KR102159756B1 - Logic device using magnetic thin film structure and operating method thereof - Google Patents

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KR102159756B1 KR1020190045081A KR20190045081A KR102159756B1 KR 102159756 B1 KR102159756 B1 KR 102159756B1 KR 1020190045081 A KR1020190045081 A KR 1020190045081A KR 20190045081 A KR20190045081 A KR 20190045081A KR 102159756 B1 KR102159756 B1 KR 102159756B1
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김상국
조영준
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서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention provides a logic element including a plurality of magnetic thin film structures having a magnetic vortex structure, which comprises: a first structure which is a magnetic thin film structure for outputting a signal; and a second structure disposed on at least two sides of the first structure and being a magnetic thin film structure for inputting a signal. The rotational motion of a core of the first structure is induced by the rotational motion of a magnetic vortex-core of the second structure, so that a logic signal is output from the first structure.

Description

자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법 {LOGIC DEVICE USING MAGNETIC THIN FILM STRUCTURE AND OPERATING METHOD THEREOF}Logic device using magnetic thin film structure and its operation method {LOGIC DEVICE USING MAGNETIC THIN FILM STRUCTURE AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 열적으로 안정적인 자기소용돌이의 핵 방향을 출력값으로 이용함으로써, 비휘발성 특성을 가지며 적은 에너지 소모를 가지는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a logic device using a magnetic thin film structure and a method of operating the same. More specifically, it relates to a logic device using a magnetic thin film structure having a non-volatile characteristic and low energy consumption by using a nuclear direction of a thermally stable magnetic vortex as an output value, and an operation method thereof.

최근 휴대전화나 태블릿 등의 모바일 기기와 같은 휴대용 기기의 사용이 증가함에 따라 메모리, 논리소자 등에서 소형화, 고집적화 및 저전력 소모를 목표로 기술 발전이 이뤄지고 있다.Recently, as the use of portable devices such as mobile devices such as mobile phones and tablets increases, technology advances are being made with the aim of miniaturization, high integration, and low power consumption in memory and logic devices.

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.In particular, in order to replace the CMOS-based information processing methodology, research is being conducted on an information processing method using spin, which is a quantum characteristic of electrons, by breaking away from the information processing method by transfer of electrons, that is, electric charges. For example, research is being conducted to apply a spin wave generated from a magnetic material to a magnetic quantum cell type automatic device (MQCA) device using a soliton in a nano-magnetic material and information transfer and processing.

자기소용돌이는 면에 수직방향인 자기소용돌이 핵 주변을 시계 혹은 반시계 방향으로 자화가 회전하는 구조를 가지고 있다. 자기소용돌이에 신호를 주입할 시, 자기소용돌이 핵의 회전운동이 여기될 수 있으며 이는 고유 모드를 가지고 있다. 이러한 자기소용돌이 구조를 갖는 자성 박막 구조체들이 여러 개 인접해 있으면 그에 따른 결합모드가 존재하게 된다.The magnetic vortex has a structure in which the magnetization rotates clockwise or counterclockwise around the magnetic vortex nucleus in a direction perpendicular to the surface. When a signal is injected into the magnetic vortex, the rotational motion of the magnetic vortex nucleus can be excited, which has a unique mode. When several magnetic thin film structures having such a magnetic vortex structure are adjacent to each other, a coupling mode accordingly exists.

자기소용돌이를 이용하면 적은 에너지로도 쉽게 신호를 발생시킬 수 있으며, 빠른 전파속도 및 제어 가능성이 있으므로, 자기소용돌이를 이용한 기술은 메모리 소자, 논리 소자 등 정보 처리 소자로의 응용이 기대된다.When using the magnetic vortex, it is possible to easily generate a signal with little energy, and since there is a high propagation speed and controllability, the technology using the magnetic vortex is expected to be applied to information processing devices such as memory devices and logic devices.

그러나 이러한 종래의 자기소용돌이를 이용하는 기술은, 자기소용돌이 핵의 스위칭을 발생시키기 위해서 스핀 편향 전류 또는 진동 자기장을 자기소용돌이 디스크에 직접적인 적용이 필요한 실정이다. 따라서, 입력한 신호에 대응한 출력만 나타나게 마련이며, 입력 신호에 대응한 논리에 의하여 다양한 출력 신호가 나타나지는 못한 문제점이 있었다.However, such a conventional technique using a magnetic vortex requires direct application of a spin deflection current or an oscillating magnetic field to the magnetic vortex disk in order to generate the switching of the magnetic vortex nuclei. Therefore, only the output corresponding to the input signal appears, and there is a problem in that various output signals cannot appear due to the logic corresponding to the input signal.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 열적으로 안정적인 자기소용돌이의 핵 방향을 출력값으로 이용함으로써, 비휘발성 특성을 가지며 적은 에너지 소모를 가지는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve various problems including the above problems, and by using the nuclear direction of a thermally stable magnetic vortex as an output value, a logic device using a magnetic thin film structure having a nonvolatile characteristic and low energy consumption, and Its purpose is to provide a method of operation.

그리고, 본 발명은 RS 래치(latch) 소자와 동일한 논리로 동작할 수 있는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a logic device using a magnetic thin film structure capable of operating with the same logic as an RS latch device and a method of operating the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 논리 소자로서, 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체; 및 제1 구조체의 적어도 두 측에 배치되고 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체를 포함하고, 제2 구조체의 자기소용돌이 핵(vortex-core)의 회전운동으로 제1 구조체의 핵의 회전운동을 유발하여 제1 구조체에서 논리 신호가 출력되는, 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자가 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problem, as a logic element including a plurality of magnetic thin film structures having a magnetic vortex structure, the first structure is a magnetic thin film structure for outputting a signal; And a second structure, which is a magnetic thin film structure disposed on at least two sides of the first structure and inputting a signal, and rotational motion of the nucleus of the first structure by rotational motion of a vortex-core of the second structure. A logic device using a magnetic thin film structure is provided, in which a logic signal is output from a first structure by causing

