KR102517250B1 - 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자 - Google Patents

자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR102517250B1
KR102517250B1 KR1020200152816A KR20200152816A KR102517250B1 KR 102517250 B1 KR102517250 B1 KR 102517250B1 KR 1020200152816 A KR1020200152816 A KR 1020200152816A KR 20200152816 A KR20200152816 A KR 20200152816A KR 102517250 B1 KR102517250 B1 KR 102517250B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
magnetic
magnetic thin
signal
signal transmission
Prior art date
Application number
KR1020200152816A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220066604A (ko
Inventor
김상국
조영준
고관협
이길호
김준회
Original Assignee
서울대학교산학협력단
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단, 삼성전자주식회사 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020200152816A priority Critical patent/KR102517250B1/ko
Priority to US17/523,027 priority patent/US12080941B2/en
Publication of KR20220066604A publication Critical patent/KR20220066604A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102517250B1 publication Critical patent/KR102517250B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/31—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive using thin films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 신호 전달 소자로서, 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체; 제1 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 전달하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체; 및 제2 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제3 구조체를 포함하고, 제1 구조체와 제3 구조체는 대칭 형태이며, 제2 구조체는 비대칭 형태인 것을 특징으로 한다.

Description

자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자 {SIGNAL TRANSFERRING DEVICE USING MAGNETIC THIN FILM STRUCTURE}
본 발명은 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적은 에너지 소모를 가지고, 파동 특성의 제어가 쉬운 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자에 관한 것이다.
정보 신호의 멀티플렉싱 기능은 컴퓨터 네트워크와 함께 통신 기술에서 데이터 전송에 널리 사용되는 핵심이다. 데이터 전송에서 단일 전송 라인을 통해 다중 데이터 신호를 전송하는 것은 각종 분야에서 목표가 되고 있다. 또한, 효율적으로 회로를 통해 신호를 전송하는 수단으로서, 시간 분할(time division) 및 주파수 분할(frequency division)의 가능성이 실험적으로 입증되었다.
한편, 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.
자기소용돌이는 면에 수직방향인 자기소용돌이 핵(core) 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 또는 스커미온(skymion) 구조를 갖는 자성 박막 구조체들이 여러 개 인접해 있으면 그에 따른 결합 모드(coupled mode), 결합된 회전 모드(coupled gyration mode)가 존재하게 된다.
자기소용돌이 또는 스커미온을 이용하면 적은 에너지로도 쉽게 신호를 발생시킬 수 있으며, 에너지 손실이 거의 없고, 빠른 전파속도 및 제어 가능성이 있으므로, 통신 소자, 메모리 소자, 논리 소자 등 정보 처리 소자로의 응용이 기대된다.
그러나 이러한 종래의 자기소용돌이 또는 스커미온을 이용하는 기술은, 결합 모드에서의 신호 전달에 대해서 응용이 보고되었으나, 선택적으로 신호를 전달하거나, 신뢰할 수 있는 신호 전달 제어에 대해서는 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 적은 에너지 소모를 가지고, 파동 특성의 제어가 쉬운 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 선택적으로 신호를 전달할 수 있고, 신뢰성 있는 신호 전달이 가능한 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 신호 전달 소자로서, 신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체; 제1 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 전달하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체; 및 제2 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제3 구조체를 포함하고, 제1 구조체와 제2 구조체는 대칭 형태이며, 제2 구조체는 비대칭 형태인, 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 구조체, 및 제3 구조체는 전체적으로 디스크(disk) 형태이고, 제2 구조체는 디스크 형태에서 적어도 일부가 비대칭한 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 구조체는 디스크 형태에서 적어도 플랫한 모서리를 가지는 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 구조체는 비대칭한 일측 부분이 제3 구조체를 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 구조체, 제2 구조체 및 제3 