엑스선 공명 자기 산란을 이용한 자성 다층박막 및 나노 구조체의 자기 구조와 자기 스위칭 메커니즘의 연구

이동렬(Dong Ryeol Lee) 한국자기학회 2010 韓國磁氣學會誌 Vol.20 No.4

엑스선 공명 자기산란은 엑스선 반사율과 회절의 원리를 이용하여 자기 다층박막 내 깊이 방향의 자화 모양 및 자기 나노 구조체 내의 자화 분포를 특정 원소별로 구할 수 있다. 여기서는 엑스선 공명 자기산란에 대한 간단한 설명과 이를 이용한 자성 다층박막 및 나노 구조체의 자기 구조와 자기 스위칭의 연구에 대하여 몇 가지 예를 들어 설명하려 한다. X-ray resonant magnetic scattering (XRMS) allows us to extract magnetic depth profiles in magnetic multilayers and magnetization distribution in magnetic nanostructures in element-specific manner using x-ray reflectivity and diffraction. XRMS is explained with a brief introduction and examples of magnetic structures and magnetic switching mechanism in magnetic multilayers and nanostructures.

자기 포화 영역을 갖는 단상 6/6 SRM의 자기 구조 해석 및 개선

오석규(Seok-Gyu Oh) 한국자기학회 2017 韓國磁氣學會誌 Vol.27 No.2

단상 SRM은 자기동이 어려운 관계로 다양한 방법으로 자기동을 실현시키려는 연구가 진행되고 있다. 보조자석을 사용하거나 보조극 등을 만들어 자기동을 실현시키는 방법들이 연구되고 있다. 최근에 회전자 형상에 변화를 주어 기동할 수 있는 방법이 제시되었다. 이는 회전자 형상에 변화를 주어 부분적으로 자기포화 정도를 다르게 하여 자기동을 실현하는 방식이다. 본 논문에서는 자기 포화 영역을 갖는 단상 6/6 SRM의 자기구조를 해석하고 기존의 자기구조를 개선하는 것을 목적으로 한다. 이 자기 해석을 위해 유한요소법 해석 프로그램인 FLUX2D를 사용하였다. Single-phase SRM is cost competitive because it can reduce the number of switches for small, low-cost applications. However, since the single-phase SRM is difficult to start itself, methods for realizing self-starting by using auxiliary magnet or auxiliary pole have been studied. Recently, a method of self-starting by changing the shape of the rotor with a saturable area has been proposed. The purpose of this paper is to analyze the magnetic structure of single phase 6/6 SRM with a saturable rotor and to improve the magnetic structure of rotor with a saturable area. For this magnetic analysis, FLUX2D, a finite element method analysis program, was used.

자기열량효과 최근 연구동향

김동현,유성초 한국자기학회 2020 韓國磁氣學會誌 Vol.30 No.3

자기열량효과는 자성체에 자기장을 가할 때 자성체 내의 자기모멘트가 자기장 방향으로 정렬하면서 엔트로피가 감소하면서 나타는 현상이다. 최초로 발견된지 140년이 되어가지만 아직도 학문적으로나 응용적으로 연구할 주제들이 많이 있다. 본 논문에서는 자기열량효과의 기본과 열역학적인 기술, 상전이 현상과의 관계를 소개하고, 다양한 자기열량효과 물질군에 대해 리뷰하였다. 이러한 물질군에서 자기 및 구조적 파라미터를 제어하여 자기열량효과 및 상전이 특성을 변화시킬 수 있으며 Tabletop 자기열량효과와 같은 새로운 현상도 발견되게 되었다. 분자자석과 같은 나노입자에서 나타나는 자기열량효과를 소개하였고 극저온 자기열량효과 및 물질군에 대해 소개하였다. 마지막으로 펨토초 및 피코초 초고속 시간스케일에서 나타나는 자기열량효과를 소개하였다. Magnetocaloric effect is observed for magnetic materials under external magnetic fields due to reduced magnetic entropy by being aligned along the applied field direction. Although it is discovered about 140 years ago, there are still many things to be explored. Here, we introduce basic concepts of magnetocaloric effect in terms of its relation with phase transition and thermodynamics. Various magnetocaloric materials are introduced with recent research trend to control structural/magnetic properties of those materials. Magnetocaloric effect for nanoparticles at cryogenic temperatures are introduced. Lastly, existence of magnetocaloric effect even on ultrafast fs- and ps timescale is discussed.

