윤정호 교수 공동연구팀, 차세대 보안·컴퓨팅의 열쇠 ‘멤리스터 무작위성’ 원천 규명

- 주사열현미경 활용해 소자 내부의 다중 전도성 경로와 열 효과 메커니즘 세계 최초 확인

- 물리적 엔트로피 소자 기반의 진성난수발생기 구현으로 미래 보안 기술 선점 기대

▲ (왼쪽 위부터) 윤정호 교수, 소근호 박사과정생, 인천대 김경태 교수, 구승회 박사, 한국과학기술연구원 허성훈 박사, 윤병진 석박통합과정생

신소재공학부 윤정호 교수 연구팀은 인천대학교(총장 이인재) 김경태 교수 연구팀 및 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 허성훈 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 차세대 반도체 소자로 주목받는 ‘휘발성 이온 이동형 멤리스터(Memristor)’의 저항 변화 현상이 다중 전도성 경로와 열 효과가 결합된 복합 메커니즘에 의해 발생한다는 사실을 세계 최초로 규명했다.

이번 연구는 그동안 베일에 싸여 있던 멤리스터 소자의 선천적 무작위성(Stochasticity)의 근본 원인을 밝혀낸 것으로, 향후 정보보안을 위한 난수 생성 및 확률론적 컴퓨팅 등 미래형 연산 시스템 구축에 획기적인 전환점을 마련할 것으로 기대된다.

휘발성 이온 이동형 멤리스터는 전압을 가하면 내부에 금속 이온으로 이루어진 미세한 통로(전도성 경로)가 무작위로 만들어지고, 전압을 끄면 다시 무작위로 사라지는 특성을 가진다. 이러한 예측 불가능한 성질은 해킹이 불가능한 보안 번호를 만드는 '진성난수발생기'나 복잡한 경우의 수를 계산하는 '확률론적 컴퓨팅' 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 하지만 소자 내부에서 일어나는 이러한 변화를 실시간으로 직접 관찰하기 어려워, 그동안 무작위성을 극대화하는 소자 설계에 한계가 있었다.

공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 나노미터(nm) 단위의 미세한 열을 측정할 수 있는 ‘주사열현미경(SThM)’ 기법을 도입했다. 연구팀은 멤리스터 소자에 전압을 걸었을 때 발생하는 줄 열(Joule heating)을 소자 표면에서 직접 계측하는 데 성공했다. 이를 통해 소자 내부에서 여러 개의 국소적인 발열 지점이 나타나고 사라지는 현상을 확인했으며, 이는 곧 다수의 전도성 경로가 서로 경쟁하며 실시간으로 이온을 재배치하고 있음을 입증하는 결정적 근거가 되었다.

나아가 연구팀은 이번 발견을 바탕으로 디지털과 아날로그 방식의 난수를 모두 생성할 수 있는 ‘복합 진성난수발생기’를 실제로 구현하여 데이터의 암호화 및 복호화 실험에 성공했다. 또한, 방대한 데이터 중 최적의 답을 찾아내는 확률론적 컴퓨팅 기술을 활용해 이진 전가산기 회로의 역연산을 시연함으로써 차세대 컴퓨팅 분야로의 확장 가능성까지 증명해냈다.

윤정호 교수는 “이번 연구는 멤리스터의 저항 변화를 단순히 하나의 통로가 생기고 사라지는 것으로 이해하던 기존의 피상적인 해석을 넘어, 다중 경로와 열 효과의 복합적인 상호작용을 밝혀낸 심층적인 성과”라며 “앞으로 이 소자를 활용해 무작위성과 확률 기반의 차세대 지능형 반도체 분야에서 글로벌 기술 리더십을 확보하는 데 앞장서겠다”고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발(소자) 사업, 집단연구지원사업(글로벌 기초연구실), 개인기초연구사업과 과학기술사업화진흥원의 국산연구장비기술경쟁력강화사업, 한국기초과학지원연구원의 신진연구자 인프라지원사업의 지원으로 수행되어 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 1월 21일 게재되었다.

▲ (위) 휘발성 임계스위칭 멤리스터의 SThM 분석 및 전열 시뮬레이션 결과, (아래)선천적으로 무작위적인 저항 변화 스위칭을 활용한 진성난수발생기 및 확률론적 컴퓨팅 시연 결과

※ 논문명: Unraveling Origin of Stochasticity in Multi-Filamentary Memristor

※ 학술지: Advanced Functional Materials (IF: 19.0)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202527482