구조체는 수평자화의 회전방향이 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, xy 평면상에 자성 박막 구조체가 배치될 때, y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 자기소용돌이 핵(core)에서 3개의 결합 모드(coupled mode)가 나타나고, -y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 자기소용돌이 핵에서 2개의 결합 모드가 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, xy 평면상에 자성 박막 구조체가 배치될 때, y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 입력 신호가 제2 구조체를 거쳐 제3 구조체로 전달되고, -y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 입력 신호가 제3 구조체로 전달되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 구조체 및 제3 구조체에서는 자기소용돌이 핵이 중심으로부터 바깥 방향으로 멀어질수록 공진 주파수가 높아지고, 제2 구조체에서는 자기소용돌이 핵이 중심으로부터 바깥 방향으로 갈수록 공진 주파수가 낮아질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적은 에너지 소모를 가지고, 파동 특성의 제어가 쉬운 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선택적으로 신호를 전달할 수 있고, 신뢰성 있는 신호 전달이 가능한 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 바이어스 필드(bias field)에 따른 FFT Power를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 면내 자기장(in-plane magnetic bias field) 세기에 따른 회전 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전달 소자의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 바이어스 필드(bias field)에 대한 FFT Power를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 바이어스 필드(bias field)에 대한 핵(core)의 궤도를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 제1 구조체 및 제3 구조체의 회전 신호(gyration signal)의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 제1 구조체 및 제3 구조체의 주파수 대비 회전 신호(gyration signal)의 세기를 나타내는 그래프이다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서 신호 전달 소자를 구현하기 위해 사용하는 자성 박막 구조체는 2가지 종류일 수 있다. 자성 박막 구조체는 도 1(b)와 같이 디스크, 원판 형태를 가지는 제1 구조체(10), 및 도 1(a)와 같이 대칭 형태의 제1 구조체(10)에서 비대칭한 부분을 가지는 형태 또는 적어도 일부가 플랫(flat)한 모서리(21)를 가지는 제2 구조체(20)의 2가지 종류일 수 있다. 본 발명에서는 비대칭한 부분을 가지는 형태로서, 적어도 일부가 플랫한 모서리를 가지는 원판 형태를 예를 들어 설명한다. 하지만, 제2 구조체(20)의 형상은 반드시 이에 제한되지는 않음을 밝혀둔다. 예를 들어, 원판 형태에서 적어도 일부가 나머지 부분과 다른 곡률을 가지거나, 복수의 모서리를 가지는 등, 핵이 원판의 중심에서 벗어나게 될 수 있는 구조라면 비대칭 형태로 포함시킬 수 있고, 반드시 원판이 아닌, 다각형에서 비대칭 부분을 가지는 형태도 이에 포함될 수 있다. 후술하는 제3 구조체(30)는 실질적으로 제1 구조체(10)와 동일한 형상일 수 있다. 이하에서, 제1 구조체(10)는 '원형 디스크(circular disk)', 제2 구조체(20)는 '잘린 디스크(chopped disk)'라고도 지칭한다.
자성 박막 구조체는 예를 들어 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 등과 같은 박막 형성 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 제2 구조체(20)는 제1 구조체(10)와 같은 방법으로 형성하되, 패터닝 공정을 더하여 비대칭한 부분을 가지는 형태 또는 적어도 일부가 플랫한 모서리(21)를 가지도록 형성할 수 있다.
자성 박막 구조체는 강자성 물질로 형성될 수 있으며, 그 예로 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금 또는 철-니켈-몰리브덴 합금 등의 재질이 사용될 수 있다.
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.
일 실시예에 따르면, 제1 구조체(10)는 직경 D = 1,000nm이고, 제2 구조체(20)는 직경 D = 1,000nm, 잘린 부분의 폭 E = 150nm이고, 두께는 각각 40nm이며, 퍼멀로이(Py: Ni81Fe19) 재질인 자성 박막 구조체를 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 바이어스 필드(bias field)에 따른 FFT Power를 나타내는 그래프이다. 자성 박막 구조체의 바이어스 필드에 따른 공명 모드(resonant mode)를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 박막 구조체의 면내 자기장(in-plane magnetic bias field) 세기에 따른 회전 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
제1, 2 구조체(10, 20)의 자기소용돌이 구성에서 개별 자화의 움직임을 풀기 위해, Landmag-Lifshitz-Gilbert (LLG) 식을 사용하는 oommf, mumax3 등의 미소자기전산모사 (micromagnetic simulation) 코드를 사용하거나, 직접 식을 풀 수 있다.
Figure 112020122452024-pat00001
[Heff는 전체 유효 필드(total effective field), Ms는 포화 자화(saturation magnetizaton), α는 Gilbert 댐핑 상수(damping constant)]
퍼멀로이(Py)의 파라미터는, Ms = 8.0 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 5 X 5 X 40 nm3이다.
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.