원 모양 스핀밸브 박막의 직교 4-단자법으로 측정된 자기저항 특성 연구

최종구,이상석 한국자기학회 2019 韓國磁氣學會誌 Vol.29 No.6

A simple spin valve Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ta magnetic thin film was patterned as a circular form with four terminals of current and voltage to investigate the magnetoresistance characteristics. The direction of the applied magnetic field was set horizontally and vertically on the thin film surface according to the rotation angle and azimuth angle. The magnetic resistance ratio and magnetic sensitivity were obtained from the measured magnetoresistance curve. The initial hall resistance measured was 1.29 . The maximum magnetoresistance ratios of the horizontal and vertical hall resistances were 9.65% and 3.91%, respectively, when the rotation and azimuth angles were 45o. The magnetoresistance curve measured at the rotation angle of 90o was shown linear property within ± 2.0 Oe, and the maximum magnetic sensitivity was 10.0%/Oe. It has shown the possibility to develop a spin valve device having a high sensitivity by using a micro-pattern in a circular shape as a planner hall sensor. 단순형 스핀밸브의 Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ta 자성박막을 원 모양으로 패턴하여 중심을 직교하는 전류 단자와 전압 단자로 자기저항특성을 조사하였다. 측정 시 인가한 외부자기장 방향을 박막면에서 수평과 수직으로 각각 설정하여 회전각과 방위각에 따라 자화 용이축과 전류 방향이 서로 수직이 되도록 하고 측정한 자기저항곡선으로부터 자기저항비와 외부자기장이 0 Oe 부근에서 자장감응도를 구하였다. 외부자기장 방향을 박막면에서 수평과 수직으로 각각 설정하여 측정한 홀저항의 초기값은 1.29 이었다. 수평면상과 수직면상으로 홀저항의 변화에 따라 최대 자기저항비는 회전각과 방위각이 45o에서 각각 9.65%와 3.91%를 나타내었다. 회전각 90o에 측정한 자기저항곡선은 외부자기장 ± 2.0Oe 이내 영역에서 선형적 대칭의 모양을 보였다. 최대 자장감응도는 10.0%/Oe이었다. 원 모양으로 미세 패턴한 스핀밸브 자성박막 소자는 높은 감도를 갖는 평면홀센서로 개발할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

거대자기저항 재료

이성래(S. R. Lee) 한국자기학회 1995 韓國磁氣學會誌 Vol.5 No.3

GMR을 갖는 재료의 응용은 매우 광범위하며 크게 세 분야로 대별할 수 있다. 첫째는 자기 재생 헤드로서 2000년 초의 10 Gbits/in² 이상의 고밀도 자기기록 기술에서는 필수 불가결한 재료이다. 둘째는 다양한 분야에 응용될 고감도 자기센서 분야이며, 셋째는 집접화된 자기저항 메모리(MRAM) 분야이다. GMR재료를 사용한 자기센서 시제품은 이미 개발되었고 기존의 AMR재료인 퍼머로이에 비하여 3~20배 이상으로 신호준위가 크고 사용 온도 범위에서 선형성 및 열적안정성도 우수한 것으로 보고되고 있다. MRAM chip의 경우에는 16 Kbits 용량의 시제품이 발표되었고 Mbits 기억용량의 MRAM에 대한 연구가 진행중이다. GMR현상은 발견된지 고작 7년밖에 되지 않았으나 GMR자기센서는 microchip 형태로 이미 상업적으로 개발되었으며 자기디스크용 재생헤드에도 조만간 응용될 것으로 기대되는 등 매우 빠른 속도로 상용화 연구가 진행되고 있다.<br/> GMR 현상의 발견은 자성재료분야 연구 및 응용에 있어 새로운 전기를 마련하였으며 특히 자성과 이동현상이 연계된 분야로서 소위 “Magnetoelectronics”라는 새로운 미래기술의 장이 열리고 있음을 알리고 있다. 현재의 microelectronics 기술에서는 전자와 전자공공을 이용하는 기술이라면 magnetoelectronics 기술에서는 스핀 ↑ 및 스핀 ↓의 두 종류의 전자를 이용하게 된다. 자성체와 도체를 접목한 스핀 트랜지스터 또는 자성체와 반도체를 접목한 스핀-polarized FET(field effect transistor)등의 새로운 개념의 magnetoelectronics 소자의 창출이 기대되고 있다.<br/> 전반적으로 초보적인 연구 단계에 있는 GMR등의 자기이동(magneto-transport) 현상은 반도체 및 광학기술과의 접목을 통하여 소위 magneto-electronics, magneto-optics등의 다양한 새로운 기술 창출이 기대된다. 따라서 자기이동 현상의 기초 연구, 재료 측면의 연구 및 헤드, 센서, MRAM등의 응용기술연구가 국내에서 활발하게 이루어져 21세기 새로운 기술 창출이 기대되는 차세대 자성전자(magnetoelectronics)재료 응용에 대비하여야 할 것이다.

