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GIST-InnoCORE, 빛의 회전 방향 구별하고 기억하는 복합 고분자 소재 개발… 복제 어려운 '전기 지문' 구현 GIST 이은지 교수팀-KAIST 송영민 교수팀, 빛을 구별하는 나선형 고분자와 정보를 기억하는 강유전 고분자 결합… 소자마다 다른 256자리 고유 정보 생성 소자마다 고유한 ‘보안 열쇠’ 생성… 광학 보안·하드웨어 인증 활용 기대 국제학술지《Small》게재

□ 광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 지스트-이노코어(GIST-InnoCORE) 연구단 이은지 단장(신소재공학과 교수)과 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 송영민 멘토 교수 연구팀이 빛의 회전 방향을 구별하고 그 정보를 전기적 상태로 기억할 수 있는 ‘하이브리드 고분자 소재’를 개발했다고 밝혔다.

∘ 빛에는 왼쪽으로 회전하는 빛과 오른쪽으로 회전하는 빛이 있다. 연구팀은 이처럼 서로 다른 방향으로 회전하는 빛을 구별하는 동시에, 빛이 사라진 뒤에도 그 정보를 전기적 상태로 남길 수 있는 소재를 개발했다.

∘ 개발한 소재를 이용한 소자에서는 소자의 전기적 특성에서 얻은 고유한 ‘전기 지문’, 즉 소자마다 서로 다른 256자리 정보를 생성할 수 있었다. 제작 과정에서 생기는 미세한 차이를 이용한 방식으로, 향후 광학 보안과 하드웨어 인증 기술에 활용할 가능성을 제시했다.

□ 빛은 전기장과 자기장이 진동하며 진행하는데, 전기장이 일정한 방향으로 회전하면서 진행하는 빛도 있다. 이를 ‘원편광(Circularly Polarized Light, CPL)’이라고 한다.

∘ 원편광은 전기장의 회전 방향에 따라 좌원편광과 우원편광으로 나뉜다. 이처럼 서로 다른 빛의 회전 방향을 구별할 수 있다면, 각각을 서로 다른 정보 신호로 활용할 수 있어 광통신과 정보처리, 보안 기술 등에 응용할 수 있다.

∘ 문제는 빛을 구별하는 것과 그 결과를 기억하는 것은 별개의 기능이라는 데 있다. 기존의 광학 소재는 빛을 비추는 동안에는 좌·우 원편광을 구별할 수 있지만, 빛이 사라지면 그 차이를 그대로 남겨두기 어려웠다.

□  연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘빛의 회전 방향을 구별하는 기능’과 ‘그 결과를 전기적으로 기억하는 기능’을 하나의 소재에 결합했다.

∘ 핵심은 나선형 고분자와 전기적 상태를 기억할 수 있는 ‘강유전 고분자’를 결합하는 것이다. 나선형 고분자는 좌·우 원편광을 구별하고, 강유전 고분자는 외부 전기장이 사라진 뒤에도 전기적 상태를 유지하는 특성을 이용해 그 정보를 남긴다.

□ 연구팀은 두 고분자를 단순히 섞지 않고, 각각의 기능을 유지하면서 결합할 수 있도록 나노 수준의 구조를 설계했다.

∘ 먼저 고분자가 스스로 규칙적인 구조를 만드는 성질을 이용해, 서로 반대 방향으로 꼬인 두 종류의 나선형 고분자 나노와이어*(P형·M형)를 만들었다. 분자 구조를 달리해 고분자가 꼬이는 방향을 각각 다르게 조절한 것이다.

∘ 나노와이어는 빛에 반응하는 고분자 P3HT와 이를 바깥에서 감싸는 PMMA가 연결된 구조다. P3HT는 나선 구조를 이루면서 좌·우 원편광에 서로 다르게 반응하고, PMMA는 이후 결합하는 강유전 고분자와의 상호작용을 돕는 역할을 한다.

∘ 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, P형과 M형 나노와이어가 서로 반대 방향의 나선 구조를 형성했으며, 분광 분석에서도 나선 방향에 따라 빛에 반응하는 특성이 서로 다르게 나타나는 것을 확인했다.

* 나노와이어(nanowire): 나노미터 크기의 매우 가느다란 선 모양 구조체이다.

□ 이어 연구팀은 P형과 M형 나노와이어를 강유전 고분자와 결합해 하이브리드 필름을 제작했다.

∘ 필름 내부를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 강유전 고분자와 결합한 뒤에도 나노와이어의 나선 구조가 유지됐다.

∘ 전기적 특성을 측정한 결과에서도 외부 전기장이 사라진 뒤에도 전기적 상태가 남는 강유전 특성이 유지됐다. 즉, 나선형 고분자가 가진 원편광에 대한 선택적 반응을 전기적 정보로 기록할 수 있는 기반을 확보한 것이다.

□ 연구팀은 이렇게 만든 하이브리드 고분자 소재를 실제 소자에 적용해, 원편광의 회전 방향에 따라 서로 다른 전기적 상태가 기록되는지 검증했다.

∘ 소자에 좌·우 원편광을 각각 비추면서 전기적 특성을 측정한 결과, 빛의 회전 방향에 따라 ‘잔류분극*’의 크기가 달라지는 것을 확인했다. 즉, 어떤 방향으로 회전하는 빛을 받았는지에 따라 서로 다른 전기적 상태가 소자에 기록됐다.

∘ 특히 나선 방향이 서로 반대인 P형과 M형 소자에서는 좌·우 원편광에 대한 전기적 반응도 서로 반대로 나타났다. 이를 통해 나선형 고분자의 구조를 이용해 원편광의 회전 방향을 구별하고, 이를 전기적 신호로 변환할 수 있음을 확인했다.

