KR101679776B1 - 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 신호전달방법 - Google Patents

자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 신호전달방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 자기소용돌이 구조가 주기적으로 배열된 박막구조체를 포함하며, 상기 박막구조체는 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와, 상기 자기반소용돌이가 형성된 박막의 영역들은 일체로 연결되어 있거나 자기고정층; 자기소용돌이를 포함하는 자유층; 및 상기 자기고정층과 자유층 사이에 개재되며 비자성물질 또는 부도체로 이루어지는 중간층;을 포함하며, 상기 자유층은 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와 상기 자기반소용돌이가 형성된 영역들은 일체로 연결되어 있는, 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 상기 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자에 신호를 인가하는 단계; 및 상기 자기소용돌이 구조 내에 구비된 핵의 회전운동에 의해 상기 핵과 인접한 부근에 배치된 다른 핵의 회전운동을 여기 시켜 상기 신호를 전달하는 단계;를 포함하는, 신호전달방법을 제공한다.

Description

자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 신호전달방법{Signal transferring device and method using magnetic thin film comprising magetic vortex and antivortex}
본 발명은 신호전달소자 및 신호전달방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자기소용돌이 또는 자기반소용돌이 구조에 있는 소용돌이 핵이 평형점으로부터 떨어져 있을 때 발생하는 회전운동과 핵의 회전에 의하여 변하는 유효자기장으로 인접 다른 소용돌이 핵의 운동을 여기 시켜 신호를 전달하는 신호전달소자 및 신호전달방법에 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.
특히, CMOS 기반의 정보 처리 방법론을 대체하기 위해서 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, 나노 자성체에서 솔리톤(Soliton)을 이용한 자기 양자 셀 방식 자동장치(MQCA) 소자와 정보의 전달과 처리에 자성체에서 발생된 스핀파를 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다.
하지만, 이와 같은 스핀파를 이용한 정보 처리 기술의 경우, 소자로 구현시 신호를 발생하는데 제약이 있을 뿐 아니라 그 신호 세기가 너무 작아 종래의 기술을 이용해 이를 읽어내는데 한계가 있다. 또, 소자의 소형화 및 고효율화에 걸림돌이 되고 있으며, 나아가 고집적 디바이스의 구현을 어렵게 하고 있다. 따라서 이를 대체하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
미국등록특허 제 8391056B2호 (2013.03.05.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 자기소용돌이 구조 및 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성 박막을 이용함으로써 적은 에너지로도 쉽게 신호를 발생시킬 수 있으며, 빠른 전파속도 및 신호제어기술을 구비하는 신호전달소자 및 신호전달방법에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자가 제공된다. 상기 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자는 복수개의 자기소용돌이 구조가 주기적으로 배열된 박막구조체를 포함하며, 상기 박막구조체는 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와, 상기 자기반소용돌이가 형성된 박막의 영역들은 일체로 연결되어 있다.
상기 신호전달소자에서 신호는 자기장 또는 전류를 인가함으로써 전달될 수 있다.
상기 자기장은, 상기 신호를 생성할 수 있는 상기 박막구조체에 나란한 방향으로 인가되는 평면 내 자기장(in-plane magnetic field); 및 상기 신호의 전달속도를 제어할 수 있는 상기 박막구조체에 수직한 방향으로 인가되는 수직자기장(vertical magnetic field);을 포함할 수 있다.
상기 수직자기장을 상기 박막구조체에 인가하는 방법은 상기 박막구조체에 수직자기이방성을 가진 강자성 박막을 추가로 증착하여 형성하거나 영구자석 또는 전자석을 이용할 수 있다.
자기고정층; 자기소용돌이를 포함하는 자유층; 및 상기 자기고정층과 자유층 사이에 개재되며 비자성물질 또는 부도체로 이루어지는 중간층;을 포함하며, 상기 자유층은 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와 상기 자기반소용돌이가 형성된 영역들은 일체로 연결되어 있다.
