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스핀 소자 기반 물리적 복제방지 보안기술 개발
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수팀이 물리학과 김갑진 교수 연구팀 및 현대자동차와 공동연구를 통해 자성메모리(Magnetic random-access memory, MRAM)를 기반으로 사람의 지문과 같이 매번 다른 패턴을 갖는 하드웨어 보안인증 원천 기술을 개발하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.
박병국 교수 연구팀은 반강자성체-하부강자성체-비자성체-상부강자성체 다층박막 구조에서 무자기장(field-free) 스핀-궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)로 동작하는 MRAM 소자의 스위칭 극성을 무작위적으로 분포시켜 물리적 복제 불가능성(physical unclonable function, 이하 PUF)을 지닌 보안소자를 개발하는 것이 가능함을 입증했다. 이 기술은 고온 및 고자기장 등의 환경에서도 높은 동작 신뢰도 및 무작위성을 유지하면서 작동 가능해 사물인터넷(IoT)을 비롯한 다양한 보안시스템에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
PUF를 이용한 하드웨어 기반 보안 소자는 동일한 공정 과정을 통해 제작해도 공정 편차에서 발생하는 제어되거나 예측할 수 없는 반도체소재/소자 간의 차이를 이용해 보안용 인증키를 형성하는 기술이다. 이는 기존 소프트웨어 기반 보안시스템과 다르게 외부 공격에 대해 높은 저항성을 지니는 장점이 있기에 최근 증가하고 있는 사물인터넷 기기 해킹 등의 보안 위협을 해결할 기술로 주목받고 있다.
하지만 기존에 주로 연구됐던 상보적 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 소자 기반 물리적 복제방지기술은 외부 환경 변화에 민감하며 반복 동작 시 신뢰도가 낮아지는 문제점이 있다. 이에 반해 자성메모리(magnetic random-access memory, MRAM)를 포함한 자화를 이용해 정보를 저장하는 스핀트로닉스 기반 소자는 높은 내구성 및 안정성을 지니고 있고 환경 변화에 비교적 민감하지 않다. 따라서 이러한 특성을 이용해 물리적 복제방지기술을 개발한다면 현행 반도체 공정 기술과 호환이 가능하며 보안인증 등 다양한 활용 범위를 가지는 비휘발성 메모리 기반 보안 기술 개발을 기대할 수 있다.
신소재공학과 이수길 박사와 강재민 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 11월 10일 字 온라인 게재됐다. (논문명 : Spintronic physical unclonable functions based on field-free spin-orbit torque switching)
연구팀은 교환결합이 형성된 다층박막을 제작해 고온에서 교류 자기장 인가를 통해 교환결합의 방향의 좌우로 50:50의 비율을 갖는 무작위한 분포 생성했다. [그림1(a)] 이때 생성된 교환결합의 방향이 상부 강자성체의 무자기장 스위칭 부호를 결정하는 성질을 이용해 무작위한 분포 방향을 전기적으로 0과1의 이진법분포로 바꿔 출력했으며 이를 보안키로 활용하는 물리적 복제 방지 기술을 개발했다. [그림1(b) 및 1(c)]
연구팀이 개발한 스핀 기반 물리적 복제방지 기술은 50,000번 이상의 반복 동작 시에도 에러가 발생하지 않는 높은 내구성을 보이며 반도체소자가 기본적으로 요구하는 -100℃부터 125℃까지 넓은 온도 범위에서도 안정적으로 작동한다. 또한 무작위성의 원천으로 교환결합의 방향을 이용했기 때문에 자성체 기반 소자임에도 불구하고 외부 자기장을 이용해 저장된 무작위분포를 바꾸지 못하는 것을 확인했다.
공동 제1 저자인 이수길 박사와 강재민 연구원은 "이번 연구는 차세대 MRAM의 주요 기술인 스핀-궤도 토크 기반으로 보안소자 기술을 개발할 수 있다는 것을 제시한 것에 의미가 있으며 향후 유력한 차세대 메모리인 MRAM에 보안 소자 기술을 접목하는 연구가 활발히 이뤄질 것으로 예상 된다ˮ고 밝혔다.