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 구조체는 제1 구조체의 양 측에 이격 배치되고, 제2 구조체는 전류 또는 자기장을 인가받을 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the second structure may be spaced apart from both sides of the first structure, and the second structure may receive a current or a magnetic field.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 제1 구조체 및 제2 구조체의 자기소용돌이가 모두 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제1 타입, (b) 제1 구조체의 자기소용돌이가 하향 핵 자화(downward core magnetization)이고, 제2 구조체의 자기소용돌이가 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제2 타입이라고 할 경우, 제1 타입 또는 제2 타입의 제2 구조체에 인가되는 신호에 따라 제1 구조체에서 논리 신호가 각각 다르게 출력될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, (a) the magnetic vortex of the first structure and the second structure are both upward core magnetization of the first type, and (b) the magnetic vortex of the first structure When the second type is a downward core magnetization and the magnetic vortex of the second structure is an upward core magnetization, it is applied to the second structure of the first type or the second type. Logic signals may be output differently from the first structure according to the signals.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 신호는 제1 타입의 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 공명 주파수이고, 제2 신호는 제2 타입의 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 공명 주파수일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the first signal is the resonance frequency of all the first and second structures of the first type, and the second signal is the resonance of all the first and second structures of the second type. It can be a frequency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 신호를 제1 타입의 제2 구조체에 인가하면, 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동이 동 위상(in-phase)을 나타낼 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when the first signal is applied to the second structure of the first type, the rotational motion of the magnetic vortex nuclei of all the first and second structures is in-phase. Can be indicated.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 신호를 제2 타입의 제2 구조체에 인가하면, 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동이 동 위상(in-phase)을 나타낼 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when the second signal is applied to the second structure of the second type, the rotational motion of the magnetic vortex nuclei of all the first and second structures is in-phase. Can be indicated.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 신호를 제1 타입의 제2 구조체에 인가하면, 제1 구조체의 자기소용돌이 핵의 자화가 스위칭(switching)되고, 제2 신호를 제2 타입의 제2 구조체에 인가하면, 제1 구조체의 자기소용돌이 핵의 자화가 스위칭(switching)될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when the first signal is applied to the second structure of the first type, the magnetization of the magnetic vortex nuclei of the first structure is switched, and the second signal is converted to the second type of structure. When applied to the second structure, magnetization of the magnetic vortex nuclei of the first structure may be switched.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 구조체가 상향 핵 자화인 형태의 논리값(Qprev)을 "0", 하향 핵 자화인 형태의 논리값(Qprev)을 "1"로 지정할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a logic value Qprev in the form of an upward nuclear magnetization as "0" and a logic value Qprev in the form of a downward nuclear magnetization may be designated as "1". .

제1 신호 또는 제2 신호가 인가될 때, 아래의 (1) 내지 (4)로 논리값(Q)이 지정될 수 있다.When the first signal or the second signal is applied, the logic value Q may be designated as (1) to (4) below.

(1) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "0"이고 제1 신호가 인가되는 경우(S=1, R=0), 논리값(Q)이 "1",(1) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is “0” and the first signal is applied (S=1, R=0), the logical value (Q) is “1”,

(2) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "1"이고 제1 신호가 인가되는 경우(S=1, R=0), 논리값(Q)이 "1",(2) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is "1" and the first signal is applied (S=1, R=0), the logical value (Q) is "1",

(3) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "0"이고 제2 신호가 인가되는 경우(S=0, R=1), 논리값(Q)이 "0",(3) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is “0” and the second signal is applied (S=0, R=1), the logical value (Q) is “0”,

(4) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "1"이고 제2 신호가 인가되는 경우(S=0, R=1), 논리값(Q)이 "0".(4) When the initial logical value Qprev of the first structure is “1” and the second signal is applied (S=0, R=1), the logical value Q is “0”.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 어떠한 신호도 인가되지 않는 경우(S=0, R=0), 제1 구조체는 논리값(Qprev)을 그대로 유지할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when no signal is applied (S=0, R=0), the first structure may maintain the logical value Qprev as it is.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 신호 및 제2 신호가 동시에 인가되는 경우(S=1, R=1), 제1 구조체의 논리값(Qprev)이 특정되지 않을 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when the first signal and the second signal are simultaneously applied (S=1, R=1), the logic value Qprev of the first structure may not be specified.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 논리 소자의 동작 방법으로서, (a) 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 적어도 두 개의 제2 구조체의 사이에, 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체를 배치하는 단계; (b) 제2 구조체에 신호를 인가하는 단계; (c) 제2 구조체의 자기소용돌이 핵(vortex-core)의 회전운동으로 제1 구조체의 핵의 회전운동을 유발하여 제1 구조체에서 논리 신호를 출력하는 단계; 를 포함하는, 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자의 동작 방법이 제공된다.And, according to one aspect of the present invention for solving the above problem, as a method of operating a logic element including a plurality of magnetic thin film structures having a magnetic vortex structure, (a) at least two magnetic thin film structures that input signals Disposing a first structure that is a magnetic thin film structure that outputs a signal between the two structures; (b) applying a signal to the second structure; (c) outputting a logic signal from the first structure by inducing rotational motion of the nucleus of the first structure by rotational motion of the vortex-core of the second structure; Including, a method of operating a logic device using a magnetic thin film structure is provided.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열적으로 안정적인 자기소용돌이의 핵 방향을 출력값으로 이용함으로써, 비휘발성 특성을 가지며 적은 에너지 소모를 가지는 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention made as described above, by using the nuclear direction of the thermally stable magnetic vortex as an output value, a logic element using a magnetic thin film structure having a nonvolatile characteristic and low energy consumption and an operation method thereof is provided. Can be implemented.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, RS 래치(latch) 소자와 동일한 논리로 동작할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, there is an effect of being able to operate with the same logic as the RS latch device.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 배치 형태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 결합 모드에 따른 각 구조체의 FFT Power를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 결합 모드에 따른 각 구조체의 개별적인 핵 위치의 공간 분포를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자의 시간 대비 자기소용돌이 핵의 속도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 RS 래치(latch) 소자의 동작에 관한 표이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자로 RS 래치(latch) 동작을 수행하는 것을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram showing an arrangement form of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing FFT power of each structure according to a coupling mode of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are schematic diagrams showing a spatial distribution of individual nuclei positions of each structure according to a coupling mode of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing a logic device using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the speed of a magnetic vortex nucleus versus time of a logic device using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a table showing the operation of the RS latch device.
8 is a graph illustrating an RS latch operation performed by a logic device using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described below refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It is to be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions over several aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated and expressed for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 배치 형태를 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing an arrangement form of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 논리 소자는, 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체(10, 20)를 복수개 포함하는 논리 소자(100)로서, 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체(10), 및 제1 구조체(10)의 적어도 두 측에 배치되고 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체(20: 21, 25)를 포함하고, 제2 구조체(20)의 자기소용돌이 핵(vortex-core)의 회전운동으로 제1 구조체(10)의 핵의 회전운동을 유발하여 제1 구조체(10)에서 논리 신호가 출력되는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1, the logic device of the present invention is a logic device 100 including a plurality of magnetic thin film structures 10 and 20 having a magnetic vortex structure, and a first structure 10 that is a magnetic thin film structure that outputs a signal. ), and a second structure (20: 21, 25) disposed on at least two sides of the first structure 10 and being a magnetic thin film structure for inputting a signal, and a magnetic vortex core of the second structure 20 -core) induces a rotational motion of the nucleus of the first structure 10, and a logic signal is output from the first structure 10.

논리 소자는 주기적으로 배열된 자기소용돌이 구조를 갖는 3개 혹은 그 이상의 자성 박막 구조체(10, 20)들을 포함할 수 있다. 자성 박막 구조체에 신호 주입 시 자성 박막 구조체에 인가된 자기소용돌이 핵의 회전운동이 그와 인접한 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동을 유발함에 따라 신호를 전달할 수 있다.The logic device may include three or more magnetic thin film structures 10 and 20 having a magnetic vortex structure arranged periodically. When a signal is injected into the magnetic thin film structure, a signal can be transmitted as the rotational motion of the magnetic vortex nuclei applied to the magnetic thin film structure induces the rotational motion of the magnetic vortex nuclei of the magnetic thin film structure adjacent thereto.

