KR20180009643A - 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자로서, 복수개의 스커미온(Skyrmion; 10-90)이 소정 간격을 이루며 배열된 박막 구조체(100)를 포함하며, 박막 구조체(100)의 신호 스커미온(10)에 고유 모드를 여기시키면, 신호 스커미온(10)에 인접하게 배치된 스커미온(20)으로 신호가 전파되는 것을 특징으로 한다.

Description

스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자 {SIGNAL TRANSFERRING DEVICE USING SKYRMION COUPLED MODE}
본 발명은 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 특정 스커미온에 고유 모드를 여기시키면 이에 인접하게 배치된 스커미온에 신호가 전파될 수 있는 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자에 관한 것이다.
전자는 전기적 성질의 전하와 자기적 성질의 스핀을 가지고 있다. 하드디스크 등 자기메모리소자의 작동 원리는 스핀의 방향을 기록해 컴퓨터가 취급하는 정보의 최소 단위인 비트로서 이용한다. 일반적으로 스핀을 이용한 메모리소자는 전원 공급이 없어도 정보를 저장할 수 있는 장점이 있지만 현재 사용되고 있는 소자는 구조상 속도가 느리다는 단점이 있다. 또한, 자구벽을 이용한 메모리 소자가 제안되었지만 자구벽을 움직이기 위해서 필요한 전류밀도가 높아 그 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해, 스커미온을 이용한 고속 저전력 자기메모리소자에 대한 관심이 증대되고 있다. 스커미온(Skyrmion)은 전자스핀이 모여 소용돌이 형태를 나타내는 자기구조를 가리키는 말이다. 스커미온은 다른 자기구조에 비해 10만분의 1 정도의 미세 전류밀도(~106A/m2)로 자기구조를 움직일 수 있는 뛰어난 특성 뿐 아니라 십nm-수백nm 수준의 작은 크기를 가지며 고속 저전력 차세대 자기 메모리 소자로서 주목받고 있다. 스커미온을 메모리 소자 등으로 사용하려면 스커미온의 크기, 소용돌이 방향, 배열 등을 제어하여 신호 전달이 가능하도록 해야 한다.
일본특허출원 제2012-232324호에서는 전류의 인가에 따라 스커미온을 이동시키는 방법이 제안되었다.
하지만, 위와 같이 스커미온을 직접 이동시켜 신호를 전달하는 소자의 경우는 굽은 구조, 모서리 등에서 스커미온이 사라지는 문제점이 있었다. 이에 따라, 굽은 구조 내에 홈을 형성하여 포텐셜 배리어를 변화시키거나, 모서리를 변화시키는 등의 추가적인 방법이 더 필요한 문제점이 있었다.
한편, 자기소용돌이를 배열하는 핵의 회전운동을 전파시켜 신호를 전달하는 방법이 제안되었으나, 신호의 전달이 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해서만 이루어지고, 신호전달의 세기 및 속도가 높지 않은 문제점이 있으며, 속도가 빠르더라도 수백nm 내지 수㎛ 정도의 크기를 가지는 자기소용돌이를 고집적화 하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 보다 용이하게 신호를 발생하고 안정적으로 전달할 수 있는 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 빠른 전파속도를 가지고 고집적화가 가능한 스커미온 결합 모드를 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, 복수개의 스커미온(Skyrmion)이 소정 간격을 이루며 배열된 박막 구조체를 포함하며,
상기 박막 구조체의 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온으로 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드(Skyrmion Coupled Mode)를 이용한 신호 전달 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온에 고유 모드가 전파됨에 따라 신호가 전파될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온의 핵의 운동이 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온의 핵의 운동을 유발함에 따라 신호가 전파될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고유 모드의 여기는, 상기 박막 구조체에 자기장 또는 전류를 인가함으로써 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 스커미온에 수직한 교류 자기장을 인가하여 브레팅 모드(Breathing Mode)를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레팅 모드에서, 상기 스커미온 핵의 수축/팽창 운동에 따른 자기저항값의 변화로서 신호가 전파될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 스커미온에 평행한 교류 자기장 또는 교류 전류를 인가하여 시계 모드(Clockwise Mode) 또는 반시계 모드(Counterclockwise Mode)를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시계 모드에서, 상기 스커미온의 중심 스핀의 위치가 XY 평면 상에서 변화함에 따른 자기저항값의 변화로서 신호가 전파될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 상기 스커미온의 배열 간격은 10nm 내지 40nm 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 간격을 조절하여 상기 신호의 전파 속도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 간격이 커지면 상기 전파 속도가 느려질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박막 구조체의 적어도 소정 부분에 수직 직류 자기장을 인가하여 상기 신호의 전파 속도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박막 구조체의 적어도 소정 부분에 수직 직류 자기장을 인가하여 상기 신호의 전파를 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직자기이방성이 있는 강자성 박막을 상기 박막 구조체에 접합하거나, 수직방향으로 자석을 설치하여 상기 수직 직류 자기장을 인가할 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 박막 구조체 상에 복수개의 스커미온(Skyrmion)이 소정 간격을 이루도록 배열시키고, 상기 박막구조체의 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시켜, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온으로 신호를 전파하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 방법이 제공된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보다 용이하게 신호를 발생하고 안정적으로 전달할 수 있는 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자를 구현할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빠른 전파속도를 가지고 고집적화가 가능한 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온(Skyrmion) 구조를 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 브레팅 모드(Breathing Mode)를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 시계 모드(Clockwise Mode) 와 반시계 모드(Counterclockwise Mode) 를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레팅 모드 및 시계 모드에서의 스커미온의 신호 전달을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 스커미온을 배열한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 결합 모드(Coupled Mode)를 나타내는 모식도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레팅 모드에서 신호 전달을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계 모드에서 신호 전달을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 배열 간격에 대한 신호 전파 속도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 직류 자기장을 인가한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 직류 자기장 세기에 대한 신호 전파 속도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수개의 스커미온을 배열한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
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.
[스커미온 구조 및 고유 모드]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온(Skyrmion) 구조를 도시하는 모식도이다.
스커미온(Skyrmion)은 소용돌이 형태의 모양을 하고 있는 스핀의 구조체로서, 스커미온의 중심 스핀과 주변 스핀이 반평행 상태를 가지며, 중심 스핀과 주변 스핀 사이의 스핀이 소용돌이 형태로 배치되는 것을 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같은 핵 주변의 자화가 시계(혹은 반시계) 방향으로 회전하는 구조를 블로크 스커미온(Bloch Skyrmion, Spiral Skymion)이라고 하며, 핵 주변의 자화가 방사형으로 나타나는 것을 닐 스커미온(Neel Skyrmion, Hedgehog Skyrmion)이라고 한다. 본 명세서에서는 닐 스커미온을 예를 들어 설명하지만, 블로크 스커미온에도 본 발명이 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
스커미온의 종류는 비대칭 교환 상호작용(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, DMI)이 형성되는 메커니즘에 따라 결정된다. 결정 구조에 의해 블로크 스커미온이, 계면에 의해 닐 스커미온이 형성될 수 있다. 스커미온 구조의 중심에는 주변 스핀과 반대 수직 자화 방향을 갖는 핵(중심 스핀)이 존재하며, 이 구조는 위상학적인 특이성으로 안정성을 갖는다. 스커미온의 반경은 수~수십nm 정도로 상당히 작고, 안정된 입자로서의 성질을 가지므로, 고집적화된 연산 소자, 자기 기억 소자에 응용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 브레팅 모드(Breathing Mode)를 나타내는 모식도이다. 도 2의 (a)는 브레팅 모드에서의 핵의 위치 변화, 도 2의 (b) 및 (c)는 브레팅 모드에서의 핵의 최소, 최대 크기 변화를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 시계 모드(Clockwise Mode)와 반시계 모드(Counterclockwise Mode)를 나타내는 모식도이다. 도 3의 (a)는 시계 모드에서의 핵의 위치 변화, 도 3의 (b)는 반시계 모드에서의 핵의 위치 변화, 도 3의 (c) 및 (d)는 시계 모드에서의 핵의 위치 변화를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레팅 모드 및 시계 모드에서의 스커미온의 신호 전달을 나타내는 그래프이다.
스커미온에 자기장 또는 전류를 인가하면 고유 모드가 여기될 수 있다. 고유 모드는 브레팅 모드 및 시계(반시계) 모드로 구분될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 스커미온의 고유 모드 중 하나로서, 스커미온에 수직한 방향(Z축 방향)으로 교류 자기장 또는 교류 전류가 인가되는 경우에는 핵이 주기적으로 커짐과 작아지는, 핵의 수축/팽창 운동을 반복하는 브레팅 모드가 여기된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 스커미온의 고유 모드 중 다른 하나로서, 스커미온이 형성된 평면(XY 평면) 내에 교류 자기장 또는 교류 전류가 인가되는 경우에는 핵이 시계(또는 반시계) 방향으로 회전하는 시계(반시계) 모드가 여기된다.
[스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자]
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 스커미온을 배열한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자는 복수개의 스커미온(10-50)이 소정 간격을 이루며 배열된 박막 구조체(100)를 포함한다.
박막 구조체(100)는 외부 자기장 또는 전류가 인가되지 않은 자화상태에서 재료, 형상 및 크기를 적절히 선택하여 구성할 수 있다. 그리고, 스핀편향 전류를 인가하거나, 자기프로브 팁을 사용하는 등의 방법을 이용하여 스커미온을 형성할 수 있다. 특히, 스커미온이 소정 간격을 이루는 배열 형태를 가지도록 복수개의 스커미온을 형성할 수 있다. 도 5에서 박막 구조체(100)는 나노 스트립 형태의 신호 전달 소자를 구성하고, 복수개의 스커미온이 1차원적으로, X방향을 따라 배열된 구성을 나타내고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 박막 구조체(100)가 플레이트 형태의 신호 전달 소자를 구성하고 복수개의 스커미온이 2차원적으로, X 및 Y 방향을 따라 매트릭스 배열된 구성을 가질 수도 있다. 그리고, 스커미온 간의 간격은 일정한 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
일 실시예에 따라, 이러한 자화상태를 가진 박막 구조체(100)를 만들기 위해 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법 등으로 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-코발트 합금 또는 코발트-철-보론 합금 등의 강자성 물질과, 백금(Pt), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 등 강한 스핀-궤도 결합을 갖는 박막이 서로 접하도록 증착할 수 있다. 도 5에서는 코발트 박막과 백금 박막을 서로 접합하여, 계면에서 비대칭 교환 상호작용(DMI)을 형성시키고, 25개의 스커미온 배열을 구성한 박막 구조체(100)가 도시되어 있다.
또는, 분자 빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy), 전자기 유도(Electromagnetic Induction Melting) 등의 방법으로 실리콘-망간 합금(MnSi), 실리콘-철-코발트 합금(Fe1 - xCoxSi), 철-저마늄(FeGe) 등 결정 구조 상으로 반전 대칭이 깨진 물질을 성장시키는 방법도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스커미온의 결합 모드(Coupled Mode)를 나타내는 모식도이다.
도 5의 신호 전달 소자에서 2개의 스커미온(10, 20)의 부분만을 확대하여 도 6에 도시한다. 본 발명은 적어도 2개의 스커미온(10, 20)이 소정 간격(d)을 이루며 배열되는 것을 특징으로 한다. 그리하여, 1개의 스커미온(10)에 고유 모드를 여기시키면, 이 스커미온(10)에 인접하게 배치된 스커미온(20)에 고유 모드가 전파됨에 따라 신호가 전파되는 것을 특징으로 한다.
종래의 스커미온을 이용한 신호 전달 방식은 스커미온을 직접 이동시키는 것에 한정되었다. 스커미온에 전류 또는 교류 자기장을 인가하여 스커미온을 이동시키는 경우에는, 굽은 구조, 모서리 등에서 스커미온이 사라질 수 있다. 이를 방지하기 위해, 굽은 구조 내에 홈을 형성하여 포텐셜 배리어를 변화시키거나, 모서리를 변화시키는 등의 추가적인 방법이 더 필요하며, 이에 의해서도 스커미온이 안정적으로 존재하기 어려우므로, 신호 전달 소자로서 안정성이 낮은 한계가 있었다.
본 발명은 스커미온을 직접 이동시키는 것이 아니며, 특정 스커미온(10)에 고유 모드를 여기시키면, 인접하게 배치된 스커미온(20)에 신호가 전파되는 것을 이용한다. 고유 모드의 여기는 스커미온에 자기장 또는 전류를 인가함에 따라 이루어진다. 자기장은 선형 자기장, 펄스 자기장을 인가하는 방법을 포함한다. 자기장은 박막 구조체(100) 위 또는 아래에 도선을 배치한 후 전류를 흘려 자기장을 발생시키는 방법으로 인가할 수 있다. 전류는 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류를 등을 이용할 수 있으며, 박막 구조체(100)에 전류를 흘리고 스핀 전달토크 현상을 이용하여 스커미온 핵(중심 스핀)에 신호를 여기시킬 수 있다.
고유 모드가 여기된 특정 스커미온(10)으로부터 신호가 전파된 인접 스커미온(20)은, 그에 인접한 또 다른 스커미온에 순차적으로 신호를 전파할 수 있다. 즉, 특정 스커미온(10)에 고유 모드를 여기시키면, 인접하게 배치된 스커미온(20)에 고유 모드가 전파됨에 따라 신호가 전파될 수 있다. 특정 스커미온(10)이 브레팅 모드로 여기되면, 인접하게 배치된 스커미온(20)도 브레팅 모드로 여기될 수 있다. 특정 스커미온(10)이 시계(반시계) 모드로 여기되면, 인접하게 배치된 스커미온(20)도 시계(반시계) 모드로 여기될 수 있음은 물론이다.
특정 스커미온(10)에 고유 모드를 여기시켜면, 특정 스커미온(10)의 핵(중심 스핀)의 운동이 인접하게 배치된 스커미온(20)의 핵(중심 스핀)의 운동을 유발할 수 있다.
본 명세서에서는, 상기와 같이 상호 인접하게 배치된 적어도 2개의 스커미온(10, 20) 중 하나에 고유 모드가 여기될 때, 나머지 하나의 스커미온도 고유 모드가 유발되는 현상을 "스커미온 결합 모드"(Skyrmion Coupled Mode)로 지칭하기로 한다. 스커미온 결합 모드를 이용하여 신호가 전파되기 때문에, 스커미온을 이동하기 위한 구조를 별도로 형성할 필요가 없으며, 다양한 형태를 가지는 신호 전달 소자를 구성할 수 있으며, 스커미온이 안정적으로 존재하는 상태에서 신호가 전달되므로, 신호 전달의 안정성이 높아지는 효과가 있다.
도 5를 다시 참조하면, 본 명세서에서는 신호 전달 소자에서 초기에 고유 모드가 여기되는 스커미온(10)을 "신호 스커미온"으로 정의하고, 신호 스커미온에 인접하게 순차적으로 배열된 스커미온(들)을 "전달 스커미온"으로 정의한다. 그리고, 신호가 전파되어 최종적으로 감지되는 스커미온을 "감지 스커미온"으로 정의한다. 스커미온 결합 모드에 의한 신호 전달을 이하에서 구체적으로 살펴본다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레팅 모드에서 신호 전달을 나타내는 도면이다.
일 예로, 도 5에 도시된 800nm 길이, 40nm 폭을 가지는 나노 스트립 형태의 박막 구조체(100)에 25개의 스커미온을 상호 일정한 간격(d)을 이루며 배열되도록 형성할 수 있다. 그리고, 박막 구조체(100)의 일단에 배치되는 신호 스커미온(10)에 수직한 교류 자기장을 인가하여 신호 스커미온(10)이 브레팅 모드를 형성하도록 할 수 있다.
브레팅 모드에서 신호 스커미온(10)의 핵(중심 스핀)의 크기[평균 수직 자화(Mz)]가 주기적으로 수축 팽창 운동을 하게 되면, 스커미온 결합 모드에 따라 이에 인접하는 전달 스커미온(20, ...)들이 순차적으로 브레팅 모드를 형성할 수 있다. 신호 스커미온(10)의 핵이 주기적으로 수축 팽창 운동함에 따라서, 인접하는 스커미온(20)의 핵의 수축 팽창 운동을 유도할 수 있으며 이러한 수축 팽창 운동으로 각 스커미온의 수직 자화값의 변화가 나타나게 된다. 각 전달 스커미온(20, ...)들은 수직 자화값의 변화에 따른 자기저항값의 변화로서 신호가 전파될 수 있고, 박막 구조체(100)의 타단에 배치되는 감지 스커미온(50)에서 자기저항의 변화를 측정하여 신호전달 여부를 판독할 수 있다.
도 7의 (a) 및 (b)의 그래프를 참조하면, 배열된 복수의 스커미온에 순차적으로 신호가 전파되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시계 모드에서 신호 전달을 나타내는 도면이다.
일 예로, 도 5에 도시된 800nm 길이, 40nm 폭을 가지는 나노 스트립 형태의 박막 구조체(100)에 25개의 스커미온을 상호 일정한 간격(d)을 이루며 배열되도록 형성할 수 있다. 그리고, 박막 구조체(100)의 일단에 배치되는 신호 스커미온(10)에 평행한 교류 자기장을 인가하여 신호 스커미온(10)이 시계 모드를 형성하도록 할 수 있다.
시계 모드에서 신호 스커미온(10)의 핵(중심 스핀)의 위치가 XY 평면 상에서 변화하게 되면, 스커미온 결합 모드에 따라 이에 인접하는 전달 스커미온(20, ...)들이 순차적으로 시계 모드를 형성할 수 있다. 신호 스커미온(10)의 핵의 위치가 중심으로부터 벗어난 위치에서 회전됨에 따라서, 인접하는 스커미온(20)의 핵의 회전운동을 유도할 수 있다. 각 전달 스커미온(20, ...)들은 자기저항값의 변화로서 신호가 전파될 수 있고, 박막 구조체(100)의 타단에 배치되는 감지 스커미온(50)에서 자기저항의 변화를 측정하여 신호전달 여부를 판독할 수 있다.
도 8의 (a) 및 (b)의 그래프를 참조하면, 배열된 복수의 스커미온에 순차적으로 신호가 전파되는 것을 확인할 수 있다.
도 7의 (c) 및 도 8의 (c)는 스커미온의 배열 간격(d)에 따른 신호의 강도를 나타내고, 도 9는 스커미온의 배열 간격(d)에 대한 신호 전파 속도를 나타낸다.
각각의 스커미온들이 배열되는 간격(d)에 따라 신호가 전파되는 속도, 세기 등이 달라질 수 있다. 배열 간격(d)을 변화시키면 박막 구조체(100)의 교환에너지가 변화하여 신호 전파 속도가 달라질 수 있다. 스커미온의 크기가 10nm 정도인 것을 고려할 때, 배열 간격(d)이 스커미온의 크기와 동일한 정도이면 스커미온끼리 중첩되어 스커미온 결합 모드가 유도되지 못할 수 있고, 배열 간격(d)이 너무 큰 정도이면 신호 스커미온(10)에서 인접한 전달 스커미온(20)에 고유 모드가 전파되지 않을 수 있다. 이를 고려하여, 각각의 스커미온들이 배열되는 간격(d)은 10nm 보다는 크고 40nm 를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
도 7의 (c) 및 도 8의 (c)를 참조하면, 스커미온의 배열 간격(d)이 27nm 에서 38nm로 커짐에 따라서 신호의 강도가 약해짐을 확인할 수 있다. 그리고, 도 9의 (a)를 참조하면, 브레팅 모드에서 스커미온의 배열 간격(d)이 27nm에서 38nm로 커짐에 따라서 신호의 전파 속도가 느려짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 9의 (b)를 참조하면, 시계 모드에서 스커미온의 배열 간격(d)이 27nm에서 38nm로 커짐에 따라서 신호의 전파 속도가 느려짐을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 직류 자기장(Hz)을 인가한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
본 발명은 박막 구조체(100) 에 수직 직류 자기장(Hz)을 인가하여 신호의 전파 속도를 조절할 수 있다. 박막 구조체(100) 전체에 수직 직류 자기장을 인가하는 경우를 상정한다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 박막 구조체(100)의 일부 또는 박막 구조체(100)의 특정 스커미온을 대상으로 수직 직류 자기장을 인가할 수도 있다. 수직 직류 자기장은 수직자기이방성이 있는 강자성 박막을 상기 박막 구조체에 접합하거나, 수직방향으로 영구자석을 설치하여 인가할 수 있다.
전달 스커미온(n=2 ~ n=24) 간의 신호 전달은 고유 모드가 순차적으로 유도됨에 따라 수행될 수 있다. 특정 부분에 가해지는 수직 직류 자기장은 스커미온의 고유 진동수를 변화시키고, 이에 따라 핵(중심 스핀)의 운동 속도를 변화시킨다. 이로 인해 신호의 전파 속도가 변화되거나, 심지어 신호의 전파가 차단될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 직류 자기장(Hz) 세기에 대한 신호 전파 속도를 나타내는 그래프이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 브레팅 모드에서 수직 직류 자기장의 세기가 -2kOe에서 2kOe로 증가함에 따라서 신호의 전파 속도가 느려짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 시계 모드에서 수직 직류 자기장의 세기가 -2kOe에서 2kOe로 증가함에 따라서 신호의 전파 속도가 느려짐을 확인할 수 있다. 수직 직류 자기장의 세기에 따라서는 신호의 전파를 차단할 수도 있다.
위와 같이, 본 발명은 박막 구조체(100)의 전체 또는 특정 부분에 수직 직류 자기장(Hz)을 인가하여 신호의 전파 속도를 조절하거나, 신호 전파를 차단할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수개의 스커미온을 배열한 신호 전달 소자를 나타내는 모식도이다.
스커미온 결합 모드에 의한 신호 전달은, 상호 인접하는 스커미온 사이에서 고유 모드가 전파되는 것이므로, 신호 전달 소자의 형태에 영향을 받지 않는다. 도 12의 (a)를 참조하면, 9개의 스커미온을 X축 방향을 따라 신호 스커미온(10')부터 전달 스커미온(50')까지 배열하고, Y축 방향을 따라 전달 스커미온(50)부터 감지 스커미온(90')까지 배열한 구조가 예시되어 있다.
"ㄱ"자 구조로 모서리가 존재함에도 불구하고, 도 12의 (b)에 나타나느 바와 같이, 신호 스커미온(10')에서부터 감지 스커미온(90')까지 안정적으로 신호가 전파됨을 확인할 수 있다. 종래의 신호 전달 소자에는 스커미온을 직접 이동시킬 때, 모서리 부분에서 스커미온이 사라질 수 있으나, 본 발명은 스커미온 결합모드를 이용하여 간격을 가지며 배열된 스커미온끼리 신호를 전달하는 것이므로, 신호 전달 소자의 형태에 영향을 받지 않고 신호가 전달되는 이점이 있다.
이처럼 본 발명은, 스커미온 결합 모드를 이용하여 신호를 전달하므로, 용이하게 신호를 발생하고 안정적으로 전달할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 크기가 10nm 정도인 스커미온을 이용하므로 고집적화가 가능한 신호 전달 소자를 구현할 수 있는 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: 신호 스커미온
20-80: 전달 스커미온
90: 감지 스커미온
100: 박막 구조체
d: 스커미온 배열 간격
Hz: 수직 직류 자기장

Claims (15)

  1. 복수개의 스커미온(Skyrmion)이 소정 간격을 이루며 배열된 박막 구조체를 포함하며,
    상기 박막 구조체의 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온으로 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드(Skyrmion Coupled Mode)를 이용한 신호 전달 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온에 고유 모드가 전파됨에 따라 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시키면, 상기 신호 스커미온의 핵의 운동이 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온의 핵의 운동을 유발함에 따라 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고유 모드의 여기는, 상기 박막 구조체에 자기장 또는 전류를 인가함으로써 발생하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 스커미온에 수직한 교류 자기장 또는 교류 전류를 인가하여 브레팅 모드(Breathing Mode)를 형성하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 브레팅 모드에서, 상기 스커미온의 중심 스핀의 주기적인 수축/팽창 운동에 따른 자기저항값의 변화로서 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 신호 스커미온에 평행한 교류 자기장 또는 교류 전류를 인가하여 시계 모드(Clockwise Mode) 또는 반시계 모드(Counterclockwise Mode)를 형성하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시계 모드에서, 상기 스커미온의 중심 스핀의 위치가 XY 평면 상에서 변화함에 따른 자기저항값의 변화로서 신호가 전파되는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 스커미온의 배열 간격은 10nm 내지 40nm 이내인, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 간격을 조절하여 상기 신호의 전파 속도를 조절하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 간격이 커지면 상기 전파 속도가 느려지는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 박막 구조체의 적어도 소정 부분에 수직 직류 자기장을 인가하여 상기 신호의 전파 속도를 조절하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 박막 구조체의 적어도 소정 부분에 수직 직류 자기장을 인가하여 상기 신호의 전파를 차단하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    수직자기이방성이 있는 강자성 박막을 상기 박막 구조체에 접합하거나, 수직방향으로 자석을 설치하여 상기 수직 직류 자기장을 인가하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 소자.
  15. 박막 구조체 상에 복수개의 스커미온(Skyrmion)이 소정 간격을 이루도록 배열시키고,
    상기 박막구조체의 신호 스커미온에 고유 모드를 여기시켜, 상기 신호 스커미온에 인접하게 배치된 스커미온으로 신호를 전파하는, 스커미온 결합 모드를 이용한 신호 전달 방법.
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