한편 이번 연구는 현대자동차 및 과학기술정보통신부 PIM인공지능반도체핵심기술개발 사업과 중견연구자지원 사업 연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
2022.12.02 조회수 5750 -
초고속 자성메모리에 쓰이는 새로운 스핀소재 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 물리학과 이경진 교수 공동연구팀이 고속 동작 비휘발성 메모리로 개발 중인 스핀궤도토크 자성메모리(이하 SOT-MRAM)의 에너지 소비 전력을 획기적으로 감소시킬 스핀소재 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
SOT-MRAM은 고속 동작 및 높은 안정성의 특성으로 차세대 자성메모리로 주목받고 있다. 하지만 이 기술은 자화 스위칭을 위해서 외부자기장의 인가가 필수적이고, 스위칭 전류가 기존의 스핀전달토크 자성메모리(STT-MRAM)보다 커서 자성메모리 동작 전력이 많이 소모되는 단점을 가지고 있다. 따라서 SOT-MRAM의 실용화를 위해서는 외부자기장 없이 동작하면서 스위칭 효율이 높은 소재 기술 개발이 요구되고 있다.
연구팀은 새로운 스핀소재 구조, 즉 단결정 강자성/전이금속 이중층 구조에서 세 방향의 스핀분극을 가진 스핀 전류가 생성됨을 이론 및 실험으로 밝히고, 이를 조합해 자성메모리의 동작 에너지를 결정하는 자화반전 스위칭 전류를 효과적으로 감소시키는 결과를 발표했다.
이 신소재는 스핀궤도토크 효율을 높이고 외부자기장 없이 동작이 가능하므로 SOT-MRAM의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. SOT-MRAM은 고속 동작 및 비휘발성 특성으로 기존 반도체 소자 대기전력을 감소시켜, 저전력을 필수로 요구하는 모바일, 웨어러블, IoT(사물인터넷)용 메모리로 활용 가능성이 크다.
신소재공학과 류정춘 박사가 제1 저자로 참여하고, 신소재공학과 육종민 교수, 일본 도호쿠(Tohoku) 대학교 닛타 준사쿠(Nitta Junsaku) 교수와 공동으로 수행한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics)'에 4월 7일 字 온라인 게재됐다. (논문명 : Efficient spin–orbit torque in magnetic trilayers using all three polarizations of a spin current)
이번 연구에서 연구팀은 높은 결정성을 나타내는 단결정 강자성 소재와 전류의 이중층 구조에서 x, y, z의 세가지 방향의 스핀분극을 가진 스핀전류가 생성될 수 있음을 이론과 실험으로 증명했다. 또한, 자화방향과 전류방향을 제어해 스핀토크 효율이 최대가 되는 조건을 확보하여 스위칭 전류를 획기적으로 감소시키는 기술 개발에 성공했다. 이 기술은 SOT-MRAM의 동작 소모전력을 감소시키는 핵심 소재 기술로 활용될 것으로 기대된다.
제1 저자인 류정춘 박사는 "이번 연구는 자성메모리 내에서 여러 방향의 스핀 전류를 동시에 생성 및 제어할 수 있음을 실험으로 규명한 것으로, 저전력으로 구동하는 스핀트로닉스 소자 개발에 활용될 수 있을 것이다ˮ 라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성전자, 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.04.27 조회수 6959 -
자성메모리 기반 지능형 반도체 소재 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수 연구팀이 차세대 비휘발성(Non-volatile) 메모리인 *스핀궤도토크 자성메모리(SOT-MRAM)의 스위칭 분극을 전기장 인가를 통해 임의로 제어하는 소재 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.
* 스핀궤도토크 자성메모리: 면방향 전류에서 발생하는 스핀전류를 이용해 자화 방향을 제어하는 동작 방식으로 기존의 스핀전달토크 자성메모리(STT-MRAM) 보다 동작 속도가 10배 이상 빠른 장점이 있다.
