MRAM과 MTJ: 비휘발성 메모리의 동작 원리와 활용
MRAM의 MTJ 구조와 STT 기반 동작, 성능 특성, DRAM·Flash 비교 및 차세대 메모리 활용 분야를 정리합니다.
2026-08-14 · 최초 발행 2026-01-06
MTJ의 저항 상태가 비트를 만든다
MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)은 자기 저항 효과로 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리다. 전원이 끊겨도 자화 상태가 남는다는 점에서 Flash와 닮았고, 빠른 읽기·쓰기 동작을 목표로 한다는 점에서는 DRAM의 영역과 맞닿아 있다.
핵심 소자는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)이다. 두 강자성층 사이에 절연층을 두고, 한쪽 층의 자화 방향을 바꿀 수 있게 구성한다. 두 층의 자화가 같은 방향인지 반대 방향인지에 따라 저항이 달라지며, 이 차이를 데이터 값으로 읽는다.
- 자기 터널 접합(MTJ): 두 강자성층 사이에 절연층을 배치한 구조
- 스핀 전달 토크(STT): 전류의 스핀 각운동량으로 자화 방향을 제어하는 방식
- 자기 저항 효과: 자화 방향에 따라 전기 저항이 달라지는 현상
- 비휘발성: 전원이 꺼져도 자화 상태가 유지되어 데이터를 보존하는 특성
- 양방향 동작: 읽기와 쓰기에 동일한 전류 경로를 사용하는 방식
자유층의 자화 방향을 바꾸는 과정은 STT-MRAM에서 스핀 분극 전류로 수행한다. 읽기에서는 낮은 전류로 MTJ 저항을 측정하고, 쓰기에서는 자유층의 자화가 전환될 만큼 전류를 인가한다. 이때 자화 반전에 필요한 최소 전류 밀도는 임계 전류이며, 스핀 전달 효율과 열적 안정성은 각각 자화 제어의 효율 및 외부 열에너지에 대한 상태 안정성과 연결된다.
속도·내구성·전력 특성
MRAM의 접근 시간은 10~20ns 수준의 읽기·쓰기 시간으로 제시된다. 쓰기 사이클은 10^15회 이상을 지원하고, 전원이 없는 상태에서도 데이터는 10년 이상 유지된다. DRAM과 비교하면 대기 전력 소모가 낮고, 20nm 이하 공정 기술을 통해 집적도를 높이는 방향으로 발전하고 있다.
MRAM은 동작 방식에 따라 Toggle MRAM, STT-MRAM, SOT-MRAM, VC-MRAM으로 구분할 수 있다. Toggle MRAM은 1세대 기술이며, STT-MRAM은 스핀 전달 토크를 사용한다. SOT-MRAM은 스핀 궤도 토크, VC-MRAM은 전압 제어 방식을 기반으로 한다.
이 특성은 마이크로컨트롤러의 코드 저장용 임베디드 메모리, DRAM을 대체하는 고속 작업 메모리, L3/L4 캐시 같은 활용을 가능하게 한다. 저전력 비휘발성 메모리가 필요한 IoT 장치와 방사선에 강한 메모리가 필요한 우주항공 분야도 적용 대상으로 언급된다.
DRAM과 Flash 사이에서 보는 MRAM
| 특성 | MRAM | DRAM | Flash |
|---|---|---|---|
| 휘발성 | 비휘발성 | 휘발성 | 비휘발성 |
| 읽기 속도 | 10~20ns | 10~20ns | 50~100us |
| 쓰기 속도 | 10~20ns | 10~20ns | 100us~1ms |
| 내구성 | 10^15 | 무제한 | 10^4~10^6 |
| 전력 소모 | 낮음 | 높음(리프레시) | 중간 |
| 집적도 | 중간 | 높음 | 매우 높음 |
MRAM은 비휘발성 덕분에 즉시 부팅을 지원할 수 있고, DRAM처럼 주기적인 리프레시가 필요하지 않다. Flash보다 긴 수명과 대기 상태에서 거의 없는 전력 소모도 장점이다. 우주 환경에서의 안정적 동작과 같은 내방사선 특성도 활용 맥락을 넓힌다.
다만 높은 제조 비용, DRAM 대비 낮은 밀도, 쓰기 전류, 미세 공정에서의 스케일링 한계는 계속 다뤄야 할 과제다.
저전력과 집적도를 향한 기술 변화
SOT-MRAM은 3단자 구조로 읽기와 쓰기 경로를 분리한다. VC-MRAM은 전압으로 자기 이방성을 제어해 저전력화를 겨냥한다. 여러 MTJ를 적층하는 다층 MTJ, 스핀 홀 효과를 이용한 효율 개선, 그래핀 등 2D 재료 기반 MTJ도 집적도와 동작 효율을 높이기 위한 방향이다.
시장에서는 2025년까지 주요 MCU에 임베디드 MRAM이 채택될 것으로 예상되며, MRAM은 DRAM과 SSD 사이에 스토리지 클래스 메모리 계층을 형성할 수 있다. AI 추론을 위한 인메모리 컴퓨팅, 저전력 엣지 디바이스, 고온 환경 신뢰성이 필요한 자동차 전장도 활용 가능성이 거론된다.
MRAM은 빠른 속도, 비휘발성, 높은 내구성을 함께 요구하는 영역을 겨냥한다. STT-MRAM에서 SOT-MRAM과 VC-MRAM으로 이어지는 기술 변화는 저전력화와 고집적화에 초점이 맞춰져 있으며, 임베디드 시스템부터 데이터센터까지 DRAM과 Flash를 보완하거나 대체할 가능성을 가진다. IoT와 엣지 컴퓨팅에서는 저전력 비휘발성 메모리로서의 역할이 더욱 중요해질 전망이다.