본 발명에서, 외부에서 신호를 입력하기 위하여 자성 박막 구조체에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 것은, 해당 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 말한다.
자성 박막 구조체의 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시키는 것은, 자성 박막 구조체에 자기장을 인가하거나 전류를 인가함에 의해 이루어질 수 있다. 여기서, 자성 박막 구조체에 자기장을 직접 인가하는 방법으로는, 예를 들어 선형 자기장을 인가하는 방법 등이 있다. 선형 자기장을 인가하는 방법은 자성 박막 구조체 위 또는 아래에 자성 박막 구조체와 평행하게 도선을 배치시키고 도선에 전류를 흘려줌으로써 자기장을 발생시킬 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 직경 D = 1,000nm, 두께는 40nm인 제1 구조체(10)[원형 디스크(Circular disk)], 잘린 폭 E = 150nm인 제2 구조체(20)[잘린 디스크(Chopped disk)]의 2가지 형태를 비교하였다. 각 구조체(10, 20)의 자기 소용돌이는 상향 코어(upward core), 평면 회전 자화는 반시계(CCW) 방향으로 상정하였다. 자기장 Hy의 함수로 공진 주파수를 확인하였다.
Hy = 0mT일때와 H y = 15mT일때는 잘린 디스크와 원형 디스크의 공진 주파수가 거의 유사하게 나타난다. 잘린 디스크의 좌측 형상이 원형 디스크와 유사하므로 자기소용돌이 핵의 운동이 비슷하게 나타나게 때문이다.
반면에, Hy = -15mT 일때는 잘린 디스크와 원형 디스크의 공진 주파수의 차이가 명백하게 나타난다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 디스크에서는 자기장의 방향과 관계 없이 자기장이 세질수록 핵이 디스크 중심에서 멀어짐에 따라 주파수가 높아지지만, 잘린 디스크에서는 자기장이 방향이 핵을 플랫한 모서리 근처로 접근시키는 방향일 때 자기장이 세질수록 공진 주파수가 감소한 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 회전성(gyrotropic) 운동을 하는 핵이 플랫한 모서리에 접근하였을 때 동적 강성이 감소하기 때문이다.
이하에서는, 도 1 내지 도 3의 원리를 응용하여 설계한 본 발명의 신호 전달 소자에 대해서 살펴본다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전달 소자의 동작을 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 신호 전달 소자는, 제1 구조체(10), 제2 구조체(20), 제3 구조체(30)가 이격되도록 배치된 형태일 수 있다. 제1 구조체(10)와 제3 구조체(30)는 실질적으로 동일한 원형 디스크 형상일 수 있고, 제2 구조체(20)는 플랫한 모서리(21)를 가지는 잘린 디스크 형상일 수 있다.
본 발명의 신호 전달 소자는 제1 구조체(10)에 신호가 입력되고, 제2 구조체(20)의 핵 운동에 따라 제3 구조체(30)에서 출력되는 신호가 제어되는 것을 특징으로 한다.
도 4에서는 제1, 2, 3 구조체(10, 20, 30)로 구성되는 가장 기본적인 형태의 신호 전달 소자를 도시하나, 제2 구조체(20)를 적어도 하나 포함하는 범위 내에서는 신호 전달 소자의 형상, 구조, 크기 등의 다양한 요소를 고려하여, 제1, 2, 3 구조체(10, 20, 30)의 조합으로 신호 전달 소자를 구현할 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.
제1 구조체(10)의 자기소용돌이 핵의 회전운동으로 제2 구조체(20)의 핵의 회전운동을 유발하고, 제2 구조체(20)의 핵의 회전운동이 다시 제3 구조체(30)의 핵의 회전운동을 유발함에 따라 신호가 전달될 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.
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.
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.
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.
다시 도 4(a)를 참조하면, 자기장 Hy = 0mT 일때는 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 공명 주파수가 같으므로[도 2 참조], 제1 구조체(10)에서 제2 구조체(20)로 회전 신호가 전달될 수 있고, 제2 구조체(20)에서 제3 구조체로 신호가 다시 전달될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 자기장 Hy가 양의 값으로 인가될 때는 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 공명 주파수가 거의 같으므로[도 2 참조], 제1 구조체(10)에서 제2 구조체(20)로 회전 신호가 전달될 수 있고, 제2 구조체(20)에서 제3 구조체로 신호가 다시 전달될 수 있다.