상기 자기고정층은 자화방향이 한 방향으로 정렬되어 있는 단자구 형태의 강자성체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 신호전달방법이 제공된다. 상기 신호전달방법은 상기 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자에 신호를 인가하는 단계; 및 상기 자기소용돌이 구조 내에 구비된 핵의 회전운동에 의해 상기 핵과 인접한 부근에 배치된 다른 핵의 회전운동을 여기 시켜 상기 신호를 전달하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 정보 전달 방식과 달리 신호를 발생시키는데 있어서 공명현상(resonance)을 이용하여 작은 에너지로도 쉽게 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 정보 전달 방식과 달리 신호의 발생 및 이동시 열의 발생이 없는 자기소용돌이 구조 및 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 신호전달방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호전달소자를 구성하는 자성박막구조체를 나타낸 도면이다.
도 2는 핵의 자화 방향(polarity) 및 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분한 자기소용돌이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호전달소자이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 의한 퍼멀로이(permalloy)로 구성된 신호전달소자를 도시한 도면이다.
도 5는 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 자성박막구조체를 통해 전달된 신호를 인식하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 4의 (a)에 도시된 신호전달소자에 수직자기장의 세기에 따라 변화하는 자기소용돌이 구조(밴드구조(band structure))를 도시한 도면이다.
도 8은 도 4의 (a)에 도시된 신호전달소자에 수직자기장의 세기에 따른 신호전달속도를 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.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호전달소자를 구성하는 자성박막구조체를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막구조체는 마이크로-나노미터 크기의 강자성 박막에서 형성되는 자화구조로서, 자화상태를 반시계방향으로 돌아가면서 자화의 방향을 관찰하였을 때, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 수평 자화가 반시계방향으로 회전하는 구조를 자기소용돌이(110)라고 할 수 있으며, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 수평 자화의 방향이 시계방향으로 회전하는 구조를 자기반소용돌이(210)라고 할 수 있다.
또한, 각각의 소용돌이(110, 210)의 중심에는 자화의 방향이 박막의 수직방향인 소용돌이 핵(120) 영역이 존재할 수 있다. 박막구조체와 나란한 방향으로 자기장(E.F)을 인가할 경우, 소용돌이 핵이 평형점으로부터 이동하게 되며, 반면에, 자기장(E.F)의 인가를 해제할 경우, 고유한 주파수를 가지고 회전운동을 하면서 평형점으로 돌아오게 된다. 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막을 이용한 본 발명의 신호전달소자의 신호전달 원리에 대한 상세한 설명은 도 2 및 도 8을 참조하여 후술한다.
도 2는 핵의 자화 방향(polarity) 및 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분한 자기소용돌이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 강자성체 박막에서는 형상, 두께 및 직경 등에 따라 내부에 형성되는 자화구조가 결정 된다. 이 때, 특히 수백에서 수 마이크로미터의 직경을 가지고 수십 나노미터의 두께를 가지는 원통에서는 직경이 약 10㎚인 중심부에 원판 평면에 수직한 방향으로 자화된 핵이 형성될 수 있다. 그리고 상기 핵 주변부에 평면에서 시계 또는 반시계 방향으로 회전하는 자화 방향을 지닌 자기소용돌이구조(Vortex)가 형성될 수 있다. 이러한 자기소용돌이 구조는 도 2와 같이 자기소용돌이 핵의 자화방향(polarity) 및 회전방향(chirality)에 따라 4가지로 구분될 수 있다.
이러한 자기소용돌이 구조는 열적 안정성이 매우 높으며, 에너지적으로 매우 안정한 구조이다. 또한, 외부 자기장 또는 전류를 통해 자기소용돌이 핵의 자화방향을 제어함으로써 "0" 또는 "1"의 정보 제어가 가능하다는 측면에서 자기소용돌이를 이용한 비휘발성(non-volatile) 메모리 소자로서의 응용이 가능하다.
자기반소용돌이 구조도 자기소용돌이 구조와 비슷하게 핵의 자화방향이 위(p=1), 아래(p=-1)로 구분되고, 수평자화의 회전방향(c)은 회전 각도에 따라 -2<c<2 사이의 값을 가지게 된다.
종래에는 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막이 주기적으로 배열된 구조에서 자기소용돌이의 동적거동이 주변 자성 박막에 존재하는 자기소용돌이에 의해 영향을 받아 집단적 거동을 보이는 현상을 이용했다. 그러나 이 경우는 물리적으로 떨어져 있는 자성박막 배열을 사용하였기 때문에 신호의 전달이 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해서만 이루어졌고, 신호전달의 세기 및 속도가 높지 않았다.