비정질 Sm - Fe계 합금 박막의 유도자기이방성 형성

송상훈(S. H. Song),이덕열(D. Lee),한석희(S. H. Han),김희중(H. J. Kim),임상호(S. H. Lim) 한국자기학회 1998 韓國磁氣學會誌 Vol.8 No.5

스퍼터링 중 500~600 Oe의 자기장을 인가한 상태에서 제조된 비정질 Sm-Fe 합금 박막에서 6×10⁴ J/㎥ 크기의 유도자기이방성이 형성되었다. 자장 증착에 의해 유도자기이방성이 형성된 합금 박막은 이방성이 형성되지 않은 합금 박막에 비해 자구 구조에 무관한 “포화” 자기변형은 유사하지만, 측정 방향에 따른 자기변형의 이방성 비는 최대 35 정도로서 매우 크게 증가하였다. 이는 자기변형 박막의 디바이스 응용시 성능을 크게 향상시키므로, 실용적인 측면에서 매우 중요하다. 스퍼터링 중 자기장을 인가하지 않고 통상의 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 비정질 Sm-Fe 합금 박막을 넓은 조성 범위에 걸쳐서 체계적으로 조사한 결과, 이러한 합금 박막에서도 미약하나마 스퍼터링 중의 누설 자계에 의해 증착 도중 유도자기이방성이 형성되는 것을 관찰하였으며, 최대의 유도자기이방성은 Sm 함량 25~30 원자%에서 얻어졌다. 또한 본 합금 박막의 유도자기이방성은 자장 중 열처리에 의해서도 형성되는 것을 관찰하였는데, 형성된 이방성의 크기는 자장 증착에 의해 제조된 시료보다 매우 작게 나타났다. 이는 자장 증착의 경우 원자의 표면 확산을 통한 원자의 이동에 의해 유도자기이방성이 형성되나, 증착 후 자장 열처리에 의한 경우는 체적 확산에 의해 유도자기이방성이 형성되기 때문으로 생각된다. Induced anisotropy with the energy of 6×10⁴ J/㎥ is obtained in amorphous Sm-Fe based thin films which are fabricated by rf magnetron sputtering under a magnetic field of 500~600 Oe. Compared with conventional thin films, the anisotropic thin films exhibit a similar "saturation" magnetostriction, but show a very large anisotropy in magnetostriction which is of significant practical importance due to increased strain at a particular direction. It is shown from a systematic investigation over a wide composition range for binary Sm-Fe alloys that anisotropy is also induced, though small, during a normal sputtering procedure due to the stray field, and the largest anisotropy is observed in the composition range of 25~30 at.% Sm. Furthermore, induced anisotropy is also found to be formed by magnetic annealing, but the anisotropy energy is much smaller than that by magnetic sputtering. This may be because the volume diffusion by which atoms move during magnetic annealing to form induced anisotropy is much slower than the surface diffusion which is expected to be a dominant factor during magnetic sputtering.