배열된 자성 박막 구조체(10, 20) 중에서, 외부로부터 최초의 신호를 입력받는 자성 박막구조체를 제2 구조체(20), 최종적으로 신호를 발현하는 자성 박막 구조체를 제1 구조체(10)로 정의한다. 예컨대, 3개의 자성 박막 구조체(10, 20)가 1 렬 또는 1 행으로 형성된다는 가정하에, 중앙에 있는 자성 박막 구조체(10)가 신호출력 자성 박막 구조체인 "제1 구조체"(10)로 정의되며, 중앙의 자성 박막 구조체(10)를 기준으로 양측 또는 상하에 위치한 2개의 자성 박막 구조체(20: 21, 25)가 신호주입 자성 박막 구조체인 "제2 구조체"(20)로 정의될 수 있다. 본 발명에서는 3개의 자성 박막 구조체를 상정하여 설명하나, 제2 구조체의 수는 논리 소자의 형상, 구조, 크기 등의 다양한 요소를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.Among the arranged magnetic thin film structures 10 and 20, the magnetic thin film structure receiving the first signal from the outside is defined as the second structure 20, and the magnetic thin film structure finally expressing the signal is defined as the first structure 10. . For example, under the assumption that three magnetic thin film structures 10 and 20 are formed in one row or one row, the magnetic thin film structure 10 in the center is defined as a "first structure" 10 which is a signal output magnetic thin film structure. In addition, two magnetic thin film structures 20 (21, 25) positioned on both sides or above and below the center magnetic thin film structure 10 may be defined as a "second structure" 20 which is a signal-injected magnetic thin film structure. . In the present invention, three magnetic thin film structures are assumed to be described, but the number of second structures may be appropriately selected in consideration of various factors such as the shape, structure, and size of the logic element.

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 직선 또는 곡선 등의 선형으로 배열될 수 있을 뿐만 아니라, 이차원의 평면형 구조로 배열될 수 있고, 나아가 삼차원의 입체형으로도 배열될 수 있다.In order to manufacture the logic element having the above structure, the magnetic thin film structure may be formed by using a thin film forming method such as sputtering, electron beam evaporation, thermal evaporation, or the like. In addition, the magnetic thin film structures may be arranged in a linear shape such as a straight line or a curved line, and may be arranged in a two-dimensional planar structure, and further, in a three-dimensional three-dimensional shape.

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 합금 등의 재질이 사용될 수 있다.The magnetic thin film structure may be formed of a ferromagnetic material, for example, a material such as cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), iron-nickel alloy, iron-nickel cobalt alloy, or iron-nickel-molybdenum alloy. Can be used.

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 자기소용돌이 구조(Vortex)가 형성된다. 이러한 자기소용돌이의 구조는 방위각 스핀파 자화 방향(polarity) 및 회전 방향(chirality)에 따라 4가지로 구분된다. 이러한 자기소용돌이 구조는 열적 안정성이 매우 높으며, 에너지적으로 매우 안정한 구조이다.In the ferromagnetic thin film, the magnetized structure formed therein is determined according to the shape, thickness, and diameter. At this time, in particular, in a cylinder having a diameter of several hundred to several micrometers and a thickness of several tens of nanometers, the core is magnetized in a direction perpendicular to the plane of the disk in the center of about 10 nm in diameter, and the peripheral part rotates clockwise/counterclockwise in the plane. A magnetic vortex structure (Vortex) with a magnetization direction is formed. The structure of such a magnetic vortex is divided into four types according to the azimuth spin wave magnetization direction (polarity) and rotation direction (chirality). This magnetic vortex structure has very high thermal stability and is very energetically stable.

본 발명의 논리 소자는 이러한 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체가 배열된 구조를 포함하며, 이러한 구조에서 자기소용돌이의 핵의 동적 거동과 자화 방향이 주변 자성 박막 구조체에 존재하는 자기소용돌이에 의해 영향을 받아 발생되는 현상을 이용한다.The logic element of the present invention includes a structure in which a magnetic thin film structure having such a magnetic vortex structure is arranged, and in this structure, the dynamic behavior and magnetization direction of the nucleus of the magnetic vortex is influenced by the magnetic vortex existing in the surrounding magnetic thin film structure. Take advantage of the phenomenon that occurs.

단일 원판형(disk type) 자성 박막 구조체 내에 존재하는 자기소용돌이는 외부에서 인가된 자기장이 없을 경우 자기소용돌이 핵이 원판의 중심에 위치하는 것이 에너지적으로 안정하다. 하지만, 특정 외부 자기장 혹은 전류가 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.In the case of a magnetic vortex existing in a single disk type magnetic thin film structure, it is energetically stable that the magnetic vortex core is located at the center of the disk when there is no external magnetic field applied. However, when a specific external magnetic field or current is applied, the magnetic vortex moves away from the center of the disk and rotates. At this time, the magnetic vortex core rotates with a specific eigen frequency according to the structure and material of the magnetic thin film structure. Therefore, if a magnetic field corresponding to the natural frequency is applied from the outside, the rotational motion of the magnetic vortex nucleus can be induced even with a small magnetic field strength due to the resonance phenomenon.

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 형성되며 주변에 표유자계(stray field)가 분포되어, 이들 간의 상호작용으로 인해 자기 박막 내부의 에너지 상태가 변하게 된다.The interaction between the surrounding magnetic vortices is due to the dipole-dipole interaction between the magnetic vortices. When the core of the magnetic vortex of a specific magnetic thin film structure is shifted from the center, the magnetic thin film structure is effectively magnetized. (effective magnetization) is formed and a stray field is distributed around it, and the energy state inside the magnetic thin film is changed due to the interaction between them.

해당 표유자계(stray field)는 자기소용돌이 핵이 회전함에 따라 반대의 회전 방향과 주파수를 가지고 회전하게 된다. 이때, 회전하는 표유자계(stray field)는 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. The stray field rotates with the opposite rotation direction and frequency as the magnetic vortex core rotates. At this time, the rotating stray field interacts with the magnetic vortex nuclei existing inside the other disk-shaped magnetic thin film around and induces the rotational motion of the magnetic vortex nuclei existing inside the adjacent magnetic thin film. Therefore, if the rotational motion of the magnetic vortex nuclei is induced in a specific disk-shaped magnetic thin film structure using an external magnetic field and current, the position of the magnetic vortex nuclei existing in the adjacent disk magnetic thin film structure is changed by the dipole-dipole interaction between the surrounding magnetic vortex. As it changes sequentially, the rotational motion of the magnetic vortex propagates around.