또한, 회전운동의 전파속도가 빠른 자화배열은 인접한 소용돌이 핵의 수직자화방향이 서로 반대인 경우로서, 나노미터 크기의 소자에서 이러한 자화 배열을 만들기가 쉽지 않다. 실제 시장에서 경쟁력 있는 소자가 되기 위해선 더 빠른 전파속도 및 신호제어 기술이 요구되고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호전달소자이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호전달소자(1000)는 도 1을 참조하여 상술한 자기소용돌이(110) 및 자기반소용돌이(210)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 신호전달소자(1000)는 복수개의 자기소용돌이(110) 구조가 주기적으로 배열된 박막구조체를 구비하며, 상기 박막구조체는 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와, 상기 자기반소용돌이가 형성된 박막의 영역들은 일체로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 일체는 박막 영역들이 서로 이격되지 않고, 물리적으로 연결되어 있다는 것을 의미한다.
즉, 자기소용돌이와 자기반소용돌이가 교대로 나타나는 배열이 적어도 1회 이상 나타나는 자성박막구조체에서, 신호의 인가에 의해 발생한 자기소용돌이 또는 자기반소용돌이 내에 존재하는 핵의 회전운동이 그와 이웃한 다른 자기소용돌이 또는 자기반소용돌이 내에 존재하는 핵의 회전운동을 유발함에 따라 신호가 전달될 수 있다.
상기 자기소용돌이 및 상기 자기반소용돌이 배열은 도 3에 도시된 바와 같이, 강자성 박막에 2개 이상의 자기소용돌이(110)가 형성되는 박막구조에서 수평자화의 회전방향이 같은 자기소용돌이(110) 사이에 자기반소용돌이(210)가 배치된 형태로 존재하며, 연결된 자기소용돌이(110)의 수에 따라 배열의 기본 단위의 반복 횟수가 달라질 수 있다.
또한, 상기 신호전달소자(1000)에 신호의 인가는 자성박막에 자기장(E.F)을 인가하거나 전류(C)를 인가하여 특정 소용돌이 내에 존재하는 핵의 위치를 평형위치로부터 이탈시켜 상기 핵의 회전운동을 활성화시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기 핵의 움직임은 상기 핵 주변의 자화를 변화시켜서 자기소용돌이 또는 자기반소용돌이가 만들어내는 유효자기장을 변화시킬 수 있다. 유효자기장의 변화는 주변 인접한 핵의 회전운동을 여기시킴으로써 회전운동이 전파될 수 있다.
또한, 신호전달소자(1000)에 상기 신호전달소자(1000)를 구성하는 박막구조체에 나란한 방향으로 인가되는 평면 내 자기장(in-plane magnetic field)에 의하여 신호가 생성되며, 상기 박막구조체에 수직한 방향으로 인가되는 수직자기장(vertical magnetic field)에 의해 생성된 상기 신호의 전달속도를 제어할 수 있다.
신호전달소자(1000)에 수직방향으로 자기장을 인가하여 핵의 회전운동의 전파속도를 조절하는 방법은 다음과 같다. 즉, 신호전달소자(1000)에 수직자기장(E.F)을 인가하면 자기소용돌이 및 자기반소용돌이의 고유진동수(eigenfrequency)를 변화시키며 그에 의해 핵의 회전운동 속도가 변화할 수 있다. 따라서 외부에서 고유진동수에 해당하는 자기장(E.F)을 인가해주면 공명현상에 의해 작은 자기장(E.F) 세기에서도 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도할 수 있다. 상기 수직자기장(E.F)은 예를 들어, 수직이방성을 가지는 강자성 박막을 추가로 증착하여 형성시키거나 수직방향으로 영구자석 또는 전자석을 이용하여 수직자기장을 형성할 수 있다.