자기터널접합을 활용한 고집적 MRAM 소자 기술

전병선(Byong Sun Chun),김영근(Young Keun Kim) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.3

자기터널접합 기반의 MRAM(magnetic random access memory)은 자기저항효과를 응용하는 메모리소자로서 비휘발성과 고속 정보처리가 가능할 뿐만 아니라 고집적화 할 수 있는 차세대 통합형 비휘발성 메모리이다. 그러나 기존의 메모리 소자들에 비해 스위칭 산포가 크고, 기록마진(writing margin)이 확보되지 않아 아직까지는 고집적화가 어려운 실정이다. 최근 포화자화가 낮은 NiFeSiB 및 CoFeSiB과 같은 비정질 강자성체를 자기터널접합의 자유층 재료로 사용하여 스위칭 자기장의 거대화를 크게 감소시켜 MRAM의 기록마진을 높이는 연구결과에 관해 정리하여 보았다. 그리고 이러한 물질을 이용하여 자기터널접합의 재생마진(reading margin)과 관련된 터널자기저항비의 인가전압의존성을 저감시킬 수 있었다. 본고에서는 나노자기소자 기술의 중요한 분야인 MRAM의 기술발전 방향과 연구사례를 소개하고자 한다. Ferromagnetic amorphous Ni₁?Fe?₂Si?B₁₄ and Co70.5Fe4.5Si₁?B₁? layers have been devised and incorporated as free layers of magnetic tunnel junctions (MTJs) to improve MRAM reading and writing performance. The NiFeSiB and CoFeSiB single-layer film exhibited a lower saturation magnetization (Ms = 800 emu/㎤, and 560 emu/㎤, respectively) compared to that of a Co??Fe₁?0 (Ms = 1400 emu/㎤). Because amorphous ferromagnetic materials have lower Ms than crystalline ones, the MTJs incorporating amorphous ferromagnetic materials offer lower switching field (Hsw) values than that of the traditional CoFe-based MTJ. The double-barrier MTJ with an amorphous NiFeSiB free layer offered smooth surface resulting in low bias voltage dependence, and high Vh and Vbd compared with the values of the traditional CoFe-based MTJ.

미세자기 동역학을 이용한 강자성 나노선의 자기 잡음 연구

윤정범(Jungbum Yoon),유천열(Chun-Yeol You),조영훈(Younghun Jo),박승영(Seung-Young Park),정명화(Myung-Hwa Jung) 한국자기학회 2010 韓國磁氣學會誌 Vol.20 No.1

강자성 나노선에 형성된 자벽의 자기적 특성을 연구하기 위해 미세 자기 동역학을 이용하여 열적 자기 잡음에 대한 연구를 수행하였다. 열적 요동에 의한 자기 잡음 연구는 자성체의 중요한 물리량인 자화율이나 자기 공명 주파수와 같은 물리적 특성에 대한 정보를 제공해 주며, 이는 스핀 동역학의 연구에 있어서 중요한 역할을 한다. 본 연구는 강자성 나노선에서의 자기 구조가 단일 자구를 형성하고 있는 경우와 두 개의 자구 사이에 자벽이 있는 경우에 대해서 열적 자기 잡음을 분석하였다. 그 중 단일 자구일 경우에 열적 요동에 의한 공명 주파수는 완전한 타원체 모형에서 탈자기화 상수를 고려한 Kittel 방정식으로 매우 잘 설명됨을 확인하였고, 자벽이 존재하는 경우에는 단일 자구에 의한 공명 주파수 이외에 추가된 공명주파수를 확인 할 수 있었다. 국소적인 분석을 통해 앞에서 언급한 추가 공명 주파수는 자벽에서 발생하며 단일 자구에 의한 공명 주파수에 비해서 낮은 주파수를 가짐을 확인하였다. We investigate the spin dynamics of the magnetic domain wall using the magnetic noise in the magnetic nanowire structure by employing micromagnetic simulations. Magnetic noise due to the thermal fluctuations in ferromagnetic materials is related to magnetic susceptibility and resonance frequency, which are important physical quantities in the study of the spin dynamics. In this study, we present the magnetic noise of the single domain without magnetic domain wall, and with the magnetic domain wall between two magnetic domains in ferromagnetic nanowires. It is confirmed that the Kittel equation with simple ellipsoid model with demagnetizing factor well describe the resonance frequency due to magnetic noise of the single domain. Besides, we find that there is a distinguishable additional resonance frequency, when a magnetic domain wall exists. It is verified that the additional resonance frequency is originated from the magnetic domain wall, and it is lower than one of the single domain. It implies that the spins inside the domain wall have a different effective field.