연구팀은 이 결과를 이용해 하나의 소자에서 다양한 논리연산이 가능함을 보임으로, 기억과 연산 기능을 동시에 수행하는 스마트 소자의 개발 가능성을 높였다. 특히 이 기술은 차세대 지능형 반도체로 개발되는 프로세싱-인-메모리 (PIM)에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. PIM (processing-In-Memory) 기술은 메모리 공간에서 로직 기능을 수행해 프로세서에서 처리하는 데이터양을 획기적으로 줄임으로써, 기존 컴퓨팅 기술인 폰노이만 구조의 한계를 극복하는 기술로 여겨지고 있다.
신소재공학과 강민구 박사과정과 최종국 박사과정이 공동 제1 저자로 참여하고 신소재공학과 육종민 교수, 물리학과 이경진, 김갑진 교수, 충남대학교 정종율 교수, 고려대학교 박종선 교수와 공동으로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 12월 7일 字 온라인 게재됐다. (논문명 : Electric-field control of field-free spin-orbit torque switching via laterally modulated Rashba effect in Pt/Co/AlOx structures)
스핀궤도토크 자성메모리(SOT-MRAM)는 고속 동작 및 높은 안정성 특성으로 차세대 자성메모리 기술로 개발되고 있다. 하지만 이 메모리는 정보 기록을 위해서 외부자기장을 인가해야 하는데, 이는 고집적 소자에 치명적인 단점으로 작용한다. 따라서 외부자기장 없이 자화 방향을 제어하는 무자기장 스위칭 기술의 개발이 요구되고 있다.
연구팀은 자성메모리에 측면 게이트 구조를 도입해 계면의 라쉬바 효과를 제어함으로 무자기장 스핀 궤도 토크 스위칭 소재 기술을 개발했다. 또한, 게이트 전압의 부호에 따라 스위칭 방향을 제어하는 결과를 보였고, 이를 이용해 하나의 소자에서 배타적 논리합(XOR), 논리곱(AND) 등의 다양한 논리연산을 구현하는 데 성공했다. 이 기술은 데이터를 저장하는 메모리 반도체와 연산 기능을 수행하는 로직 반도체가 융합된 MRAM 기반 프로세싱-인-메모리(PIM) 소자의 원천 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 강민구 연구원은 "이번 연구는 차세대 자성메모리 내에서 프로그램이 가능한 논리연산을 실험으로 규명해, 향후 미래 컴퓨팅 기술로 여겨지는 지능형 반도체 소자 개발에 응용될 수 있을 것이다ˮ 라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
2021.12.21 조회수 8083 -
고속 동작 뉴로모픽 자성 소자 핵심 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 박병국, 신소재공학과 정연식, 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 고속 동작 자성메모리의 핵심 전극 소재로 활용될 수 있는 *반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
* 반강자성체(antiferromagnetic material): 인접한 원자의 자기모멘트의 방향이 서로 반대 방향으로 평행한 구조를 가져, 외부에서 자기장을 걸었을 때 자성을 띠는 강자성체와는 달리 알짜자화값이 나타나지 않는 물질로 누설자기장이 없고 고속스위칭 특성을 갖는다.
공동연구팀의 결과는 기존의 강자성체 기반 자성 소자보다 집적도가 높고 동작 속도가 10배 이상 빠르다고 예상되는 반강자성체 기반 소자의 개발 가능성을 높였다. 또한, 기존에 알짜 자화값이 존재하지 않아서 자화의 방향을 제어하기 어려웠던 반강자성체를 전기적으로 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어하여 기존의 이진법을 뛰어넘는 멀티레벨 메모리 특성을 보였다. 이는 뇌의 시냅스 동작을 모방할 수 있어 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과 강재민 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 11월 5일 字온라인 게재됐다. (논문명 : Current-induced manipulation of exchange bias in IrMn/NiFe bilayer structures)
자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 개발되고 있다. 기존 자성메모리는 강자성체를 기반으로 하는데, 고집적 소자에서는 강자성체에서 발생하는 누설 자기장으로 인해 인접한 자기 소자 사이에 간섭이 발생하게 된다.