본 발명은 자기소용돌이와 자기반소용돌이가 물리적으로 연결되어 있는 구조로서, 종래의 물리적으로 떨어져 있던 자기소용돌이 구조보다 강한 상호작용을 하여 더 빠른 신호전달을 할 수 있다. 또한, 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 배열에서 수직자화가 모두 같은 방향일 때, 신호전달속도가 더 빠르기 때문에, 신호전달이 빠른 자화구조를 용이하게 만들 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 신호전달소자를 이용하여 신호를 발생시키고 전달하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실험예에 의한 자성박막구조체가 외부자기장(E.F)이 인가되지 않은 자화상태에서 자성박막의 재료, 형상 및 크기를 적절히 선택함으로써 도 3에 도시된 자기소용돌이(110) 및 자기반소용돌이(210)가 배열된 자화상태를 가질 수 있다. 도 3에 도시된 자기소용돌이(110) 및 자기반소용돌이(210)의 개수는 자성박막구조체(1000)의 종횡비에 따라 변화될 수 있다. 이러한 자화상태를 가진 자성박막구조체(1000)를 만들기 위해, 스퍼터링, 전자빔증착법 및 열증착법 중 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈-코발트 합금 또는 철-니켈-몰리브덴(Mo) 합금 같은 강자성 물질로 박막을 증착한다. 자기소용돌이(110) 및 자기반소용돌이(210)를 가지는 신호전달소자(1000)에서, 초기에 신호가 인가되는 구역을 신호인가구역으로 정의하고, 최종적으로 신호가 감지되는 구역을 신호감지구역으로 정의한다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 의한 퍼멀로이(permalloy)로 구성된 신호전달소자를 도시한 도면이다.
먼저, 도 4의 (a)를 참조하면, 신호전달소자는 퍼멀로이(permalloy)로 구성된 25개의 자기소용돌이 및 자기반소용돌이가 배열된다. 신호전달소자의 자화상태는 인접한 자기소용돌이 핵과 자기반소용돌이 핵의 수직자화의 방향이 반대인 것(도 4의 (a)에서 왼쪽, 즉, pn=(-1)n+1) 같은 상태가 될 수 있다. 반면에, 상기 수직자화 방향과 나란한 것(도 4의 (a)에서 오른쪽, 즉, pn=(1)n+1) 같은 상태가 될 수 있다. 그 외의 다른 불규칙적으로 인접한 수직자화간의 방향 조합을 포함할 수 있다.
예를 들면, 신호의 인가의 실험예로 자기소용돌이(n=1)에만 자기장(E.F)을 인가해서 자기소용돌이 핵의 위치를 자성박막구조체의 중심으로부터 벗어나게 위치시킨 후 자기장(E.F)을 제거하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유도할 수 있다. 이 때, 각 숫자는 왼쪽부터 차례대로 자기소용돌이 핵을 나타내며, 홀수일 경우 자기소용돌이를 나타내며, 짝수일 경우 자기반소용돌이를 나타낸다.
한편, 도 4의 (b)는 시간에 따라 각 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 핵의 위치 변화를 보여준다. 초기에는 신호인가구역인 첫 번째 자기소용돌이 핵만 이동되어 있지만 시간이 지나면서 자기소용돌이가 움직이게 되고, 주위의 자기소용돌이 및 자기반소용돌이에 회전운동이 유도되면서 신호가 전파되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 배열을 이용한 신호전달소자에서 신호전달속도는 자기소용돌이와 자기반소용돌이 핵들의 수직자화 방향의 조합에 따라 달라지게 된다. 도 4의 왼쪽 열은 자기소용돌이 핵의 자화방향이 윗방향(p=1)이고, 자기반소용돌이 핵의 자화방향이 아랫방향(p=-1)이다. 도 4의 오른쪽 열은 자기소용돌이 핵과 자기반소용돌이 핵의 자화방향이 모두 윗바향을 향하는 경우이다. 따라서 도 4의 (b)를 보면, 자기소용돌이와 자기반소용돌이 핵의 자화방향이 모두 같은 경우가 자기소용돌이와 자기반소용돌이 핵의 자화방향이 같지 않을 경우보다 핵의 회전운동에 의한 전파가 더 빨리 일어나는 것을 확인할 수 있다.