본 발명의 논리 소자에 있어서, 외부에서 신호를 입력하기 위하여 상술한 신호주입 자성 박막에 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. In the logic element of the present invention, applying the rotational motion of the magnetic vortex nuclei to the signal-injected magnetic thin film described above in order to input a signal from the outside, the position of the magnetic vortex nucleus of the signal-injected magnetic thin film is changed to the center of the magnetic thin film structure It can be done by deviating from Here, the center refers to the position when the magnetic vortex nucleus is in a stable state without being affected by the external magnetic field. For example, it refers to the center of gravity in circular, elliptical, regular polygon, rhombus, and rectangular thin films.

해당 신호주입 자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시키는 것은, 신호주입 자성 박막 구조체(제2 구조체)에 자기장을 인가하거나 전류를 인가함에 의해 이루어질 수 있다. 여기서, 신호주입 자성 박막 구조체에 자기장을 직접 인가하는 방법으로는, 예를 들어 선형 자기장 또는 펄스 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.Detaching the position of the magnetic vortex nuclei of the signal-injected magnetic thin film structure from the center may be achieved by applying a magnetic field or applying a current to the signal-injecting magnetic thin film structure (second structure). Here, as a method of directly applying a magnetic field to the signal-injected magnetic thin film structure, for example, there is a method of applying a linear magnetic field or a pulse magnetic field. In a method of applying a linear magnetic field or a pulsed magnetic field, a magnetic field may be generated by arranging a conductive wire parallel to the magnetic thin film structure above or below the magnetic thin film structure and passing a current through the conductive wire.

여기서, 자기소용돌이의 고유 모드의 공명 현상을 이용하여 작은 전력으로 큰 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 자성 박막에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 진동수를 갖는 자기장을 형성하여 자성 박막 구조체에 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 큰 신호를 발생시킬 수 있다.Here, it is possible to generate a large signal with small power by using the resonance phenomenon of the inherent mode of the magnetic vortex. That is, by forming a magnetic field having the same frequency as the natural frequency of the magnetic vortex formed in the magnetic thin film and applying it to the magnetic thin film structure, a large signal can be generated even with small energy due to the resonance phenomenon.

다시 도 1을 참조하면, 정자기 결합된(magnetostatically coupled) 3개의 자성 박막 구조체(자기 디스크)(10, 20) 배열이 도시될 수 있다. RS 래치의 출력 신호는 입력 신호뿐만 아니라, 이미 저장된 상태에 따라서도 달라질 수 있다. 기존의 여러개의 트랜지스터로 구성된 RS 래치 로직은 일반적으로 휘발성이지만, 본 발명의 RS 래치는 비휘발성이고 무제한의 내구성을 가지며, 저댐핑 소재를 사용하기 때문에 저전력으로 구동가능하고, 특정 결합 모드(coupled mode)에서 공진할 수 있다.Referring back to FIG. 1, an arrangement of three magnetic thin film structures (magnetic disks) 10 and 20 that are magnetically coupled may be shown. The output signal of the RS latch may vary depending on not only the input signal but also the state already stored. The conventional RS latch logic composed of several transistors is generally volatile, but the RS latch of the present invention is non-volatile and has unlimited durability, and can be driven at low power due to the use of a low damping material, and a specific coupled mode (coupled mode) ) Can resonate.

일 실시예로, 직경 D = 303nm, 두께 t= 30nm, 간격 Dint = 3nm인 3개의 퍼멀로이(Py: Ni81Fe19) 자성 박막 구조체를 사용하였다. 본 명세서에서는 도 1의 상부와 같이, 제1 구조체(10) 및 제2 구조체(20)의 자기소용돌이가 모두 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 "제1 타입(Type Ⅰ)"이라고 한다. 그리고, 도 1의 하부와 같이, 제1 구조체(10)의 자기소용돌이가 하향 핵 자화(downward core magnetization)이고, 제2 구조체(20)의 자기소용돌이가 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 "제2 타입(Type Ⅱ)"이라고 한다. 제1, 2 타입 모두 평면 회전 자화는 반시계(CCW) 방향으로 상정한다.As an example, three permalloy (Py: Ni 81 Fe 19 ) magnetic thin film structures having a diameter D = 303 nm, a thickness t = 30 nm, and an interval D int = 3 nm were used. In the present specification, as shown in the upper part of FIG. 1, the form in which the magnetic vortex of the first structure 10 and the second structure 20 is both upward core magnetization is referred to as "type I". . And, as shown in the lower part of FIG. 1, the magnetic vortex of the first structure 10 is downward core magnetization, and the magnetic vortex of the second structure 20 is upward core magnetization. It is referred to as "Type II". In both the first and second types, planar rotation magnetization is assumed to be counterclockwise (CCW).

제1, 2 타입의 자기소용돌이 구성에서 개별 자화의 움직임을 풀기 위해, Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 식을 사용하는 oommf, mumax3 등의 미소자기전산모사 (micromagnetic simulation) 코드를 사용하거나, 직접 식을 풀 수 있다.In order to solve the movement of individual magnetization in the first and second type magnetic vortex configurations, micromagnetic simulation codes such as oommf and mumax3 using Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equations are used, or direct equations Can be solved.

Figure 112019039606165-pat00001
Figure 112019039606165-pat00001

[Heff는 전체 유효 필드(total effective field), Ms는 포화 자화(saturation magnetizaton), α는 Gilbert 댐핑 상수(damping constant)][H eff is the total effective field, M s is the saturation magnetizaton, α is the Gilbert damping constant]

퍼멀로이(Py)의 파라미터는, Ms = 8.6 X 105 A/M, 교환 강성 상수(exchange stiffness constant) Aex = 1.3 X 10-11 J/M, Gilbert 댐핑 상수 α=0.01, 자감비(gyromagnetic ratio) γ = 2.21 X 105 M/A˙S, 자기결정이방성은 0 이다. 셀 크기는 3 X 3 X 30 nm3이다.The parameters of Permalloy (Py) are M s = 8.6 X 10 5 A/M, exchange stiffness constant A ex = 1.3 X 10 -11 J/M, Gilbert damping constant α=0.01, gyromagnetic ratio) γ = 2.21 X 10 5 M/A˙S, self-crystallization anisotropy is 0. The cell size is 3 X 3 X 30 nm 3 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 결합 모드에 따른 각 구조체의 FFT Power를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing FFT power of each structure according to a coupling mode of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.

제1, 2 타입에서 가능한 결합 모드를 모두 살펴볼 수 있도록, 좌측의 제2 구조체에 +x 방향으로 정자기장을 가함으로써 초기에 중심에 위치한 핵을 +y 방향으로 옮겼다. 자기장의 인가를 해제하고, 각 구조체의 핵의 위치를 모니터링하고, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transformations, FFTs)을 수행하였다. 도 2처럼 제1, 2 타입 별로 각각의 구조체에서 FFT Power 스펙트럼이 다르게 나타나며, 2개 또는 3개의 피크가 관찰된다. α=0.01인 경우에서 굵은선과 같은 결과가 나타났지만, α=0.0001인 경우라면 얇은선처럼 피크가 나타날 수 있다.In order to examine all possible coupling modes in the first and second types, a static magnetic field was applied to the second structure on the left in the +x direction, so that the nucleus located at the center was initially moved in the +y direction. The application of the magnetic field was released, the position of the nucleus of each structure was monitored, and Fast Fourier Transformations (FFTs) were performed. As shown in FIG. 2, the FFT power spectrum appears differently in each structure for each of the first and second types, and two or three peaks are observed. In the case of α=0.01, the same result as a thick line appeared, but in the case of α=0.0001, the peak may appear like a thin line.