이에 반해 반강자성체는 알짜 자성을 띠고 있지 않아서 누설 자기장이 발생하지 않아 이를 자성 소자에 적용하면 초고집적 자기메모리 소자 개발이 가능하게 된다. 이를 위해서 반강자성체의 자화 방향을 전기적으로 제어하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
연구팀은 교환 결합(exchange bias)*이 형성된 반강자성체/강자성체 이중층 구조를 제작해 반강자성체에서 생성되는 스핀 전류를 이용해 반강자성체의 자화 방향이 전류의 크기와 부호에 따라 가역적으로 회전함을 실험적으로 규명했다. 또한 반강자성체의 자화 방향을 연속적으로 제어해 다중상태 메모리 구성이 가능함을 보였다.
* 교환결합(exchange bias): 반강자성체/강자성체 이중층 구조에서 경계면에 있는 스핀 모멘트들이 상호작용으로 결합하는 현상으로 강자성체에 유효자기장이 발생하게 된다.
연구팀이 개발한 반강자성 제어 기술 및 다중상태 스위칭 거동을 활용하면 초고집적 및 초고속 동작이 가능한 반강자성체 기반 자성메모리 및 뉴로모픽 소자의 핵심 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제1 저자인 강재민 박사과정은 "이번 연구는 반강자성체의 자화 방향을 스핀 전류로 제어할 수 있음을 실험으로 규명해, 향후 반강자성체를 기반으로 하는 차세대 반도체 기술로 여겨지는 스핀트로닉스 전자소자 개발에 응용될 수 있을 것이다ˮ 라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원 사업, KAIST 글로벌 특이점 연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.11.30 조회수 7475 -
박병국, 김갑진 교수, 고효율 스핀 신소재 개발
〈 박 병 국 교수, 김 갑 진 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다.
이번 연구는 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 3월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
이 연구는 고려대 이경진 교수, 미국국립표준연구소(NIST)의 Mark Stiles 박사 연구팀 등과 공동으로 수행됐다.
자성메모리는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있고 집적도가 높으며 고속 동작이 가능해 차세대 메모리로 주목받고 있다.
자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이뤄지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모 전력을 결정하는 핵심 기술이다.
이번 연구에서는 강자성-전이금속 이중층이라는 새로운 소재 구조에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험을 통해 규명했다. 특히 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀 방향을 임의로 제어할 수 있다.
이 소재를 차세대 메모리로 주목받는 스핀궤도토크 기반 자성메모리에 적용하면 스핀토크 효율이 높아지고 외부자기장 없이 동작이 가능해 스핀궤도토크 자성메모리의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
스핀궤도토크 자성메모리는 고속 동작 및 비휘발성 특성으로 S램(D램에 대응하는 반도체 기억소자로 전원만 공급하면 기억된 정보가 계속 소멸하지 않는 램) 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜 모바일, 웨어러블, 사물인터넷용 메모리로 활용 가능하다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 강자성-전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도
2018.04.13 조회수 15338 -
박병국 교수, 열로 스핀전류를 얻는 소재기술 개발
〈 박병국 교수, 김동준 박사 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수 연구팀이 자성메모리(MRAM)의 새로운 동작 원리인 열로 스핀전류를 생성하는 소재기술을 개발했다.
이 연구는 고려대 이경진 교수, 충남대 정종율 교수와 공동으로 수행했고 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 11월 9일자에 게재됐다.
- 논문명: Observation of transverse spin Nernst magnetoresistance induced by thermal spin current in ferromagnet/non-magnet bilayers - 저자 정보 : 김동준(제1저자, 한국과학기술원 박사과정), 전철연, 최종국, 이재욱(한국과학기술원), Srivathsava Surabhi, 정종율 교수(충남대학교), 이경진 교수(고려대학교), 박병국 교수(교신저자, 한국과학기술원) 포함 총 8명
자성메모리는 실리콘 기반의 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 비휘발성 메모리 소자다.
외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속동작이 가능한 장점이 있어 차세대 메모리 기술로 경쟁적으로 개발되고 있다.
자성메모리의 동작은 자성소재에 스핀전류를 주어 자성의 방향을 제어하는 방식으로 이루어진다. 기존 자성메모리에서는 스핀전류를 전기로 생성하는데, 본 연구에서 열로 스핀전류를 발생시키는 소재기술을 개발했다.