한편, 신호인가구역의 자기소용돌이를 평형점으로 이탈시키는 방법은 신호인가구역에 자기장(E.F)을 인가하거나 전류(C)를 인가함에 따라 이루어질 수 있다. 여기서, 신호주입 자성박막에 자기장(E.F)을 직접 인가하는 방법으로는, 예를 들어, 선형자기장 또는 펄스자기장을 인가하는 방법이 있다. 선형자기장 또는 펄스자기장을 인가하는 방법은 자성박막구조체 위 또는 아래에 자성박막구조체와 평행하게 도선(L)을 배치시키고, 상기 도선(L)에 전류(C)를 흘려줌으로써 자기장(E.F)을 발생시킬 수 있다.
도 5는 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전류(C)를 이용하는 방법은 자성박막구조체에 전류(C)를 흘려 자기소용돌이 핵의 움직임을 발생시키는 방법으로써, 선형전류, 펄스전류, 원편향전류 또는 수직전류 등을 이용할 수 있다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하여 신호를 발생시키는 방법으로써, 자성박막구조체에 전류(C)를 흘려 스핀토크현상을 이용해 자기장(E.F)이 자기막(E.M) 내에 형성되어 자기소용돌이 핵을 움직이게 한다.
원편향 전류(C)를 이용하는 방법은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 박막에 도선(L)을 연결하고 원 편향 자기장(E.F)의 경우와 같이 90도의 위상차를 갖는 전류(AC)를 인가하게 되면 전류(C)의 방향이 회전하는 효과를 나타내게 되며, 이를 통해 자기소용돌이 핵이 회전하게 된다. 여기서, 자성 박박에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전류(C)를 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 큰 신호를 발생시킬 수 있다.
수직 전류(C)를 이용하는 방법에 따르면, 도 5의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 자성 박막을 자기소용돌이 구조를 갖는 자유층(31)과 중간층(21) 및 편향층(11)을 갖도록 구성한다. 편향층(11)은 자기소용돌이 핵의 자화 방향과 반대인 수직 방향의 자화(magnetization)를 갖는 층으로, 강한 자기 이방성을 갖고 있어 외부 전류(C)나 자기장(E.F)에 의해 자화 방향이 쉽게 변하지 않는다. 이와 같은 구조에서, 전류(C)를 인가하면 편향층(11)을 지나면서 스핀 편향 전류가 형성되고, 전류(C)의 스핀 방향과 자기소용돌이 핵의 자화 방향의 상관 관계에 따라 토크가 형성되어 자기소용돌이 핵의 회전이 발생한다.
여기서, 편향층(11)은, 예를 들어, Co/Pt, Co/Pd, CoPt, CoPd, CoCrPt, FePt, FePd 등의 수직자기이방성을 지니는 물질로 이루어지며, 중간층(21)은 Cu 등의 비자성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
신호전달소자에 있어서, 신호인가구역에서 전파된 신호를 신호감지구역에서 인식하는 것은 신호감지구역의 소용돌이 핵의 운동의 유무로 판별할 수 있다. 신호감지구역에서의 자기소용돌이 핵의 운동은 자기저항의 변화를 일으키게 되고, 이를 이용하여 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 배열을 통해 전달된 신호를 인식할 수 있게 된다.
도 6은 자성박막구조체를 통해 전달된 신호를 인식하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 신호전달소자에 있어서, 정보의 저장은 자성박막구조체의 자기소용돌이 구조 내에 존재하는 핵의 운동 유무에 따라 저장될 수 있다. 즉, 신호전달소자의 일측에 신호가 입력되어 자기소용돌이 핵의 운동이 유발되면, 상기 핵의 운동이 자기저항의 변화를 일으키게 되고 이를 이용하여 입력된 상기 신호가 신호전달소자를 거쳐 상기 일측과 반대인 타측으로 전달될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 신호전달소자(1000)는 자기고정층(10), 자기소용돌이를 포함하는 자유층(30) 및 자기고정층(10)과 자유층(30) 사이에 개재되며 비자성물질 또는 부도체로 이루어지는 중간층(20)을 포함하며, 자유층(30)은 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와 상기 자기반소용돌이가 형성된 영역들은 일체로 연결될 수 있다.
상술한 구조의 자성박막구조체에서 자유층(30)에 자기소용돌이의 회전운동이 일어나면, 자유층(30)과 자기고정층(10) 사이에 시간에 따라 수평자기 성분의 비가 달라져 자기저항의 변화가 발생하게 되고, 이를 측정하면 정보전달소자에서 신호전달 여부를 판독할 수 있다.
