KR101890561B1 - 스핀홀 현상을 이용한 자기장 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기장 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 도전체에 인가되는 전류에서의 스핀홀 현상을 이용하여 자기이방성을 가지는 자성체로 스핀 전류를 주입하고 스핀 토크에 의하여 상기 자성체의 자화를 반전시키면서 상기 자성체에서의 자기이력곡선의 이동 정도를 산출함으로써, 상기 자성체에 인가된 외부 자기장을 정밀하게 측정할 수 있는 자기장 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 외부에서 인가되는 제1 자기장을 측정하는 자기장 측정 장치로서, 도전체로 전류를 인가하는 전류 인가 수단; 상기 전류 인가 수단으로부터 전류를 인가받아 스핀(spin) 전류가 형성되는 도전체; 상기 도전체에서 형성된 스핀 전류가 주입되는 자기이방성을 가지는 자성체; 상기 자성체로 제2자기장을 인가하는 자기장 인가 수단; 및 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출한 후, 이를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치를 개시한다.

Description

스핀홀 현상을 이용한 자기장 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring magnetic field using spin-hall effect}
본 발명은 자기장 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 도전체에 인가되는 전류에서의 스핀홀 현상을 이용하여 자기이방성을 가지는 자성체로 스핀 전류를 주입하고 스핀 토크에 의하여 상기 자성체의 자화를 반전시키면서 상기 자성체에서의 자기이력곡선을 도출한 후, 그 이동 정도를 고려하여 상기 자성체에 인가된 외부 자기장을 정밀하게 산출할 수 있는 자기장 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
자기 센서는 외부에서 인가되는 자기장에 따라 물질의 자화도 또는 자기 저항 등이 변화는 것을 이용하여 자기장의 크기 또는 방향 등을 측정하는 장치를 말한다. 자기 센서는 종래부터 자동차, 우주항공, 국방 등 다양한 분야에서 활용되어 왔으며, 특히 근래에 스마트폰 등 휴대용 개인 단말의 보급이 급격하게 늘어나면서 그 수요가 급격하게 늘어나고 있는 상황이다.
일반적으로 많이 사용되고 있는 자기 센서로서 홀(Hall) 현상을 이용한 홀 자기 센서, 거대자기저항 현상을 이용한 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance, GMR) 센서, 터널링 자기저항(Tunneling Magneto-Resistance, TMR) 센서, 포화철심형(Fluxgate) 자기 센서 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로, 거대자기저항 센서(GMR)는 자성층/비자성층/자성층으로 이루어지는 자성다층박막구조에서 외부 자기장에 의하여 두 자성층의 자화 방향이 평행(Parallel 상태)일 때 전기 저항이 작아서 많은 전류가 흐르고, 반평행(Anti-Parallel 상태)일 때 전기 저항이 커지면서 작은 전류가 흐르는 현상을 이용하여 외부 자기장을 측정하게 된다. 또한, 포화철심형(Fluxgate) 자기 센서는 높은 투자율을 가지는 코어(core)에 권선되는 1차 코일 및 2차 코일을 사용하여, 1차 코일에의하여 유도되는 2차 코일에서의 파형에 더하여, 외부 자기장이 인가됨에 따른 2차 코일에서의 고조파의 파형을 측정하여 외부 자기장을 측정하게 된다.
상기와 같은 자기 센서들은 그 종류에 따라 다양한 감도(sensitivity), 노이즈 플로어(noise floor), 크기 등의 특성을 가질 수 있는 바, 다양한 어플리케이션에 따라 적절한 자세 센서를 선택하여 사용하게 된다. 예를 들어, 상기 거대자기저항 센서(GMR)와 터널링 자기저항 센서(TMR)는 100 가우스(Gauss) 수준의 자기장을 측정할 수 있고 마이크로 스케일로 제작이 가능하여 하드 디스크 드라이브(HDD) 등의 정보판독용도로 주로 활용되며, 또한 포화철심형(fluxgate) 자기 센서는 10 가우스(Gauss) 수준의 자기장을 높은 감도로 측정할 수 있어 지자기 센서 또는 전자나침반 용도로 많이 활용되고 있다. 그러나, 상기 자기 센서들은 크기와 잡음 특성이 상충하게 되는 바, 크기가 작으면서도 뛰어난 잡음 특성을 가지는 자기 센서를 구현하기 어려우며, 그 구조적 특성에 따라 제작 단가가 높아지는 문제점을 가질 수 있었다.