하지만, 도 4(c)를 참조하면, 자기장 Hy가 음의 값으로 인가될 때는 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 공명 주파수가 차이나게 되므로[도 2 참조], 제1 구조체(10)에서 제2 구조체(20)로 회전 신호가 전달될 수 없고, 제 2 구조체(20)에서 제3 구조체로 신호의 전달도 억제된다. 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 공명 주파수의 차이가 나타나도록, 제2 구조체(20)의 플랫한 모서리(21)가 제3 구조체(30)를 향하도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 신호 전달 소자는 도 4(a), (b) 및 (c)의 차이를 이용하여 제1, 2 구조체(10, 20)의 공명 주파수에 따른 신호 전달을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자를 나타내는 개략도이다.
일 실시예로, 직경 D = 1,000nm, 두께 t = 40nm, 간격 Dint = 100nm인 3개의 퍼멀로이(Py: Ni81Fe19) 자성 박막 구조체를 사용하였다.
본 발명의 실시예는 도 5의 상부와 같이, 제1 구조체(10), 제2 구조체(20), 제3 구조체(30)를 배치한 형태로서, 제2 구조체(20)는 잘린 디스크 형태이며, "제1 타입(Type Ⅰ)"이라고 한다.
비교예는 도 5의 하부와 같이, 제1 구조체(10), 제2 구조체(20'), 제3 구조체(30)를 배치한 형태로서, 제 2 구조체(20')는 제1, 3 구조체(30)와 동일한 원형 디스크 형태이며, "제2 타입(Type Ⅱ)"이라고 한다.
제1, 2 타입 모도 자성 박막 구조체는 상향 핵 자화(upward core magnetization)이고, 평면 회전 자화는 반시계(CCW) 방향으로 상정한다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 바이어스 필드(bias field)에 대한 FFT Power를 나타내는 그래프이다. 바이어스 필드에 따른 결합 모드(coupled mode)를 나타낸다.
제1, 2 타입에서 가능한 결합 모드를 모두 살펴볼 수 있도록, 제1 구조체(10)에 +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.
Hy = 0mT일때는 제1, 2 타입 모두에서 3개의 결합 모드가 나타났다.
H y = 15mT도 제1, 2 타입 모두에서 0mT보다 큰 주파수로 3개의 결합 모드가 나타났다. 평면 내 바이어스 필드가 세질수록 모든 모드 주파수가 높아진다. 각각의 피크의 위치는 거의 차이가 없었다.
반면, Hy = -15mT 일때는 제2 타입에서는 3개의 결합 모드가 나타났지만, 제1 타입에서는 2개의 모드만 나타났다. 2개의 모드 중 하나는 다른 하나에 비해 상대적으로 매우 작게 나타났다. 이는, 제1 구조체(10)와 제2 구조체(20)의 자기소용돌이의 공진 주파수 차이로 인해 결합이 매우 약하게 나타난 것을 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 바이어스 필드(bias field)에 대한 핵(core)의 궤도를 나타내는 개략도이다. 궤도는 설명의 편의상 5배 확대 도시하였다.
제1, 2 타입에서의 회전 신호 전파를 핵의 궤도를 통해 살펴본다. 0.2mT 의 정현파장(sinusoidal field)을 적용하여 회전 신호가 여기된다. Hy = 0mT의 경우 f = 320MHz, Hy = ± 15mT의 경우 f = 350MHz의 정현파장을 사용하였다.
도 7을 참조하면, 제2 타입에서는 Hy = 0mT, Hy = ± 15mT 의 경우 모두 회전 신호가 제1, 2, 3 구조체(10, 20', 30)로 전파된다.
반면, 제1 타입에서는 Hy = 0mT, Hy = +15mT의 경우에는 회전 신호가 제1, 2, 3 구조체(10, 20, 30)로 전파되나, Hy = -15mT의 경우에는 회전 신호가 제2 구조체(20)에 의해 방해된다. Hy = -15mT의 경우에는 제2 구조체(20)의 핵이 플랫한 모서리 쪽으로 이동하기 때문에, 공진 주파수의 차이에 따라 제3 구조체(30)로의 신호 전달이 방해된다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 제1 구조체 및 제3 구조체의 회전 신호(gyration signal)의 세기를 나타내는 그래프이다. 각각의 시간(그래프 x 축)에 따른 x방향 자화(그래프 y축)의 변화를 통해 회전 신호의 크기를 비교한다.