각각의 피크는 ωi/2π, i=Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에 대응한다. 제1 타입에서는 Ⅰ=661, Ⅱ=771, Ⅲ=811(MHz)이고, 제2 타입에서는 Ⅰ=604, Ⅱ=771, Ⅲ=889(MHz)이다. 각 모드는 모든 구조체에서 공진 주파수를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1, 2 타입 모두 제1 구조체의 모드 Ⅱ(ωⅡ)에서 공진 피크가 사라졌음을 확인할 수 있다. 전반적으로, 3개의 다른 모드의 피크와 각 디스크 사이의 피크 차이는 3개의 구조체의 결합 모드 특성에서 기인한 것이다.Each peak corresponds to ω i /2π, i = I, II, III. In the first type, I = 661, II = 771, and III = 811 (MHz), and in the second type, I = 604, II = 771, and III = 889 (MHz). Each mode represents the resonant frequency in all structures. Referring to FIG. 2, it can be seen that the resonance peak disappears in mode II (ω II ) of the first structure in both the first and second types. Overall, the peak difference between the three different modes and the peaks between each disk is due to the bonding mode characteristics of the three structures.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 결합 모드에 따른 각 구조체의 개별적인 핵 위치의 공간 분포를 나타내는 모식도이다.3 and 4 are schematic diagrams showing a spatial distribution of individual nuclei positions of each structure according to a coupling mode of a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.

각각 결합 모드의 모든 피크의 역 FFTs(1MHz window)로부터 개별적으로 구조체의 핵 모션 사이의 공간 상관(spatial correlation)을 추출했다. 도 3 및 도 4에는 핵 위치의 Y 성분과 함께 각각의 구조체에서 코어의 궤도(화살표 및 원)를 나타냈다.Spatial correlation between the nuclear motions of the structures was individually extracted from the inverse FFTs (1MHz window) of all peaks in each coupling mode. 3 and 4 show the core trajectories (arrows and circles) in each structure together with the Y component of the nuclear position.

결합 모드 Ⅰ(ωⅠ)에서, 세 개의 핵은 모두 동 위상(in-phase)를 나타낸다. 결합 모드 Ⅱ(ωⅡ)에서, 제1 구조체(10)의 핵(가운데 핵)은 노드(코어 모션 없음)로 작용한다. 결합 모드 Ⅲ (ωⅢ)에서, 세 개의 핵은 모두 다른 위상(out-of-phase)를 나타낸다.In coupled mode I (ω I ), all three nuclei are in-phase. In the coupled mode II (ω II ), the nucleus (middle nucleus) of the first structure 10 acts as a node (no core motion). In binding mode III (ω III ), all three nuclei exhibit out-of-phase.

결합 모드 Ⅰ에서 제1, 2 타입의 자기소용돌이 구성에 기초하여, 결합 모드 Ⅰ이 충분한 필드 강도로 여기될 때 제1 구조체(10)(가운데 디스크)가 스위칭(반전) 될 수 있다. 결합 모드 Ⅱ는 제1 구조체(10)에서 거의 회전을 보이지 않고, 결합 모드 Ⅲ은 제1, 2 구조체(10, 20)의 핵 궤도 반경이 비슷하게 나타나는 반면, 결합 모드 Ⅰ만이 제1 구조체(10)의 핵 궤도 반경이 양측의 제2 구조체(20)의 핵 궤도 반경보다 크게 나타나기 때문이다.Based on the magnetic vortex configurations of the first and second types in the coupling mode I, the first structure 10 (middle disk) can be switched (inverted) when the coupling mode I is excited with sufficient field strength. Coupling mode II shows almost no rotation in the first structure 10, while bonding mode III shows similar nuclear orbital radii of the first and second structures 10, 20, whereas only the bonding mode I shows the first structure 10 This is because the nuclear orbital radius of is larger than the nuclear orbital radius of the second structures 20 on both sides.

결합 모드 Ⅱ, Ⅲ을 통해서는 제1 구조체(10)의 핵 궤도 반경(핵 속도)이 임계 궤도 반경(임계 핵 속도)에 도달하기에 충분하지 않기 때문에, 제1 구조체(10, 20)에서 자기소용돌이 핵 스위칭이 나타나지 않는다. AC 자기장을 제1, 2 타입의 양 단부 제2 구조체(20)에 인가함으로써, 결합 모드 Ⅰ에서 제1 구조체(10)의 자기소용돌이 핵 스위칭을 수행할 수 있다.Since the nuclear orbital radius (nuclear velocity) of the first structure 10 is not sufficient to reach the critical orbital radius (critical nuclear velocity) through the coupling modes II and III, the magnetic field in the first structure 10 and 20 No swirling nucleus switching appears. By applying an AC magnetic field to the second structures 20 at both ends of the first and second types, magnetic vortex nuclei switching of the first structure 10 can be performed in the coupling mode I.

즉, 제1 타입 또는 제2 타입의 제2 구조체(20)에 인가되는 신호에 따라서 제1 구조체(10)에서 출력되는 논리 신호가 각각 다르게 나타날 수 있게 된다. 본 발명의 일 실시예에 해당하는 시스템에서, 제1 타입과 제2 타입에 대한 결합 모드 Ⅰ의 공진 주파수는 각각 661, 604 MHz에 대응한다. 또한, 본 명세서에서, 제1 타입에 대한 결합 모드 Ⅰ의 공진 주파수를 "제1 신호", 제2 타입에 대한 결합 모드 Ⅰ의 공진 주파수를 "제2 신호"라고 지칭한다.That is, the logic signals output from the first structure 10 may appear differently depending on the signal applied to the first type or the second type of the second structure 20. In the system according to the embodiment of the present invention, the resonance frequencies of the coupling mode I for the first type and the second type correspond to 661 and 604 MHz, respectively. In addition, in this specification, the resonance frequency of the coupling mode I for the first type is referred to as a "first signal" and the resonance frequency of the coupling mode I for the second type is referred to as a "second signal".