즉, 도 6은 자기고정층(10)이 단일자구 형태를 갖는 경우를 도시한 것으로서, 자유층(30)에 핵의 운동이 없을 때와 있을 때의 자성박막구조체의 형태와 시간에 따른 자기저항비를 나타낸 도면이다. 자기고정층(10)이 단일자구 형태를 갖는 경우, 자유층(30)에서 자기소용돌이 핵의 운동이 없으면 시간에 따른 저항 값의 변화는 나타나지 않으나 자유층(30)과 자기고정층(10) 사이에 자화방향의 차가 존재하므로 일정한 자기저항 값이 발생한다. 또한, 자유층(30)에서 자기소용돌이 핵이 운동하게 되면 자기소용돌이 핵의 위치에 따라 자기고정층(10)과 자유층(30) 사이의 자화방향 차이가 변화하며, 이에 의해 시간에 따라 변화하는 자기저항을 나타낸다.
또한, 수직이방성을 인가하기 위한 방법으로 수직이방성을 가지는 물질로 박막을 형성할 경우, 상기 수직이방성을 가지는 물질은 박막의 수직방향으로 자기장을 만들어내며, 자기터널접합(MTJ : Magnetic Tunneling Junction)에서 자기고정층(10)으로 주로 사용된다. 또는, 수직자기장의 생성용으로서 상기 자기고정층(10)과 다른 별도의 층(도 6에 예시된 층 이외의 제 4 층)을 도입할 수도 있다.
신호 입력을 위하여 수직전류(C)를 이용하지 않는 경우, 신호 인식을 위한 중간층(20) 및 자기고정층(10)은 각자의 기능을 수행하도록 앞서 설명한 물성을 갖도록 형성하는 것으로 족하다. 다만, 수직 전류(C)를 이용하여 신호입력을 하는 경우, 자기고정층(10)은 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 편향층(11)으로서 기능을 수행하여야 하므로, 이와 같은 기능을 하기에 적합한 물성을 갖도록 형성되어야 한다. 또한, 중간층(20)도 자유층(30) 및 자기고정층(10) 사이에서 신호 측정에 적합할 뿐만 아니라, 스핀편향 전류를 유발하기에 적합한 물성을 갖도록 형성되어야 한다.
예를 들면, 자화박막이 자유층(30)이 되고, 상기 자유층(30) 아래에 비자성 금속 물질 또는 부도체로 이루어진 중간층(20), 상기 중간층(20) 아래에 자기고정층(10)이 되는 강자성 박막구조를 포함할 수 있다. 상기 강자성 박막구조에 의해 자기소용돌이 구조 내에 존재하는 핵의 회전운동에 의한 자화의 변화에 따른 자기저항을 측정하여 신호를 감지할 수 있다.
도 7은 도 4의 (a)에 도시된 신호전달소자에 수직자기장의 세기에 따라 변화하는 자기소용돌이 구조(밴드구조(band structure))를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 신호전달소자에 수직자기장(E.F)을 인가하여 핵의 회전운동의 전달속도를 제어하는 방법을 포함할 수 있다. 도 7은 도 4의 (a)에 제시된 신호전달소자에 수직자기장(E.F)의 인가 세기에 따라 변화하는 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 핵의 회전운동에 의한 밴드구조를 나타내며, 상기 수직자기장(E.F)의 세기에 따라 밴드 구조가 크게 변화하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 도 4의 (a)에 도시된 신호전달소자에 수직자기장의 세기에 따른 신호전달속도를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 8은 도 4의 (a)에 도시된 신호전달소자에 수직자기장(E.F)을 인가하였을 경우, 상기 수직자기장(E.F)의 세기에 따른 자기소용돌이 핵의 회전운동에 의한 신호전달속도를 나타낸다. 서로 인접한 자기소용돌이 핵에 수직 자화방향이 나란한 경우((pV, pAV)=(1,1))에는 수직자기장(E.F)의 세기가 음수에서 양수로 증가할수록 신호전달속도가 증가하며, 서로 인접한 자기소용돌이 핵에 수직 자화방향이 반대인 경우((pV, pAV)=(1,-1))에는 수직자기장(E.F)의 세기의 절대값이 커질수록 신호전달속도가 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 신호전달소자에 수직자기장(E.F)을 인가하여 신호전달속도를 조절할 수 있다는 것을 확인하였다. 상기 수직자기장(E.F)은 신호전달소자를 구성하는 박막구조체의 평면과 수직한 방향으로 영구자석이나 전자석을 설치하여 자기장을 인가하거나 신호전달소자에 수직자기이방성을 가지는 강자성박막을 추가하여 인가할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강자성 박막에서 형성된 자기소용돌이 및 자기반소용돌이 배열에서 소용돌이 핵의 회전운동을 이용하여 신호를 전달하는 방법 및 신호전달 속도를 제어하는 방법을 제시한다. 자기소용돌이 또는 자기반소용돌이 구조에 있는 소용돌이 핵이 평형점으로부터 떨어져 있을 때 발생하는 상기 소용돌이 핵의 회전운동과 상기 소용돌이 핵의 회전에 의하여 변하는 유효자기장으로 상기 소용돌이 핵과 인접한 부근에 배치된 상기 소용돌이 핵과 다른 소용돌이 핵의 회전운동을 여기 시켜 신호를 전달하는 소자 및 신호전달방법을 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.