나아가, 근래에 들어서는 제작 비용, 크기 등을 고려하여 실리콘(Si) 공정에 기반하여 구현된 홀 센서가 많이 활용되고 있다. 그런데, 상기 실리콘(Si) 공정에 기반하여 구현된 홀 센서는 해상도가 지자기 복각 해상도에 미치지 못하는 등 감도(sensitivity)가 크게 떨어지는 문제점을 가질 수 있으며, 이를 극복하기 위하여 IMC(Integrated Magnetic Concentrator)를 적층하여 지자기장을 집속하는 방법으로 상기 센서의 감도를 개선하고 있다. 그러나, 이러한 경우 상기 IMC 층을 0.1~0.3 마이크로미터 이상 두껍게 형성하여야 하고, 노이즈 플로어(noise floor)가 높으며 해상도가 떨어지는 문제점이 여전히 존재한다.
대한민국 공개특허 제10-2008-0098426호(20088.11.07. 공개) 대한민국 공개특허 제 10-2014-0145227호(2014.12.23. 공개) 대한민국 공개특허 제10-2012-0091804호(2012.08.20. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 소형화가 가능하면서도 감도(sensitivity) 및 노이즈 특성을 개선할 수 있으며, 나아가 낮은 제작 단가로도 제작이 가능한 자기장 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치는, 외부에서 인가되는 제1 자기장을 측정하는 자기장 측정 장치로서, 도전체로 전류를 인가하는 전류 인가 수단; 상기 전류 인가 수단으로부터 전류를 인가받아 스핀(spin) 전류가 형성되는 도전체; 상기 도전체에서 형성된 스핀 전류가 주입되는 자기이방성을 가지는 자성체; 상기 자성체로 제2자기장을 인가하는 자기장 인가 수단; 및 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출한 후, 이를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감하면서 상기 자성체에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출한 후, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시키면서, 상기 도전체 또는 자성체에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출할 수 있다.
이때, 상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류는, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가할 수 있다.
또한, 상기 자성체는 수직자기이방성을 가지며, 상기 산출되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체에 인가되는 제1 자기장의 수직방향 강도일 수 있다.
또한, 상기 도전체는 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal) 일 수 있다.
또한, 상기 도전체의 두께는 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 도전체와 상기 자성체는 적층 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 자기장 인가 수단은 상기 자성체의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 자기장이 인가되지 않는 경우의 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)으로서, 미리 저장된 자기이력곡선(hysteresis)을 사용하거나, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 사용할수 있다.
또한, 상기 제어부는, 미리 저장된 상기 제1 자기장의 강도에 따른 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 값을 이용하여, 상기 도출된 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도로부터 상기 제1 자기장의 강도를 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 자기장 측정 방법은, 외부에서 인가되는 제1 자기장을 측정하는 자기장 측정 방법으로서, 도전체로 전류를 인가하는 전류 인가 단계; 자기이방성을 가지는 자성체로 제2자기장을 인가하는 자기장 인가 단계; 상기 도전체에서 전류를 인가받아 형성된 스핀(spin) 전류가 상기 자성체로 주입되는 스핀 전류 주입 단계; 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출하는 자기이력곡선 이동 도출 단계; 및 상기 도출된 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하는 제1 자기장 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스핀 전류 주입 단계에서는 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감하고, 상기 제1 자기장 산출 단계에서는 상기 스핀 전류의 증감에 따른 상기 자성체에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출한 후, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 제1 자기장 산출 단계는, 상기 도전체로 인가되는 전류의 양의 변동에 따른 상기 도전체 또는 자성체에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 스핀 전류 주입 단계에서는, 상기 도전체로 인가되는 전류가, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가할 수 있다.
또한, 상기 자성체는 수직자기이방성을 가지며, 상기 산출되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체에 인가되는 제1 자기장의 수직방향 강도일 수 있다.
또한, 상기 도전체는 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal)일 수 있다.
또한, 상기 도전체의 두께는 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 도전체와 상기 자성체는 적층 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 자기장 인가 단계에서는, 상기 자성체의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 이용하여 상기 자성체로 상기 제2 자기장을 인가할 수 있다.