그동안 열에 의해 스핀전류가 생성되는 현상, 즉 스핀너런스트 효과(spin Nernst effect)가 이론적으로 발표됐으나 최근까지 기술적 한계로 실험적으로 증명되지 못하였다.
하지만 이번 연구에서 스핀궤도결합이 큰 텅스텐(W)과 백금(Pt) 소재를 활용하고 스핀너른스트 자기저항 측정방식을 도입해 스핀너른스트 효과를 실험적으로 규명했고 열에 의한 스핀전류의 생성효율이 기존의 전기에 의한 스핀전류의 생성효율과 유사함을 밝혔다.
박병국 교수는 “본 연구는 열에 의한 스핀전류 생성이라는 새로운 물리현상을 실험적으로 규명한 것에 의미가 크고, 추가 연구를 통하여 자성메모리의 새로운 동작방식으로 개발할 예정이다.” 라고 밝혔다.
열에 의해 동작하는 자성메모리의 개발은 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있어 웨어러블, 모바일 및 사물인터넷 등 저전력 동작이 요구되는 전자기기의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업과 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스핀너른스트 현상을 이용한 열인가 자성메모리의 개념도
그림2. 스핀너른스트 기반 열인가 스핀전류 생성에 관한 주요 연구 결과
2017.11.27 조회수 17033 -
박병국 교수, 차세대 자성메모리의 성능 향상 기술 개발
〈 박 병 국 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 고려대학교 이경진 교수 공동 연구팀이 차세대 자성메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술을 개발했다.
이번 연구결과는 나노기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 7월 11일자에 게재됐다.(논문명 : Field-free switching of perpendicular magnetization through spin-orbit torque in antiferromagnet/ferromagnet/oxide structures)
자성메모리(MRAM)는 실리콘을 기반으로 한 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 새로운 비휘발성 메모리 소자이다. 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작과 집적도를 높일 수 있다.
이러한 특성 때문에 메모리 패러다임을 바꿀 새로운 기술로 각광받고 있으며 전 세계 반도체 업체에서 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 메모리이다.
개발 경쟁의 대상이 되는 핵심 기술 중 하나는 메모리 동작 속도를 더 높이면서도 고집적도를 동시에 구현 하는 기술이다. 현재까지 개발 된 자성메모리 기술에 의하면 동작 속도를 최고치로 유지하는 경우 집적도가 현저히 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 동작 속도를 기존 자성메모리 기술보다 10배 이상 빠르고 고집적도를 달성 할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.
일반적 스핀궤도토크 기반의 자성메모리는 정보기록을 위해 중금속-강자성 물질의 스핀궤도결합을 이용한다. 하지만 기존에 사용되는 백금(Pt) 또는 텅스텐(W)의 경우 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 제약이 있었다.
연구팀은 이리듐-망간(IrMn) 합금과 같은 새로운 반강자성 소재를 도입해 반강자성-강자성 물질의 교환결합을 이용했고, 외부자기장 없이 빠르고 저전력 동작이 가능한 기술을 개발했다.
스핀궤도토크 자성메모리는 컴퓨터 또는 스마트폰에 쓰이는 정적 기억장치(SRAM) 보다 10배 이하로 전력소모를 낮출 수 있다. 또한 비휘발성 특성으로 저전력을 요구하는 모바일, 웨어러블, 사물인터넷 메모리로 활용가능성이 높다.
박 교수는 “이번 연구는 차세대 메모리로써 각광받고 있는 자성메모리의 구현 가능성을 한 걸음 더 발전시켰다는 의미를 갖는다”며 “추가 연구를 통해 기록성능이 뛰어난 신소재 개발에 주력할 예정이다”고 말했다.
이번 연구는 미래소재디스커버리사업 스핀궤도소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성메모리(MRAM)의 개략도
그림2. 스핀궤도토크에 의해 강자성 물질의 스핀 방향을 제어하는 소자개략도 및 주요 실험 결과
2016.07.14 조회수 12356