여부가 결정된다.
이 경우, 두 개의 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12) 중 한쪽에만 자기소용돌이 핵의 회전운동이 인가된 경우에는 신호출력 자성 박막 구조체(1)에 신호가 전달되어 자기소용돌이의 회전운동이 유발된다.
한편, 두 개의 두 개의 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12) 모두에 자기소용돌이 핵의 회전운동이 인가될 경우에는 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향이 같은 방향이면 신호출력 자성 박막 구조체(1)에 신호가 전달되지 않아 자기소용돌이의 회전운동이 유발되지 않는다. 반면 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향이 다른 방향이면 신호출력 자성 박막 구조체(1)에 신호가 전달되어 자기소용돌이의 회전운동이 유발된다. 이와 같은 논리 회로의 논리표는 도 15에 도시되어 있으며, 이 경우 자기소용돌이 핵의 회전운동의 수직 자화 방향을 변경하여 논리 연산을 조정할 수 있다.
제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향이 도 13과 같이 같은 방향이면 XOR 논리회로를 구성하며, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향이 도 14와 같이 다른 방향이면 OR 논리회로를 구성하게 된다. 이러한 수직 자화 방향에 따른 XOR 논리회로와 OR 논리회로 구분되는 것은 도 16에 도표화 되어 있다.
도 16을 참조하면, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)의 수직 자화 방향(P1)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향(P2)이 반대 방향인 경우(예컨대 1과 -1) 양자의 멀티 플라이 값이 -1이 연산 되어, 도 14에서와 같이 OR 논리회로를 구성한다.
반대로, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11)의 수직 자화 방향(P1)과 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)의 수직 자화 방향(P2)이 동일한 방향인 경우(예컨대 1과 1, 그리고 -1과 -1) 양자의 멀티 플라이 값이 1이 연산되어, 도 15에서와 같이 XOR 논리회로를 구성한다.
도 17은 XOR 논리회로에 있어서 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12)에 최초의 신호 주입으로 자기장이 인가시 자기장 인가가 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우에 신호출력 자성 박막 구조체(1)으로의 신호 출력 여부를 설명하기 위한 도면으로, 10 Oe 의 진폭을 갖는 양극 교류 자기장이 논리회로로 인가된다. 두 개의 자성 박막 구조체인 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12) 양쪽에 자기장이 인가된 경우 신호출력 자성 박막 구조체(1)에 자기 소용돌이의 회전운동이 전달되지 않아 신호 출력이 발생하지 않는다. 반대로, 제 1 신호주입 자성 박막 구조체(11) 및 제 2 신호주입 자성 박막 구조체(12) 중 어느 하나에만 자기장이 인가된 경우 신호출력 자성 박막 구조체(1)의 자기소용돌이 회전운동이 발생하여 신호출력이 발생한다.
도 18은 XOR 논리 회로에 있어서 자기장이 모두 또는 한쪽에만 인가될 경우 신호 출력 자성박막구조체에 작용되는 표유자계를 나타낸 도면이다. 도 18에 나타난 것과 같이 제 1 신호주입 자성박막 구조체 및 제 2 신호주입 자성박막 구조체 양쪽에 자기장이 인가된 경우 공간적으로 대칭적인 분포가 나타나며 신호 출력 자성 박막구조체의 중심 쪽에서는 표유 자계가 거의 상쇄된다. 이에 신호 출력 자성 박막구조체의 중심에 위치한 자기 소용돌이 핵은 정지 상태를 유지하게된다. 반면 제 1 신호주입 자성박막구조체에만 자기장이 인가된 경우 표유자계가 비대칭적으로 나타나 신호 출력 자성 박막구조체 내의 자기 소용돌이 핵의 움직임을 발생시킨다.
논리 연산의 형태를 조정하기 위하여 자성 박막 구조체의 자화 방향을 적절히 제어하여야 하는데, 자성 박막 구조체의 자화 방향을 전환시키는 방법에 대해 이하에서 살펴본다.
자성 박막 구조체의 자유층에 전류 또는 자기장을 인가하게 되면 자유층에 형성된 자기소용돌이의 핵은 자유층 상에서 회전하게 된다. 그러다가 자기소용돌이 핵의 속도가 임계속도 이상이 되면 자기소용돌이 중심의 수직 자화 방향이 전환된다. 여기서, 임계속도는 자성 박막 구조체를 형성하는 물질에 따라 정해지는 고유값이다. 이때 인가되는 전류 또는 자기장은 시간의 변화에 따라 방향이 변하는 전류 또는 자기장, 바람직하게는 원편광 전류(circularlypolarized current) 또는 원편광 자기장(circularly polarized magnetic field)이 이용된다.