또한, 상기 자기이력곡선 이동 도출 단계에서, 상기 제1 자기장이 인가되지 않는 경우의 상기 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)으로서, 미리 측정되어 저장된 자기이력곡선(hysteresis)을 사용하거나, 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 자기장 산출 단계에서, 미리 저장된 상기 제1 자기장의 강도에 따른 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 값을 이용하여, 상기 도출된 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도로부터 상기 제1 자기장의 강도를 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도전체에 인가되는 전류에서의 스핀홀 현상을 이용해 자기이방성을 가지는 자성체로 스핀 전류를 주입하여 스핀 토크에 의하여 상기 자성체의 자화를 반전시키면서 상기 자성체에서의 자기이력곡선을 도출하고, 그 이동 정도를 고려하여 상기 자성체에 인가된 외부 자기장을 산출함으로써, 소형화가 가능하면서도 감도(sensitivity) 및 노이즈 특성을 개선할 수 있으며, 나아가 낮은 제작 단가로도 제작이 가능한 자기장 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서의 스핀 전류의 형성 및 주입을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서의 토크를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서 인가 자기장의 변화에 따른 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 산출하는 방법에 대한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서 외부 자기장의 강도에 따른 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 측정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서 외부 자기장이 인가됨에 따른 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 측정 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치에서의 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 자기장 측정 장치 및 방법의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 구성도를 예시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)는 전류 인가 수단(110), 도전체(120), 자성체(130), 자기장 인가 수단(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)를 각 구성 부분 별로 나누어 자세하게 설명한다.
먼저, 전류 인가 수단(110)에서는 도전체(120)로 소정의 전류를 인가하게 된다. 상기 전류 인가 수단(110)은 외부에서 공급되는 전류를 상기 도전체(120)로 전달할 수도 있으며, 혹은 전원을 이용하여 소정의 전류를 생성하는 회로를 포함할 수도 있다. 상기 전류 인가 수단(110)은 상기 도전체(120)로 적절한 전류를 공급해 줄 수 있다면 본 발명의 일 실시예로서 특별한 제한없이 채택될 수 있다.
또한, 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류는 제어부(150)가 제어할 수 있다. 상기 제어부(150)는 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류의 양, 파형 등을 제어함으로써 상기 도전체(120)에서 형성되는 스핀(spin) 전류를 적절하게 조절할 수 있게 된다.
다음으로, 도전체(120)에서는 상기 전류 인가 수단(110)으로부터 전류를 인가받아 스핀(spin) 전류가 형성되게 된다. 상기 도전체(120)로서는 스핀 홀 현상을 이용하여 스핀 전류를 형성할 수 있다면 특별한 제한없이 채택될 수 있다. 나아가, 상기 도전체(120)로서 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal)을 사용하는 경우, 스핀 궤도 상호작용(spin orbit interaction)이 커지면서 스핀 홀 효과가 보다 효과적으로 나타날 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 특성을 보다 개선할 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 또한, 상기 도전체(120)의 두께는 도전체(120)를 구성하는 물질에 따라 다양할 수 있으나, 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정함으로써, 스핀 전류가 보다 효과적으로 상기 자성체(130)로 주입될 수 있어, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다. 예를 들어, 텅스텐(W)의 경우 스핀 확산 거리(spin diffusion length)가 약 5nm 정도이므로, 상기 텅스텐(W)의 경우 스핀 확산 거리를 고려하여 상기 도전체(120)의 두께를 결정함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.
이어서, 자성체(130)와 자기장 인가 수단(140)에 대하여 살핀다.
상기 자성체(130)는 자기이방성을 가지며, 상기 도전체(130)에서 형성된 스핀 전류가 주입되게 된다. 또한, 자기장 인가 수단(140)에서는 상기 자성체(130)로 소정의 제2 자기장을 인가하게 된다.
상기 자성체(130)로 주입된 스핀 전류는 스핀 토크를 형성하고, 상기 자기장 인가 수단(140)에 의한 제2 자기장도 제2 자기장 토크를 형성하게 되는 바, 상기 스핀 토크와 상기 제2 자기장 토크에 합이 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크를 극복하게 되면, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)는 반전(reversal)되게 된다.
특히, 상기 자성체(130)는 수직자기이방성을 가질 수 있다. 상기 수직자기이방성을 가지는 자성체의 제작에 대해서는 본 발명자 등의 다른 특허(대한민국 공개특허 제10-2012-0091804호)에서 자세하게 개시한 바 있다. 이때, 상기 산출되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체(130)에 인가되는 제1 자기장의 수직방향 강도일 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예로서 상기 수직자기이방성을 가지는 자성체(130)를 이용하여 상기 제1 자기장의 수직방향 강도를 효과적으로 산출할 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자성체(130)가 수직방향의 자기이방성을 가지지 않고 일정하게 기울어진 각도를 가지더라도 본 발명에 적용될 수 있으며, 또한 상기 제1 자기장의 수직방향 강도가 아닌 소정의 각도에서의 강도를 산출할 수도 있다.