NiFe / Cu / Co 삼층막의 자기이방성과 자기저항 특성에 관한 연구

김형준(Hyeong-Jun Kim),이병일(Byung-Il Lee),주승기(Seung-Ki Joo) 한국자기학회 1996 韓國磁氣學會誌 Vol.6 No.5

4° 기울어진 Si(111) 웨이퍼를 기판으로 사용해 Cu(50 Å) 바닥층 위에 외부 자장의 인가없이 NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) 삼층막을 형성하여 자기이방성과 자기저항 특성을 연구하였다. NiFe(60 Å) 층과 Co(30 Å) 층을 Cu(50 Å) 바닥층 위에 각각 단층막으로 형성할 경우에 면내 일축자기이방성이 유도되었으며, 기판을 기준으로 NiFe 층과 Co 층의 자화용이축은 면내에서 상호 수직임이 관찰되었다. NiFe(60Å)/Cu(60Å)/Co(30Å) 삼층막을 동일한 기판과 바닥층 위에 형성할 경우, NiFe 층과 Co 층의 자기이방성은 단층막에서의 자기이방성이 재현되어, 자화용이축이 면내에서 상호 수직으로 놓임이 처음으로 발견되었으며 ~2.2%의 자기저항비가 측정되었다. 이를 자기이방성이 유도되지 않은, 유리 기판 위에 형성한 NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) 삼층막과 비교할 때 ~1.2% 큰 자기저항비를 보이며, 두 자성층의 자화 상태가 반평행을 유지해 자기저항비가 일정하게 유지되는 구간도 현저히 증가하였다. 위의 결과는 적절한 기판의 선택을 통해 삼층막을 이루는 두 자성층 내의 자기이방성 유도와 자화용이축 방향의 조절이 가능함을 나타내며, 이는 헤드 또는 메모리 소자 응용에 매우 유용할 것으로 판단된다. NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) trilayers were formed on the 4° tilt-cut Si(111) substrate by rf magnetron sputtering method. With a Cu(50 Å) underlayer, NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) trilayers developed in-plane magnetic anisotropy and in-plane perpendicular alignment of easy axes in two magnetic components of NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) trilayers has been found. The easy axis of Co layer consisting of NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å) trilayers turned out to be along 4° tilt Si <112> direction and that of NiFe layer along Si <110> direction.<br/> [NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å)]/Cu(50 Å)/Si(111, 4° tilt-cut) trilayers showed about 2.2 % MR ratio at room temperature and large plateau in MR curves, which are more improved MR characteristics than those in [NiFe(60 Å)/Cu(60 Å)/Co(30 Å)]/Cu(50 Å)/glass trilayers with no appreciable magnetic anisotropy.

고밀도 자기기록 시스템에서 발생하는 와전류에 의한 자기 기록 필드 영향 분석

원혁(Hyuk Won),박관수(Gwan Soo Park) 한국자기학회 2006 韓國磁氣學會誌 Vol.16 No.2

자기 기록 시스템은 시간의 흐름에 따라 기록 밀도는 높아지고 있고 또한 기록 속도 역시 빨라지고 있다. 더욱 빠른 기록 속도의 요구 치로 인하여 자기 기록 헤드에 인가되어지는 기록 주파수 역시 높아져야 하고 또한 기록이 일어나는 기록 미디어의 회전 속도 역시 빨라져야 한다. 이와 같은 두 가지 요건은 헤드와 기록 미디어에서 와전류를 발생시키게 된다. 기록 헤드에서는 기록 주파수에 의해 발생되는 와전류가 존재한다. 그리고 기록 미디어에서는 기록 주파수에 의해 발생되는 와전류와 회전하는 미디어의 선속도에 의해 발생하는 와전류가 존재하게 된다. 본 논문에서는 비선형 3차원 유한 요소법을 이용하여 자기 기록 헤드에서 발생하는 와전류와 기록 미디어에서 발생하는 두 종류의 와전류의 분포를 분석하고 이와 같이 발생한 와전류가 자기 기록 시스템에서 자기 기록 필드에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. The frequency of the recording current and the rotating speed of the recording media are increase for the high densities in perpendicular magnetic recording system with high conductive pole tip head and soft magnetic under-layer. In the paper, the frequency induced eddy current and velocity induced eddy currents are analyzed by non-linear 3-dimensional finite element analysis. It it turned out that the frequency induced eddy current decreases the amplitude of the recording fields, whereas the velocity induced eddy current only distorts the distribution of the recording fields in the recording media