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자(100)를 나타내는 모식도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자의 시간 대비 자기소용돌이 핵의 속도를 나타내는 그래프이다.5 is a schematic diagram showing a logic device 100 using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention. 6 is a graph showing the speed of a magnetic vortex nucleus versus time of a logic device using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 제1 타입 또는 제2 타입의 양측에 배치되는 제2 구조체(20: 21, 25)에 신호를 인가할 수 있다. 제2 구조체(20: 21, 25)에만 금속 전극(30)을 연결하고,

Figure 112019039606165-pat00002
[ωH = ωⅠ, Ho = 2.5mT] 의 AC 자기장을 인가할 수 있다.Referring to FIG. 5, a signal may be applied to the second structures 20: 21 and 25 disposed on both sides of the first type or the second type. The metal electrode 30 is connected only to the second structure (20: 21, 25),
Figure 112019039606165-pat00002
[ω H = ω Ⅰ , H o = 2.5mT] AC magnetic field can be applied.

도 6을 참조하면, 제1, 2 타입의 각 결합 모드에 따른 핵 속도가 도시된다. 제1 타입, 제2 타입에서 각각 제1 신호, 제2 신호에 따른 결합 모드 Ⅰ에서 vcrit = 330 ± 37 m/s에 도달할 수 있다. 제1 구조체(10)의 핵 스위칭은 제1 타입에서 t = 12.4 ns, 제2 타입에서 t = 17.7 ns에서 발생될 수 있다. 결합 모드 Ⅰ에서도 제1, 2 타입의 제2 구조체(20)는 핵 스위칭이 발생될 정도의 임계 핵 속도에 도달하지 못한다. 제1 타입의 제1 구조체(10)의 핵 자화 방향이 위에서 아래로 스위칭 되면 제 1 신호로 공진하지 않게 되며, 제2 타입의 제1 구조체(10)의 핵 자화 방향이 아래에서 위로 스위칭 되면 제 2 신호로 공진하지 않게 된다. 따라서 핵 속도는 느려진다.Referring to FIG. 6, the nuclear velocities according to the respective coupling modes of the first and second types are shown. The first type and the second type may reach v crit = 330 ± 37 m/s in the combined mode I according to the first signal and the second signal, respectively. The nuclear switching of the first structure 10 may occur at t = 12.4 ns in the first type and t = 17.7 ns in the second type. Even in the coupling mode I, the second structures 20 of the first and second types do not reach a critical nuclear velocity such that nuclear switching occurs. When the nuclear magnetization direction of the first structure 10 of the first type is switched from top to bottom, it does not resonate with the first signal. When the nuclear magnetization direction of the first structure 10 of the second type is switched from bottom to the top, It does not resonate with 2 signals. Thus, the speed of the nucleus slows down.

도 7은 RS 래치(latch) 소자의 동작에 관한 표이다. 7 is a table showing the operation of the RS latch device.

현재 존재하는 RS 래치 소자는 쌍안정 상태에 기반하여 출력을 나타낸다. 다른 입력이 적용될 때까지, 현재 설정 상태는 래치된(latched) 상태로 유지될 수 있다. 이 소자는 "S"로 나타내는 "SET", "R"로 나타내는 "RESET"의 두가지 입력으로 동작할 수 있다. "S" 입력은 출력 "Q"를 "1"로 설정(set)하고, "R" 입력은 "Q"를 "0"으로 재설정(reset) 할 수 있다.Currently existing RS latch elements represent outputs based on the bistable state. Until another input is applied, the current setting state can be held in a latched state. The device can operate with two inputs: "SET" represented by "S" and "RESET" represented by "R". The "S" input sets the output "Q" to "1", and the "R" input resets the "Q" to "0".

도 7을 참조하면, 현재 설정된 상태를 "Qprev"로 나타낼 수 있다. S와 R의 입력이 둘 다 0인 경우, 출력 Q는 이전의 Qprev의 상태를 유지할 수 있다. S와 R의 입력이 각각 0과 1인 경우, RS 래치는 재설정(reset) 될 수 있다. 반대로, S와 R의 입력이 각각 1과 0인 경우, RS 래치는 설정(set) 될 수 있다. 만약 S와 R의 입력이 둘 다 1인 경우, 출력은 예측할 수 없게 될 수 있다.Referring to FIG. 7, the currently set state may be represented by “Qprev”. If the inputs of S and R are both 0, the output Q can maintain the state of the previous Qprev. When the inputs of S and R are 0 and 1, respectively, the RS latch can be reset. Conversely, when the inputs of S and R are 1 and 0, respectively, the RS latch can be set. If the inputs of S and R are both 1, the output may become unpredictable.

기존의 여러개의 트랜지스터로 구성된 RS 래치 로직은 일반적으로 휘발성이다. 하지만, 본 발명의 RS 래치는 비휘발성이고 무제한의 내구성을 가지며, 저댐핑 소재를 사용하기 때문에 저전력으로 구동가능하고, 특정 결합 모드(coupled mode)에서 공진할 수 있다. 본 발명의 상술한 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자(100)의 제2 구조체(20)에 입력하는 제1, 2 신호에 따라서 논리 소자(100)가 RS 래치 소자와 동일한 출력을 나타내도록 동작시킬 수 있게 된다.Conventional RS latch logic consisting of multiple transistors is generally volatile. However, the RS latch of the present invention is non-volatile and has unlimited durability, and can be driven with low power because it uses a low-damping material, and can resonate in a specific coupled mode. According to the first and second signals input to the second structure 20 of the logic device 100 using the magnetic thin film structure of the present invention, the logic device 100 can be operated to display the same output as the RS latch device. There will be.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자(100)로 RS 래치(latch) 동작을 수행하는 것을 나타내는 그래프이다. Q값은 TMR(tunneling magnetoresistance) 정션에 구조에 기초한 수직전류를 이용하는 방법을 통해 전자적인 측정장비로 판독할 수 있다.8 is a graph showing an RS latch operation performed by the logic device 100 using a magnetic thin film structure according to an embodiment of the present invention. The Q value can be read with an electronic measuring device by using a structure-based vertical current at the TMR (tunneling magnetoresistance) junction.

수직 전류를 이용하는 방법에 따르면, 제1 구조체의 자기소용돌이 핵의 방향에 따른 자기저항의 변화를 이용한 신호 인식을 위하여 자성 박막 구조체를 자기소용돌이 구조를 갖는 자유층과 중간층 및 편향층을 갖도록 구성한다. 편향층은 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.According to the method using a vertical current, the magnetic thin film structure is configured to have a free layer having a magnetic vortex structure, an intermediate layer, and a deflection layer for signal recognition using a change in magnetoresistive resistance according to the direction of the magnetic vortex nucleus of the first structure. The deflection layer is a layer having magnetization in the vertical direction, and has strong magnetic anisotropy, so that the magnetization direction does not change easily due to external current or magnetic field. In such a structure, when a current is applied, a spin deflection current is formed while passing through the deflection layer, and a torque is formed according to the correlation between the spin direction of the current and the magnetization direction of the magnetic vortex nucleus, and rotation of the magnetic vortex nucleus occurs. Here, the deflection layer is made of a material having perpendicular magnetic anisotropy such as Co/Pt, Co/Pd, CoPt, CoPd, CoCrPt, FePt, FePd, and the like, and the intermediate layer may be made of a non-magnetic metal material such as Cu.

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 논리 소자에서 출력값을 판독할 수 있다.In the magnetic thin film structure of this structure, when the rotational motion of the magnetic vortex occurs in the free layer, the ratio of the horizontal magnetic component changes over time between the free layer and the fixed layer, resulting in a change in magnetoresistance. Can be read.

본 발명의 논리 소자(100)에서, S=1은 제1 타입인 경우 결합 모드 I에 해당하는 AC 필드 ωH = ωⅠ = 2π X 661 MHz 를 제2 구조체(20)에 인가하는 경우를 나타낸다. R=1은 제2 타입 경우 결합 모드 I에 해당하는 AC 필드 ωH = ωⅠ = 2π X 604 MHz 를 제2 구조체(20)에 인가하는 경우를 나타낸다. S=0 및 R=0은 널 신호(null signal)을 나타낸다. 출력 Q=0은 제1 구조체(10)가 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 경우에 대응하고, 출력 Q=1은 제1 구조체(10)가 하향 핵 자화(downward core magnetization)인 경우에 대응한다. Qprev는 해당 신호 인가 직전에 인가된 특정 신호에 대한, 기설정된 상태의 출력을 나타낸다.In the logic element 100 of the present invention, S=1 represents a case in which an AC field corresponding to the coupling mode I ω H = ω I = 2π X 661 MHz is applied to the second structure 20 in the case of the first type. . In the case of the second type, R=1 indicates a case where an AC field ω H = ω I = 2π X 604 MHz corresponding to the coupling mode I is applied to the second structure 20. S=0 and R=0 represent null signals. Output Q=0 corresponds to the case where the first structure 10 is upward core magnetization, and the output Q=1 corresponds to the case where the first structure 10 is downward core magnetization. do. Qprev represents an output in a preset state for a specific signal applied immediately before application of the corresponding signal.

도 8을 참조하면, 제1 타입(Qprev=0)에서 제2 구조체(20: 21, 25)에 결합 모드 I에 해당하는 공명 주파수를 가지는 신호(제1 신호)를 인가한 경우(S=1, R=0에 대응), 제1 구조체(10)는 하향 핵 자화로 스위칭 할 수 있다(Qprev=0 -> Q=1). 반대로, 제2 타입(Qprev=1)에서 제1 신호를 인가한 경우(S=1, R=0에 대응), 제1 구조체(10)는 하향 핵 자화 상태를 유지할 수 있다(Qprev=1 -> Q=1). 이는 제1 타입과 제2 타입이 결합 모드에 대한 주파수가 제1 신호, 제2 신호로 각각 다르기 때문이다.Referring to FIG. 8, when a signal (first signal) having a resonant frequency corresponding to the coupling mode I is applied to the second structure (20:21, 25) in the first type (Qprev=0) (S=1 , Corresponding to R=0), the first structure 10 may switch to downward nuclear magnetization (Qprev=0 -> Q=1). Conversely, when the first signal is applied in the second type (Qprev = 1) (corresponding to S = 1 and R = 0), the first structure 10 may maintain a downward nuclear magnetization state (Qprev = 1- > Q=1). This is because the first type and the second type have different frequencies for the combined mode as the first signal and the second signal, respectively.

동일한 원리로, 제2 타입(Qprev=1)에서 제2 구조체(20: 21, 25)에 결합 모드 I에 해당하는 공명 주파수를 가지는 신호(제2 신호)를 인가한 경우(S=0, R=1에 대응), 제1 구조체(10)는 상향 핵 자화로 스위칭 할 수 있다(Qprev=1 -> Q=0). 반대로, 제1 타입(Qprev=0)에서 제2 신호를 인가한 경우(S=0, R=1에 대응), 제1 구조체(10)는 상향 핵 자화 상태를 유지할 수 있다(Qprev=0 -> Q=0).According to the same principle, when a signal (second signal) having a resonant frequency corresponding to the coupling mode I is applied to the second structure (20:21, 25) in the second type (Qprev=1) (S=0, R = 1), the first structure 10 can switch to upward nuclear magnetization (Qprev = 1 -> Q = 0). Conversely, when the second signal is applied in the first type (Qprev=0) (corresponding to S=0, R=1), the first structure 10 may maintain an upward nuclear magnetization state (Qprev=0 − > Q=0).

어떠한 신호도 인가되지 않는 경우, 즉, 널 신호(null signal)를 인가한 경우(S=0, R=0), Q=Qprev로서 Q 값을 유지할 수 있다. 또한, 제1, 2 신호에 해당하지 않는 신호를 인가한 경우도 S=0, R=0, Q=Qprev로서 Q 값을 유지하는 경우가 나타날 수 있다.When no signal is applied, that is, when a null signal is applied (S=0, R=0), the Q value can be maintained as Q=Qprev. In addition, even when a signal not corresponding to the first and second signals is applied, the Q value may be maintained as S=0, R=0, and Q=Qprev.

반대로, 제1 신호와 제2 신호를 제1, 2 타입에 동시에 인가한 경우(S=1, R=1), Qprev=0일때는 제1 신호에 대응하여 Q=1로 스위칭되고, 동시에 Qprev=1 일때는 제2 신호에 대응하여 Q=0으로 스위칭이 되는, 즉, 반복적인 제1 구조체(10)의 스위칭이 나타나게 되므로, Q값을 예측할 수 없게 된다.Conversely, when the first signal and the second signal are simultaneously applied to the first and second types (S=1, R=1), when Qprev=0, the switch is switched to Q=1 corresponding to the first signal, and at the same time Qprev When =1, Q=0 is switched in response to the second signal, that is, repetitive switching of the first structure 10 occurs, so that the Q value cannot be predicted.

위와 같은 S, R, Q 값의 신호 변화는 정확히 RS 래치 동작과 일치한다.The above signal change of S, R, and Q values exactly coincide with RS latch operation.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been shown and described with reference to a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above embodiment, and within the scope not departing from the spirit of the present invention, various Transformation and change are possible. Such modifications and variations should be viewed as falling within the scope of the present invention and the appended claims.