10 : 자기고정층
11 : 편향층
20, 21 : 중간층
30, 31 : 자유층
110 : 자기소용돌이
120 : 핵
210 : 자기반소용돌이
1000 : 신호전달소자(자성박막구조체)

Claims (7)

  1. 복수개의 자기소용돌이 구조가 주기적으로 배열된 박막구조체를 포함하며,
    상기 박막구조체는 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와, 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고,
    상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와, 상기 자기반소용돌이가 형성된 박막의 영역들은 일체로 연결되어 있으며,
    상기 박막구조체에 평면 내 자기장(in-plane magnetic field) 또는 전류를 인가함으로써 신호를 생성하고, 상기 신호는 상기 제 1 자기소용돌이, 상기 제 2 자기소용돌이 또는 상기 자기반소용돌이 내에 존재하는 핵의 회전운동에 의해 상기 박막구조체에서 자체적으로 생성된 유효자기장에 의해 전달되며, 상기 박막구조체에 수직한 방향으로 수직자기장(vertical magnetic field)을 인가함으로써 상기 신호의 전달속도를 제어하는,
    자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직자기장을 상기 박막구조체에 인가하는 방법은 상기 박막구조체에 수직자기이방성을 가진 강자성 박막을 추가로 증착하여 형성하거나 영구자석 또는 전자석을 이용하는,
    자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자.
  5. 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자에 있어서,
    상기 신호전달소자는,
    자기고정층;
    자기소용돌이를 포함하는 자유층; 및
    상기 자기고정층과 자유층 사이에 개재되며 비자성물질 또는 부도체로 이루어지는 중간층;을 포함하며,
    상기 자유층은 수평자화의 회전방향이 동일한 제 1 자기소용돌이 및 제 2 자기소용돌이와 상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이 사이에 형성된 자기반소용돌이를 포함하고,
    상기 제 1 자기소용돌이 및 상기 제 2 자기소용돌이와 상기 자기반소용돌이가 형성된 영역들은 일체로 연결되어 있으며,
    상기 신호전달소자에 평면 내 자기장(in-plane magnetic field) 또는 전류를 인가함으로써 신호를 생성하고, 상기 신호는 상기 제 1 자기소용돌이, 상기 제 2 자기소용돌이 또는 상기 자기반소용돌이 내에 존재하는 핵의 회전운동에 의해 상기 신호전달소자에서 자체적으로 생성된 유효자기장에 의해 전달되며, 상기 신호전달소자에 수직한 방향으로 수직자기장(vertical magnetic field)을 인가함으로써 상기 신호의 전달속도를 제어하는,
    자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기고정층은 자화방향이 한 방향으로 정렬되어 있는 단자구 형태의 강자성체로 이루어진,
    자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자.
  7. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한, 상기 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자에 신호를 인가하는 단계; 및
    상기 자기소용돌이 구조 내에 구비된 핵의 회전운동에 의해 상기 핵과 인접한 부근에 배치된 다른 핵의 회전운동을 여기 시켜 상기 신호를 전달하는 단계;
    를 포함하는, 신호전달방법.
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