* 잔류분극(remanent polarization): 외부에서 가한 전기장이 사라진 뒤에도 소재 내부에 남아 있는 전기적 상태이다.

□ 나아가 연구팀은 소자 내부의 여러 위치에서 측정한 전기적 상태를 0과 1로 변환해, 소자마다 고유한 256자리의 ‘전기 지문’을 생성하는 ‘물리적 복제방지기능(PUF)*’을 구현했다.

∘ 서로 다른 소자의 전기 지문을 비교한 결과, 256자리 가운데 평균 약 40%가 서로 다르게 나타났으며, 반면 같은 소자를 반복해서 측정했을 때는 유사한 전기 지문이 반복적으로 나타났다.

∘ 이는 제작 과정에서 생기는 소자마다의 미세한 차이가 서로 다른 고유 정보로 나타나면서도, 같은 소자에서는 반복적으로 확인될 수 있음을 보여준다. 즉, 소자마다 서로 다른 고유한 보안정보를 생성하고 이를 다시 확인할 수 있는 PUF의 특성을 구현한 것이다.

* 물리적 복제방지기능(Physical Unclonable Function, PUF): 소재나 소자의 제작 과정에서 자연스럽게 발생하는 미세한 차이를 이용해 소자마다 고유하고 복제하기 어려운 보안정보를 생성하는 기술.

□ 지스트-이노코어 연구단 이은지 단장은 “이번 연구는 빛의 회전 방향을 구별하는 기능과 그 정보를 전기적 상태로 기억하는 기능을 하나의 하이브리드 고분자 소재에 구현했다는 데 의미가 있다”며 “향후 광학 보안과 하드웨어 인증을 위한 새로운 기능성 소재로 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

∘ 지정민 박사는 “이번 연구는 지스트-이노코어 연구단의 공동연구 협력 체계(Co-Lab)를 통해 카이랄 고분자의 자기조립·소재 설계 기술과 광학·광전자 소자 기술을 결합한 융합연구 성과”라며 “특히 소재 수준에서 나타나는 빛에 대한 선택적 반응을 실제 소자의 전기적 기능으로 연결했다는 점에서 의미가 있다”고 밝혔다.

□ 지스트-이노코어 연구단 이은지 단장(신소재공학과 교수)과 KAIST 전기및전자공학부 송영민 교수가 지도하고 지스트-이노코어 펠로우 지정민 박사가 제1저자로 수행한 이번 연구는 ▴과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업 및 한-중 공동연구 ▴한국과학기술연구원(KIST) 그랜드챌린지(GC) 프로그램 ▴과학기술정보통신부 지스트-이노코어 사업의 지원을 받았다.

∘ 연구 결과는 국제학술지 《스몰(Small)》에 2026년 8월 18일 온라인으로 게재됐다.

□ 한편 GIST는 이번 연구 성과의 기술사업화 및 산업적 활용에 관심 있는 기업·기관의 문의를 창업혁신진흥원 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 받고 있다고 밝혔다.  <끝>

사 진 설 명

[사진] (왼쪽부터) 지스트-이노코어(GIST-InnoCORE) 연구단 이은지 단장(신소재공학과 교수), 지정민 박사

그 림 설 명

[그림 1] ‘P-나선형’과 ‘M-나선형’ 고분자 나노와이어의 구조와 카이랄 광학 특성. 투과전자현미경(TEM) 관찰을 통해 두 나노와이어가 서로 반대 방향의 나선 구조를 보여준다. 분광 분석에서도 서로 반대되는 ‘카이랄(chiral)’ 광학 신호를 나타냈다.

[그림 2] 하이브리드 필름의 3차원 구조와 강유전 특성. 투과전자현미경(TEM)을 이용한 3차원 분석을 통해 나선형 나노와이어가 강유전 고분자 내부에 분포하면서 구조를 유지하는 것을 보여준다. 또한 분극-전압(P-V) 측정 결과, 하이브리드 필름에서도 강유전 특성과 ‘잔류분극’이 유지되는 것을 확인했다.

[그림 3] 원편광 정보를 이용한 256자리 ‘전기 지문’ 생성 및 판별. 좌·우 원편광에 따른 ‘P-나선형’과 ‘M-나선형’ 소자의 전기적 반응을 0과 1로 변환해 생성한 256자리 ‘전기 지문’과 소자 간 비교 결과를 보여준다. 서로 다른 소자에서는 서로 다른 전기 지문이 나타난 반면, 같은 소자는 반복 측정해도 유사한 전기 지문이 나타나 소자 간 고유성과 소자 내 재현성을 확인했다.

논문 정보

1. 논문명, 저자정보

- 저널명 : Small (IF: 11.8, 2025년 기준)

- 논문명 : Crystallization-Driven Helical Conjugated Polymer Nanowires for Circularly Polarized Light-Addressable Ferroelectric Physical Unclonable Functions

- 저자 정보 : 지정민(공동제1저자, GIST 신소재공학과 박사, 지스트-뇌질환 조기진단을 위한 AI + 나노융합 이노코어 연구단), 박민주(공동제1저자, GIST 신소재공학과 석사), 윤준연(공저자, GIST 신소재공학과 박사과정생), 황준호(공저자, GIST 신소재공학과 박사, 지스트-이노코어 연구단), 김민석(공저자, GIST 전기전자컴퓨터공학과 박사), 조지영(공저자, GIST 신소재공학과 교수), 송영민(공동교신저자, KAIST 전기 및 전자공학부 교수, 지스트-이노코어 연구단), 이은지(공동교신저자, GIST 신소재공학과 교수, 화학과, 지스트-이노코어 연구단)