도 8을 참조하면, 도 7에서 살펴본 바와 마찬가지로, 제1 타입에서 Hy = -15mT의 경우에만 제3 구조체(30)(Disk 3)로 회전 신호가 전파되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 신호 전달 소자의 제1 구조체 및 제3 구조체의 주파수 대비 회전 신호(gyration signal)의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 회전 신호의 세기는 정현파장의 주파수에 의존하는 것을 확인할 수 있다. 제1, 2 타입 모두에서 제1 구조체(10)(Disk 1)의 회전 신호는 대응하는 바이어스 필드 하에서 결합 모드 주파수 근처에서 피크를 나타낸다. 대체로 특정 주파수 근처에서 회전 신호의 전파가 잘 되는 것을 확인할 수 있다.
제1 타입에서 Hy = -15mT를 인가할 때는 f = 350MHz 근처에서 회전 신호가 거의 전송되지 않음을 확인할 수 있고, f= 290 MHz 근처에서 나타나는 작은 신호는Hy = -15mT에서 제2 구조체(20)(Disk 2)의 공명 주파수이다. 반대로, 제1 타입에서 Hy = +15mT를 인가할 때는 330 MHz < f <350 MHz 범위에서 회전 신호가 잘 전파됨을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예(제1 타입)의 신호 전달 소자는, 바이어스 필드 방향에 따라 회전 신호의 전파에 대한 "On" 및 "Off"를 전환할 수 있게 하는 효과가 있다. 그리고, 본 발명은 적은 에너지 소모를 가지고, 파동 특성의 제어가 쉬운 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자를 구현하여, 선택적으로 신호를 전달할고, 신뢰성 있는 신호 전달이 가능한 효과가 있다.
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.
10: 제1 구조체, 원형 디스크(circular disk)
20: 제2 구조체, 잘린 디스크(chopped disk)
20': 제2 구조체(비교예의 원형 디스크)
21: 플랫(flat)한 모서리
30: 제3 구조체, 원형 디스크(circular disk)

Claims (7)

  1. 자기소용돌이 구조를 가지는 자성 박막 구조체를 복수개 포함하는 신호 전달 소자로서,
    신호를 입력하는 자성 박막 구조체인 제1 구조체;
    제1 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 전달하는 자성 박막 구조체인 제2 구조체; 및
    제2 구조체의 적어도 일 측에 이격 배치되고 신호를 출력하는 자성 박막 구조체인 제3 구조체
    를 포함하고,
    제1 구조체와 제3 구조체는 대칭 형태이며, 제2 구조체는 비대칭 형태이고,
    자성 박막 구조체들은 상호 이격되도록 배치되며, 제1 구조체에서 제3 구조체의 방향을 따라 앞에 배치된 자성 박막 구조체가 뒤에 배치된 자성 박막 구조체에 대해 순차적으로 핵의 회전운동을 유발함에 따라 신호가 전달되되,
    제2 구조체 내에서 핵의 회전운동의 중심이 비대칭한 일측 부분에 편향되면 신호의 전달이 차단되고, 제2 구조체 내에서 핵의 회전운동의 중심이 상기 비대칭한 일측의 반대 방향으로 편향되면 신호가 전달되는,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 구조체, 및 제3 구조체는 전체적으로 디스크(disk) 형태이고, 제2 구조체는 디스크 형태에서 적어도 일부가 비대칭한 형태인,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    제2 구조체는 디스크 형태에서 적어도 플랫한 모서리를 가지는 형태인,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 구조체는 비대칭한 일측 부분이 제3 구조체를 향하도록 배치되는,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    xy 평면상에 자성 박막 구조체가 배치될 때,
    y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 자기소용돌이 핵(core)에서 3개의 결합 모드(coupled mode)가 나타나고,
    -y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 자기소용돌이 핵에서 2개의 결합 모드가 나타나는,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    xy 평면상에 자성 박막 구조체가 배치될 때,
    y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 입력 신호가 제2 구조체를 거쳐 제3 구조체로 전달되고,
    -y축 방향으로 자기장을 인가하면 제1 구조체의 입력 신호가 제3 구조체로 전달되지 않는,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 구조체 및 제3 구조체에서는 자기소용돌이 핵이 중심으로부터 바깥 방향으로 멀어질수록 공진 주파수가 높아지고,
    제2 구조체에서는 자기소용돌이 핵이 중심으로부터 바깥 방향으로 갈수록 공진 주파수가 낮아지는,
    자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자.