이때, 시간의 변화에 따라 방향이 시계방향으로 변하는 전류 또는 자기장을 인가하게 되면, 일정한 진동수에서 자기소용돌이 핵의 수직 자화 방향이 자유층의 상면 아래쪽인 경우는 작은 크기의 전류 또는 자기장을 인가하여도 전환이 가능하다. 그러나 자기소용돌이 핵의 수직자화 방향이 자유층의 상면 위쪽인 경우는 큰 크기의 전류 또는 자기장을 인가하여야 전환이 가능해진다.
이와는 반대로 시간의 변화에 따라 방향이 반시계방향으로 변하는 전류 또는 자기장을 인가하게 되면, 일정한 진동수에서 자기소용돌이 핵의 수직자화 방향이 자유층의 상면 위쪽인 경우는 작은 크기의 전류 또는 자기장을 인가하여도 전환이 가능하다. 그러나 자기소용돌이 핵의 수직 자화 방향이 자유층의 상면 아래쪽인 경우는 작은 크기의 전류 또는 자기장을 인가하여야 전환이 가능해진다.
이러한 특성을 이용하게 되면, 시간의 변화에 따라 방향이 변하는 전류 또는 자기장을 인가하여 자기소용돌이 중심의 수직 자화 방향을 원하는 방향으로 위치시키는 것이 가능하게 된다. 이에 반하여 시간의 변화에도 방향이 변하지 않는 전류 또는 자기장을 인가하게 되면 자기소용돌이 중심의 수직 자화 방향을 원하는 방향으로 위치시키는 것이 용이치 않다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
Claims (19)
- 삭제
- 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체들을 포함하며,
상기 자성 박막 구조체들 중 신호출력 자성 박막 구조체를 기준으로 적어도 양측 이상에 배열된 신호주입 자성 박막 구조체에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 이웃한 신호출력 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발시킬 경우 상기 신호출력 자성 박막 구조체에서 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2에 있어서,
상기 신호출력 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동 유무에 따라 정보 출력 유무를 판독하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 3에 있어서,
상기 신호출력 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 운동 유무를 시간에 따른 핵의 위치 변화에 따른 자기저항값의 변화를 측정하여 상기 신호주입 자성 박막 구조체를 통해 전달된 신호 출력 유무를 판독하는 것을 특징으로 하는 것을 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2에 있어서, 상기 자성 박막 구조체들은,
홀수(2n+1, n은 1 이상의 자연수)로 형성되며,
상기 신호출력 자성박막은, 상기 홀수의 자성 박막 구조체들 중 중앙에 배열되며,
상기 신호주입 자성박막은, 상기 신호출력 자상박막의 배열을 기준으로 최외각의 양쪽에 각각 배열된 자성박막인 제 1 신호주입 자성박막 및 제 2 신호주입 자성박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 5에 있어서,
상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 하나로만 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되고 상기 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 상기 제 2 신호주입 자성박막의 수직 자화 방향이 같은 경우,
상기 신호출력 자성 박막 구조체로 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되어 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 모두에 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되거나 주입되지 않은 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되지 않아 신호가 출력되지 않는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 5에 있어서,
상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 적어도 어느 하나에 대해 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되고, 상기 제 1 신호주입 자성 박막 구조체 및 상기 제 2 신호주입 자성박막의 수직 자화 방향이 다른 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되어 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 8에 있어서,
상기 제 1 신호주입 자성박막 및 상기 제 2 신호주입 자성박막 중 모두에 자기소용돌이 핵의 회전운동이 주입되지 않은 경우, 상기 신호출력 자성 박막 구조체로 상기 자기소용돌이 핵의 회전운동이 유발되지 않아 신호가 출력되지 않는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2항에 있어서,
상기 신호주입 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 상기 신호 주입 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시킴에 의한 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 10에 있어서,
상기 신호주입 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 자기장 또는 전류를 인가함에 의한 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 11에 있어서,
상기 자기장을 인가하는 방법은 선형 자기장, 펄스 자기장 또는 편향 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 11에 있어서,
상기 전류를 인가하는 방법은 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2에 있어서,
상기 신호 주입 자성 박막 구조체들의 자기소용돌이 핵의 자화 방향을 변환시킴으로써 논리 연산을 조절할수 있는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 14에 있어서,
상기 자성 박막 구조체들의 자기소용돌이 핵의 자화 방향은 자성 박막 구조체에 전류 또는 자기장을 인가하여 상기 자기소용돌이 핵을 임계속도 이상으로 회전시킴에 의해 전환되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 15에 있어서,
상기 자기소용돌이 핵의 자화 방향을 전환시키기 위하여 인가되는 전류 및 자기장은 각각 원형광 전류 및 원편광 자기장인 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2에 있어서,
상기 자성 박막 구조체는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금, 철-니켈-몰리브덴 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2항에 있어서,
상기 자성 박막 구조체들은 원형, 타원형, 다각형 및 고리형으로 이루어진 군에서 선택되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
- 청구항 2항에 있어서,
상기 자성 박막 구조체들은 선형, 평면형 또는 입체형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
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| Scientific Reports, vol.1, article no.59 (2011.08.10.)* |
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