또한, 상기 도전체(120)와 상기 자성체(130)는 적층 구조를 형성함으로써, 상기 스핀 전류의 주입을 원활하게 하는 등 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 특성을 개선할 수도 있다.
이어서, 상기 자기장 인가 수단(140)은 자기이방성을 가지는 자성체(130)로 소정의 제2자기장을 인가하게 된다. 이때, 상기 자기장 인가 수단(140)은 상기 자성체(130) 및 도전체(120)의 특성 등을 고려하여 미리 정해진 소정의 자기장 값을 상기 자성체(130)로 인가할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기 자성체(130)의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 위치하도록 함으로써 상기 자성체(130)로 상기 제2 자기장을 인가할 수도 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 자기장 측정 상황에 따라 상기 자기장 인가 수단(140)에서 인가되는 자기장을 조절함으로써, 본 발명에 따른 자기장 측정 장치(100)의 특성을 더욱 개선할 수도 있다.
또한, 제어부(150)에서는 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(120)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출한 후, 이를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하게 된다.
이때, 상기 제어부(150)는 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감하면서 상기 자성체(130)에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출한 후, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 산출할 수 있다.
나아가, 보다 구체적으로 상기 제어부(150)는 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류의 양을 변동시키면서, 상기 도전체(120) 또는 자성체(130)에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체(130)에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출함으로써, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 산출할 수도 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류는, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가하도록 제어될 수도 있다.
또한, 상기 제1 자기장이 인가되지 않는 경우의 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)으로서, 미리 저장된 자기이력곡선(hysteresis)을 사용하거나, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체(130)의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 사용할 수도 있다.
나아가, 상기 제어부(150)는 미리 저장된 상기 제1 자기장의 강도에 따른 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 값을 이용하여, 상기 도출된 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도로부터 상기 자성체(130)에 인가된 제1 자기장의 강도를 산출할 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서의 스핀 전류의 형성 및 주입을 설명하고 있고, 도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서의 토크를 설명하는 도면을 도시하고 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류(Je)는 도전체(120)를 흐르면서 스핀 전류(Js)를 형성하게 되고, 상기 스핀 전류(Js) 중 일부는 상기 자성체(130)로 주입되게 된다. 이때, 상기 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류(Je)가 y 축 방향으로 흐를 때, 상기 자성체(130)로 주입되는 스핀 전류(Js)에서의 스핀 모멘트(spin moment,
Figure 112016011723588-pat00001
)의 방향은 x축 방향을 가지게 된다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 자기장 인가 수단(140)에서는 상기 자성체(130)로 제2 자기장(Hy)을 인가하게 된다. 이때, 상기 제2 자기장(Hy)는 상기 전류(Je)에 의한 스핀 전류(Js) 및 스핀 모멘트의 방향을 고려하여 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 y 축 방향으로 인가될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전체(120)는 전이금속(Transition Metal, TM)이나 중금속(Heavy Metal)을 사용하여 구성하는 것이 바람직하고, 또한 상기 자성체(130)는 강자성체(Ferromagnetic Material, FM) 등 자기이방성(magnetic anisotropy)을 가지는 물질을 이용하여 구성될 수 있다.
또한, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 자성체(130)로 주입된 스핀 전류는 스핀 토크(τ ST )를 형성하고, 상기 자기장 인가 수단(140)에 의한 제2 자기장도 제2 자기장 토크(τ ext )를 형성하게 되는 바, 상기 스핀 토크와 상기 제2 자기장 토크에 합이 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )를 극복하게 되면, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00002
)는 반전(reversal)되게 된다.
보다 구체적으로, 상기 자성체(130)로 주입된 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST ), 상기 자기장 인가 수단(140)의 제2 자기장에 의한 제2 자기장 토크(τ ext ) 및 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )는 각각 아래의 수학식 1 내지 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016011723588-pat00003
[수학식 2]
Figure 112016011723588-pat00004
[수학식 3]
Figure 112016011723588-pat00005
이때, 앞서 기술한 바와 같이,
Figure 112016011723588-pat00006
은 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)을 의미하며, 상기
Figure 112016011723588-pat00007
는 상기 자성체(130)로 주입되는 스핀 전류(Js)에서의 스핀 모멘트(spin moment)를 나타낸다. 또한, 상기
Figure 112016011723588-pat00008
는 상기 제2 자기장에 따른 자속밀도(magnetic flux density)를 의미하며, 상기
Figure 112016011723588-pat00009
는 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 자속밀도(magnetic flux density)를 의미한다.
상기 수학식 1 내지 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 스핀 토크(τ ST ) 는 상기 자성체(130)로 주입되는 스핀 전류(Js)에 의존하며, 상기 제2 자기장 토크(τ ext ) 는 상기 자기장 인가 수단(140)의 제2 자기장에 의존하게 되며, 또한 상기 스핀 토크(τ ST ) 와 상기 내부 토크(τ ani )는 서로 반대 방향을 가지게 된다.
이를 고려하여 상기 자성체(130)에서의 토크 및 그에 따른 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)을 살펴보면 아래와 같다. 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 자성체(130)에서의 토크에 따른 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 설명하고 있다.
먼저, 도 4(a)에서는 외부로부터 인가되는 자기장(즉, 측정 대상이 되는 제1 자기장)이 없는 경우, 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류에 따른 토크의 변화 및 그에 따른 자기이력곡선을 예시하고 있다. 이때, 상기 자기장 인가 수단(140)의 제2 자기장은 y 방향으로 인가된다고 가정하여, 그에 따른 토크는 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext -y )로 표현한다.
상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 없는 상태는 도 4(a)의 (A)에 해당한다고 할 수 있으며, 이때 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 없는 상태라고 할 수 있다. 이어서, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 증가함에 따라 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 증가하게 되며(도 4(a)의 (B), (C)), 상기 스핀 토크(τ ST )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext-y )의 합이 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )를 넘어서게 되는 지점(도 4(a)의 (D))에서 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00010
)는 반전(reversal)되게 된다. 이에 따라, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00011
)에 의존하는(수학식 2 및 수학식 3 참조) 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext -y )의 방향도 반전되게 된다.
또한, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 더 증가할 수 있으며(도 4(a)의 (E)), 이어서 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 감소하더라도(도 4(a)의 (F) 내지 (I)) 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00012
)는 계속 유지되게 된다. 이때, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 계속 감소(혹은, 반대 방향으로 증가)함에 따라 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 감소(혹은, 반대 방향으로 증가)하게 되며(도 4(a)의 (F) 내지 (I)), 상기 스핀 토크(τ ST )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext -y )의 합이 다시 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )를 넘어서게 되는 지점(도 4(a)의 (J))에서 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00013
)는 다시 반전(reversal)되게 된다.
이에 따라, 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 자성체(130)에서의 자기이력곡선(hysteresis)이 형성되게 된다.
이에 대하여, 도 4(b)에서는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에 외부로부터 인가되는 자기장(즉, 측정 대상이 되는 제1 자기장)이 존재하는 경우에 대한 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 설명하고 있다. 이때, 상기 외부로부터 인가되는 제1 자기장은 z 방향으로 인가된다고 가정하여, 그에 따른 토크는 z 방향 제1 자기장 토크(τ ext -z )로 표현한다.
먼저, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 없는 상태(도 4(b)의 (A) 지점)에서는, 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 없는 상태라고 할 수 있다. 이어서, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 증가함에 따라 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 증가하게 되며(도 4(b)의 (B) 내지 (D)), 상기 스핀 토크(τ ST )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext -y )의 합이 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )와 z 방향 제1 자기장 토크(τ ext -z )의 합을 넘어서게 되는 지점(도 4(b)의 (E))에서 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00014
)는 반전(reversal)되게 된다. 이에 따라, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00015
)에 의존하는(수학식 2 및 수학식 3 참조) 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext-y )의 방향도 반전되게 된다.
또한, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 더 증가할 수 있으며(도 4(b)의 (F)), 이어서 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 감소하더라도(도 4(b)의 (G) 내지 (I)) 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00016
)는 계속 유지되게 된다. 이때, 상기 전류 인가 수단(110)에서 인가되는 전류가 계속 감소(혹은, 반대 방향으로 증가)함에 따라 스핀 전류에 의한 스핀 토크(τ ST )도 감소(혹은, 반대 방향으로 증가)하게 되며(도 4(b)의 (G) 내지 (I)), 상기 스핀 토크(τ ST )와 y 방향 제2 자기장 토크(τ ext -y )의 합이 다시 상기 자성체(130)의 자기이방성에 따른 내부 토크(τ ani )와 z 방향 제1 자기장 토크(τ ext -z )의 합을 넘어서게 되는 지점(도 4(b)의 (J))에서 상기 자성체(130)의 자화(magnetization,
Figure 112016011723588-pat00017
)는 다시 반전(reversal)되게 된다.
이에 따라, 도 4(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 외부로부터 인가되는 제1 자기장이 존재하는 경우, 상기 자성체(130)에서의 자기이력곡선(hysteresis)은 상기 외부로부터 인가되는 제1 자기장에 의한 z 방향 제1 자기장 토크(τ ext -z )만큼 이동(shift)되게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)의 자성체(130)에서의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 산출함으로써, 상기 외부로부터 인가되는 제1 자기장을 산출할 수 있게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서 자기장 인가 수단(140)에서 인가되는 제2 자기장의 변화에 따른 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 변화를 예시하고 있다. 도 5(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 자기장 인가 수단(140)에서 인가되는 제2 자기장(Hy)이 증가함에 따라, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)을 반전시키기 위한 전류(Ic) 값은 증가하게 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5(b)에서는 본 발명의 일 실시예로서 Pt/Co/Pt 구조 및 Ta/CoFeB/MgO 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서, 자기장 인가 수단(140)에서 인가되는 제2 자기장(Hy)에 따른 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)을 반전시키기 위한 전류 밀도(Jc) 값의 추세를 보여주는 그래프를 도시하고 있다. 도 5(b)에서도 상기 제2 자기장(Hy)이 증가함에 따라 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)을 반전시키기 위한 전류 밀도(Jc)는 감소하게 된다는 것을 확인할 수 있다.
도 6에서는 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 산출하는 과정을 보다 자세하게 도시하고 있다. 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 외부에서 인가되는 자기장(즉, 측정 대상이 되는 제1 자기장)의 크기에 따라, 상기 자성체(130)에 대한 자기이력곡선(hysteresis)은 좌우로 이동(shift)되게 된다(도 6(a)의 (A) 내지 (F)). 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가하는 전류를 증가 또는 감소시키면서 상기 도전체(120) 또는 자성체(130)에서의 홀전압(VH)을 측정하여, 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)가 반전되는 지점(도 6(b)의 I+ 및 I-)을 측정하고, 이로부터 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 산출함으로써, 외부에서 인가되는 제1 자기장의 크기를 산출할 수 있게 된다.
또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서 외부 자기장의 강도에 따른 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 측정 그래프를 예시하고 있다. 도 7(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 외부에서 인가되는 자기장(즉, 측정 대상이 되는 제1 자기장)의 크기가 증가함에 따라, 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)이 이동(shift)되는 모습을 확인할 수 있다. 이때, 상기 그래프는 자기장 인가 수단(140)에서 상기 자성체(130)로 50 Oe의 제2 자기장을 인가한 상태로 측정되었다. 도 7(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 인가되는 제1 자기장의 크기가 약 수 Oe 수준으로 작음에도 불구하고, 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)은 매우 큰 폭(약 10mV/Oe)으로 이동하는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 7(b)에서는 상기 자성체(130)에 인가되는 제1 자기장의 크기에 따른 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 전류값을 기준으로 측정한 그래프를 예시하고 있다. 상기 도 7(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 자기장의 변화에 따라 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도가 선형적으로 나타나는 것을 알 수 있으며, 이를 이용하여 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 측정함으로써, 상기 자성체(130)에 인가된 제1 자기장의 크기를 산출할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 전류값(Ishift)를 Vshift = Ishift x Rsensor(~수 kΩ)로 환산하여 상기 자기장 측정 장치(100)의 감도를 산출하면 약 10mV/Oe 수준의 높은 감도를 가진다는 점을 확인할 수 있다.
이러한 결과는 여러 버퍼 물질(FeZr/Ta, Ta/FeZr 등)에서 유사하게 관측되었으며, Ta 또는 FeZr 단일 구조에서도 동일한 양상을 나타내었다. 또한, 본 발명의 일 실시예로서 FeZr을 삽입한 다층 구조에서의 자화 반전을 이용할 수도 있다.
도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 FeZr/Pt/Co/Pt/FeZr 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서 외부에서 자기장(즉, 측정 대상이 되는 제1 자기장)이 인가됨에 따른 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)에 대한 측정 그래프를 도시하고 있다. 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 외부에서 인가되는 제1 자기장의 크기가 증가함에 따라, 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)은 우측으로 이동(shift)하게 되는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 도출함으로써, 외부에서 인가된 상기 제1 자기장의 크기를 산출할 수 있게 된다.
도 8(b)에서는 도 8(a)의 경우에 대한 상기 자성체(130)의 자화(magnetization)가 반전(reversal)되는 지점에서의 상기 전류 인가 수단(110)에서 상기 도전체(120)로 인가되는 전류를 측정한 그래프를 도시하고 있다. 도 8(b)에서도 외부에서 인가되는 제1 자기장의 크기가 증가함에 따라, 상기 도전체(120) 또는 자성체(130)에서의 홀 전압이 0V가 되는 지점(즉, 자기이력곡선(hysteresis)의 중심점)에서의 전류(IDC)가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)에서의 특성을 보여주는 그래프들을 도시하고 있다. 먼저, 도 9(a)에서는 Ta/CoFeB/MgO 구조 및 Pt/Co/Pt 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서의 외부에서 인가되는 제1 자기장에 따른 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)을 전류밀도(Jc)를 기준으로 예시하고 있다. 도 9(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, Pt/Co/Pt 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서는 제1 자기장의 크기가 증가함에 따라 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)이 선헝적으로 증가하는데 반하여, Ta/CoFeB/MgO 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서는 제1 자기장의 크기가 증가함에 따라 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift)이 선헝적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 도전체(120)의 물질에 따라 스핀 전류의 방향이 달라질 수 있기 때문이다. 특히, 상기 Ta/CoFeB/MgO 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)에서는 제1 자기장의 크기가 변화함에 따라 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도가 매우 크게 변화한다는 것을 확인할 수 있고, 따라서, 상기 Ta/CoFeB/MgO 구조를 포함하는 자기장 측정 장치(100)는 보다 높은 감도(sensitivity) 특성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
도 9(b)에서는 여러 종류의 자기 센서에 대한 크기 및 노이즈 특성을 비교하여 도시하고 있다. 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 거대자기저항(GMR) 센서 등은 노이즈 특성은 상대적으로 좋은 반면 그 크기는 커질 수 있고, 또한 실리콘 기반 홀 센서(Si-based Hall) 등은 작은 크기로 제작이 가능한 반면 노이즈 특성은 떨어질 수 있다. 나아가, 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 종래 기술에 따른 통상의 자기 센서에서는 크기 및 노이즈 특성이 상충(trade-off)하는 추세를 보였다. 이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)는 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이(Metal based spin-Hall sensor), 노이즈 특성이 우수하면서도 작은 크기로 제작이 가능하다는 장점을 가질 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 장치(100)가 우수한 감도(sensitivity) 특성을 가질 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
도 10에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 방법의 순서도를 도시하고 있다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 측정 방법은, 도전체(120)로 전류를 인가하는 전류 인가 단계(S210), 자기이방성을 가지는 자성체(130)로 제2자기장을 인가하는 자기장 인가 단계(S220), 상기 도전체(120)에서 전류를 인가받아 형성된 스핀(spin) 전류가 상기 자성체(130)로 주입되는 스핀 전류 주입 단계(S230), 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출하는 자기이력곡선 이동 도출 단계(S240) 및 상기 도출된 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하는 제1 자기장 산출 단계(S250)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전류 인가 단계(S210)에서는 상기 도전체(130)로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 자기장 산출 단계(S250)에서는 상기 스핀 전류의 증감에 따라 상기 자성체에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출한 후, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동 정도를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제1 자기장 산출 단계(S250)는, 상기 도전체(120)로 인가되는 전류의 양의 변동에 따른 상기 도전체(120) 또는 자성체(130)에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체(130)에 대한 자기이력곡선(hysteresis)을 산출하는 단계를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 자기장 인가 단계(S220)에서는 자기이방성을 가지는 자성체(130)로 소정의 제2자기장을 인가하게 된다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기 자성체(130)의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 위치하도록 함으로써 상기 자성체(130)로 상기 제2 자기장을 인가할 수도 있다.
이어서, 상기 스핀 전류 주입 단계(S230)에서는, 상기 도전체(120)로 인가되는 전류가, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체(130)의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가할 수 있다.
이때, 상기 자성체(130)는 수직자기이방성을 가질 수 있다. 또한, 상기 산출되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체(130)에 인가되는 제1 자기장의 수직방향 강도일 수 있다.
또한, 상기 도전체(120)는 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal)일 수 있으며, 이때 상기 도전체(120)의 두께는 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정될 수 있다. 이때, 상기 도전체(120)와 상기 자성체(130)는 적층 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 자기이력곡선 이동 도출 단계(S240)에서는 상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)에 대비하여, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출하게 된다. 이때, 상기 제1 자기장이 인가되지 않는 경우의 상기 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)으로서, 미리 측정되어 저장된 자기이력곡선(hysteresis)을 사용하거나, 상기 자성체(130)의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체(130)의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 사용할 수 있다.
이어서, 상기 제1 자기장 산출 단계(S250)에서는 상기 도출된 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 산출하게 된다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제1 자기장 산출 단계(S250)에서는 미리 저장된 상기 제1 자기장의 강도에 따른 상기 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 값을 이용하여, 상기 도출된 자성체(130)의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도로부터 상기 제1 자기장의 강도를 산출할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 자기장 측정 장치
110 : 전류 인가 수단
120 : 도전체
130 : 자성체
140 : 자기장 인가 수단
150 : 제어부

Claims (22)

  1. 외부에서 인가되는 제1 자기장을 측정하는 자기장 측정 장치에 있어서,
    도전체로 전류를 인가하는 전류 인가 수단;
    상기 전류 인가 수단으로부터 전류를 인가받아 스핀(spin) 전류가 형성되는 도전체;
    상기 도전체에서 형성된 스핀 전류가 주입되도록 상기 도전체에 적층되고, 수직자기이방성을 가지는 자성체;및
    상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체의 기준 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자화-인가전류 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 도출한 후, 이를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 획득하는 제어부를 포함하되,
    상기 획득되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체의 법선방향으로 인가되는 수직방향 강도이고,
    상기 제어부는, 상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감하면서 상기 기준 자기이력곡선을 획득하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시키면서, 상기 도전체 또는 자성체에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체에 대한 기준 자기이력곡선(hysteresis)을 획득하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 인가 수단에서 상기 도전체로 인가되는 전류는,
    상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나,
    상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도전체는 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal) 인 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전체의 두께는 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 인가 수단은 상기 자성체의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 자성체의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 상기 기준 자기이력곡선으로 사용하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 자기이력곡선(hysteresis)은 미리 저장된 자기이력곡선인 것을 특징으로 하는 자기장 측정 장치.
  12. 외부에서 인가되는 제1 자기장을 측정하는 자기장 측정 방법에 있어서,
    도전체로 전류를 인가하는 전류 인가 단계;
    자기이방성을 가지는 자성체로 제2자기장을 인가하는 자기장 인가 단계;
    상기 도전체에서 전류를 인가받아 형성된 스핀(spin) 전류가 상기 도전체에 적층되고 수직자기이방성을 가지는 자성체로 주입되는 스핀 전류 주입 단계;
    상기 제1 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 자성체의 기준 자기이력곡선(hysteresis)에 대한, 상기 제1 자기장이 인가됨에 따른 상기 자성체의 자화-인가전류 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 획득하는 자기이력곡선 이동 도출 단계; 및
    상기 도출된 자성체의 자기이력곡선(hysteresis)의 이동(shift) 정도를 이용하여 상기 제1 자기장의 강도를 획득하는 제1 자기장 획득 단계를 포함하되,
    상기 획득되는 제1 자기장의 강도는 상기 자성체의 법선방향으로 인가되는 수직방향 강도이고,
    상기 스핀 전류 주입 단계는, 상기 도전체로 인가되는 전류의 양을 변동시켜 상기 스핀 전류의 양을 증감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 자기장 획득 단계는,
    상기 도전체로 인가되는 전류의 양의 변동에 따른 상기 도전체 또는 자성체에서의 홀 전압을 측정하여 상기 자성체에 대한 기준 자기이력곡선(hysteresis)을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 스핀 전류 주입 단계에서는,
    상기 도전체로 인가되는 전류가,
    상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소하거나,
    상기 자성체의 자화가 반전되는 시점 또는 그 이후까지 감소한 후, 상기 자성체의 자화가 다시 반전되는 시점 또는 그 이후까지 증가하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 도전체는 전이 금속(transition metal)이거나 중금속(heavy metal) 인 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 도전체의 두께는 스핀 확산 거리(spin diffusion length)를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  19. 삭제
  20. 제12항에 있어서,
    상기 자기장 인가 단계에서는,
    상기 자성체의 상부 또는 하부에 위치하는 수평자기이방성 자성체를 이용하여 상기 자성체로 상기 제2 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 자기이력곡선 이동 도출 단계에서,
    상기 기준 자기이력곡선으로 상기 자성체의 자화가 반전되는 시점의 제1 전류와 상기 자성체의 자화가 다시 반대 방향으로 반전되는 시점의 제2 전류의 절대치가 동일한 상태에서의 자기이력곡선(hysteresis)을 사용하는 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 제1 자기장 획득 단계에서,
    상기 기준 자기이력곡선(hysteresis)은 미리 저장된 자기이력곡선인 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
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