KR1020200152816A 2020-11-16 2020-11-16 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자 KR102517250B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200152816A KR102517250B1 (ko) 2020-11-16 2020-11-16 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자
US17/523,027 US12080941B2 (en) 2020-11-16 2021-11-10 Signal transferring device and multiplexer using magnetic thin film structures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200152816A KR102517250B1 (ko) 2020-11-16 2020-11-16 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220066604A KR20220066604A (ko) 2022-05-24
KR102517250B1 true KR102517250B1 (ko) 2023-04-04

Family

ID=81806402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200152816A KR102517250B1 (ko) 2020-11-16 2020-11-16 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102517250B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003032336A1 (en) 2001-10-05 2003-04-17 Universität Regensburg Magnetic elements with magnetic flux closure, production method and memory application
JP2004193479A (ja) 2002-12-13 2004-07-08 Univ Osaka 磁性メモリアレイ、磁性メモリアレイの書き込み方法及び磁性メモリアレイの読み出し方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100819142B1 (ko) * 2005-09-29 2008-04-07 재단법인서울대학교산학협력재단 강한 스핀파 발생 방법 및 스핀파를 이용한 초고속 정보처리 스핀파 소자
KR101728508B1 (ko) * 2014-07-04 2017-05-02 울산과학기술원 비대칭 나노 디스크를 이용한 단위 정보 저장 장치 및 정보 저장 장치
KR101679776B1 (ko) * 2015-01-21 2016-11-25 서울대학교 산학협력단 자기소용돌이와 자기반소용돌이 구조를 갖는 자성박막을 이용한 신호전달소자 및 신호전달방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003032336A1 (en) 2001-10-05 2003-04-17 Universität Regensburg Magnetic elements with magnetic flux closure, production method and memory application
JP2004193479A (ja) 2002-12-13 2004-07-08 Univ Osaka 磁性メモリアレイ、磁性メモリアレイの書き込み方法及び磁性メモリアレイの読み出し方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220066604A (ko) 2022-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Au et al. Nanoscale spin wave valve and phase shifter
US6774391B1 (en) Magnetic logic element
Kumar et al. Magnetic vortex based transistor operations
Shen et al. Motion of a skyrmionium driven by spin wave
Kłos et al. The impact of the lattice symmetry and the inclusion shape on the spectrum of 2D magnonic crystals
Kiermaier et al. Information transport in field-coupled nanomagnetic logic devices
Haldar et al. Reconfigurable and self-biased magnonic metamaterials
Liu et al. Magnetization dynamics and reversal mechanism of Fe filled Ni80Fe20 antidot nanostructures
CN109962706B (zh) 一种基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件
Bance et al. Micromagnetic calculation of spin wave propagation for magnetologic devices
Hesjedal et al. Magnetic logic element based on an S-shaped Permalloy structure
CN108062960A (zh) 内联磁畴壁注入
KR102517250B1 (ko) 자성 박막 구조체를 이용한 신호 전달 소자
EP3394980A1 (en) Synchronization of multiple nano-contact spin torque oscillators
Wu et al. Influence of asymmetry on vortex nucleation and annihilation in submicroscaled permalloy disk array
Talapatra et al. Coupled magnetic nanostructures: Engineering lattice configurations
Feilhauer et al. Unidirectional spin-wave edge modes in magnonic crystal
KR102387955B1 (ko) 자성 박막 구조체를 이용한 멀티플렉서
US12080941B2 (en) Signal transferring device and multiplexer using magnetic thin film structures
KR102159756B1 (ko) 자성 박막 구조체를 이용한 논리 소자 및 이의 동작 방법
Tian et al. Bias-free tunability of microwave properties in multilayer rhomboid shaped nanomagnets
Van de Wiele et al. How finite sample dimensions affect the reversal process of magnetic dot arrays
Ji et al. Logical devices based on the antiferromagnetic-antimeron in a ferromagnet nanodot with gain
Saini et al. Spin Wave Driven Skyrmionium based Transistor with PMA Barrier
KR20180009643A (ko) 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant