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연구

뇌 모방 스핀 소자 핵심기술 개발​
조회수 : 1633 등록일 : 2022-07-29 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 물리학과 김갑진 교수, 신소재공학과 박병국 교수, 신소재공학과 최종국 박사과정, 물리학과 박재현 박사

< (왼쪽부터) 물리학과 김갑진 교수, 신소재공학과 박병국 교수, 신소재공학과 최종국 박사과정, 물리학과 박재현 박사 >

우리 대학 물리학과 김갑진 교수와 신소재공학과 박병국 교수 공동연구팀이 뇌 모방 소자로 개발 중인 스핀토크발진기 주파수 대역을 증대시킬 핵심 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 

두 연구팀은 비자성체/강자성체/산화물 3중층 구조의 자기발진소자에 게이트 전압을 인가하여 GHz 수준의 발진주파수 조절에 성공하였다. 이는 기존 기술보다 약 10배 이상 향상된 결과로 스핀토크 기반 뉴로모픽 소자가 가진 학습 효과의 휘발성, 좁은 주파수 대역 등의 문제를 해결할 핵심 기술로 제안되었다. 

본 소자는 게이트 전압이 영구적으로 수직자기이방성을 변화시켜 소자에 전류가 흐르지 않아도 학습 내용이 저장되어 있는 비휘발성 특성을 가지고 있으며 그 폭이 GHz 수준으로 넓어 뉴로모픽 소자 활용성을 증대시켜줄 것으로 기대된다. 

신소재공학과 최종국 박사과정과 물리학과 박재현 박사가 공동 제1저자로 참여하고, KAIST 신소재공학과 강민구 연구원, 고려대학교 이재성 교수와 김도윤 연구원, KAIST 물리학과 이경진 교수가 공동저자로 참여한 본 논문은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’630일 온라인 게재됐다. (논문명 : Voltage-driven gigahertz frequency tuning of spin Hall nano-oscillators) 

기존의 스핀토크발진기 기반 뉴로모픽 소자는 학습 대상을 주파수 대역에 대응시켜 학습하는 소자로, 전류가 흐르지 않으면 학습 내용이 사라지는 휘발성과 200MHz 이내의 제한적인 학습 가능 대역폭을 가지고 있어 이에 대한 개선이 필요한 상황이다.

그림 1. (a) 전압 제어 스핀토크발진기의 모식도와 주사전자현미경 이미지 (b) 전압 인가에 의한 스핀토크발진기의 스펙트럼 변화 (c) 게이트 전압의 누적 인가에 따른 스핀토크발진기 발진 주파수 변화 (각 전압은 10 초간 인가됨)

< 그림 1. (a) 전압 제어 스핀토크발진기의 모식도와 주사전자현미경 이미지 (b) 전압 인가에 의한 스핀토크발진기의 스펙트럼 변화 (c) 게이트 전압의 누적 인가에 따른 스핀토크발진기 발진 주파수 변화 (각 전압은 10 초간 인가됨) >

이번 연구에서 연구팀은 게이트 전압 인가가 소자의 수직자기이방성을 영구적으로 조절하고 이를 통해 자기공명주파수가 조절된다는 사실을 이용하여 기존 보고의 10배 이상인 2.1 GHz 이상의 광대역 조절 가능한 발진기를 실현하였다. 본 기술은 스핀-홀 나노 발진기 기반 뉴로모픽 소자 개발에 핵심 기술로 활용될 것이라 기대된다. 

한편 이번 연구는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업, 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 선도연구센터/중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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