100: 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 포함하는 논리 소자
10: 제1 구조체
20: 제2 구조체
30: 금속 전극100: logic element including a magnetic thin film structure having a magnetic vortex structure
10: first structure
20: second structure
30: metal electrode

Claims (12)

자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 논리 소자로서,
신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체; 및
제1 구조체의 적어도 두 측에 배치되고 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체
를 포함하고,
제2 구조체의 자기소용돌이 핵(vortex-core)의 회전운동으로 제1 구조체의 핵의 회전운동을 유발하여 제1 구조체에서 논리 신호가 출력되며,
(a) 제1 구조체 및 제2 구조체의 자기소용돌이가 모두 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제1 타입,
(b) 제1 구조체의 자기소용돌이가 하향 핵 자화(downward core magnetization)이고, 제2 구조체의 자기소용돌이가 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제2 타입
이라고 할 경우,
제1 타입 또는 제2 타입의 제2 구조체에 인가되는 신호에 따라 제1 구조체에서 논리 신호가 각각 다르게 출력되는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.A logic device including a plurality of magnetic thin film structures having a magnetic vortex structure,
A first structure that is a magnetic thin film structure that outputs a signal; And
A second structure that is a magnetic thin film structure that is disposed on at least two sides of the first structure and inputs a signal
Including,
A logic signal is output from the first structure by causing the rotational motion of the nucleus of the first structure by the rotational motion of the vortex-core of the second structure,
(a) a first type in which both the magnetic vortex of the first structure and the second structure are upward core magnetization,
(b) The magnetic vortex of the first structure is downward core magnetization, and the magnetic vortex of the second structure is upward core magnetization.
If you say,
Logic signals are output differently from the first structure according to the signal applied to the first type or the second type of the second structure,
Logic device using a magnetic thin film structure. 제1항에 있어서,
제2 구조체는 제1 구조체의 양 측에 이격 배치되고, 제2 구조체는 전류 또는 자기장을 인가받는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 1,
The second structure is spaced apart from both sides of the first structure, and the second structure is applied with a current or a magnetic field,
Logic device using magnetic thin film structure. 삭제delete 제1항에 있어서,
제1 신호는 제1 타입의 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 공명 주파수이고,
제2 신호는 제2 타입의 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 공명 주파수인,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 1,
The first signal is the resonant frequency of all the first and second structures of the first type,
The second signal is the resonant frequency of all the first and second structures of the second type,
Logic device using magnetic thin film structure. 제4항에 있어서,
제1 신호를 제1 타입의 제2 구조체에 인가하면, 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동이 동 위상(in-phase)을 나타내는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 4,
When the first signal is applied to the second structure of the first type, the rotational motion of the magnetic vortex nuclei of all the first structure and the second structure is in-phase,
Logic device using magnetic thin film structure. 제4항에 있어서,
제2 신호를 제2 타입의 제2 구조체에 인가하면, 모든 제1 구조체와 제2 구조체의 자기소용돌이 핵의 회전운동이 동 위상(in-phase)을 나타내는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 4,
When a second signal is applied to the second structure of the second type, the rotational motion of the magnetic vortex nuclei of all the first structure and the second structure is in-phase,
Logic device using magnetic thin film structure. 제1항에 있어서,
제1 신호를 제1 타입의 제2 구조체에 인가하면, 제1 구조체의 자기소용돌이 핵의 자화가 스위칭(switching)되고,
제2 신호를 제2 타입의 제2 구조체에 인가하면, 제1 구조체의 자기소용돌이 핵의 자화가 스위칭(switching)되는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 1,
When the first signal is applied to the second structure of the first type, the magnetization of the magnetic vortex nuclei of the first structure is switched,
When the second signal is applied to the second structure of the second type, the magnetization of the magnetic vortex nuclei of the first structure is switched,
Logic device using magnetic thin film structure. 제4항에 있어서,
제1 구조체가 상향 핵 자화인 형태의 논리값(Q)을 "0", 하향 핵 자화인 형태의 논리값(Q)을 "1"로 지정하는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 4,
Designating the logical value Q in the form of the upward nuclear magnetization as "0" and the logic value Q in the form of the downward nuclear magnetization as "1",
Logic device using magnetic thin film structure. 제8항에 있어서,
제1 신호 또는 제2 신호가 인가될 때, 아래의 (1) 내지 (4)로 논리값(Q)이 지정되는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.
(1) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "0"이고 제1 신호가 인가되는 경우(S=1, R=0), 논리값(Q)이 "1",
(2) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "1"이고 제1 신호가 인가되는 경우(S=1, R=0), 논리값(Q)이 "1",
(3) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "0"이고 제2 신호가 인가되는 경우(S=0, R=1), 논리값(Q)이 "0",
(4) 제1 구조체의 초기 논리값(Qprev)이 "1"이고 제2 신호가 인가되는 경우(S=0, R=1), 논리값(Q)이 "0".The method of claim 8,
When the first signal or the second signal is applied, the logical value Q is designated as (1) to (4) below,
Logic device using magnetic thin film structure.
(1) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is “0” and the first signal is applied (S=1, R=0), the logical value (Q) is “1”,
(2) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is "1" and the first signal is applied (S=1, R=0), the logical value (Q) is "1",
(3) When the initial logical value (Qprev) of the first structure is “0” and the second signal is applied (S=0, R=1), the logical value (Q) is “0”,
(4) When the initial logical value Qprev of the first structure is “1” and the second signal is applied (S=0, R=1), the logical value Q is “0”. 제8항에 있어서,
어떠한 신호도 인가되지 않는 경우(S=0, R=0), 제1 구조체의 논리값(Q)은 초기 논리값(Qprev)을 그대로 유지하는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 8,
When no signal is applied (S=0, R=0), the logical value Q of the first structure maintains the initial logical value Qprev,
Logic device using magnetic thin film structure. 제8항에 있어서,
제1 신호 및 제2 신호가 동시에 인가되는 경우(S=1, R=1), 제1 구조체의 논리값(Q)이 특정되지 않는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자.The method of claim 8,
When the first signal and the second signal are simultaneously applied (S=1, R=1), the logic value Q of the first structure is not specified,
Logic device using magnetic thin film structure. 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 논리 소자의 동작 방법으로서,
(a) 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 적어도 두 개의 제2 구조체의 사이에, 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체를 배치하는 단계;
(b) 제2 구조체에 신호를 인가하는 단계;
(c) 제2 구조체의 자기소용돌이 핵(vortex-core)의 회전운동으로 제1 구조체의 핵의 회전운동을 유발하여 제1 구조체에서 논리 신호를 출력하는 단계;
를 포함하고,
(1) 제1 구조체 및 제2 구조체의 자기소용돌이가 모두 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제1 타입,
(2) 제1 구조체의 자기소용돌이가 하향 핵 자화(downward core magnetization)이고, 제2 구조체의 자기소용돌이가 상향 핵 자화(upward core magnetization)인 형태를 제2 타입
이라고 할 경우,
제1 타입 또는 제2 타입의 제2 구조체에 인가되는 신호에 따라 제1 구조체에서 논리 신호가 각각 다르게 출력되는,
자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자의 동작 방법.A method of operating a logic device including a plurality of magnetic thin film structures having a magnetic vortex structure,
(a) disposing a first structure that is a magnetic thin film structure that outputs a signal between at least two second structures that are magnetic thin film structures that input signals;
(b) applying a signal to the second structure;
(c) outputting a logic signal from the first structure by inducing rotational motion of the nucleus of the first structure by rotational motion of the vortex-core of the second structure;
Including,
(1) a first type in which the magnetic vortex of the first structure and the second structure are both upward core magnetization,
(2) The magnetic vortex of the first structure is downward core magnetization, and the magnetic vortex of the second structure is upward core magnetization.
If you say,
Logic signals are output differently from the first structure according to the signal applied to the first type or the second type of the second structure,
A method of operating a logic device using a magnetic thin film structure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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