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<자료문의> 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학과 송영민 교수(062-715-2655)
소형 물리 보안 실마리… 소형 광학 PUF 소자 개발 계층적 나노 구조를 통한 물리 보안키 생성… 광학 현상을 통한 물리 보안 기대

□ 사물 인터넷 시대에 정보 유출을 방지할 수 있는 물리 보안키 생성의 실마리를 자연에서 찾았다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 송영민 교수(광주과학기술원) 연구팀 등이 누에고치에서 뽑아낸 실크에 존재하는 마이크로-나노 크기의 계층적 구조를 이용하여, 물리 보안키(Security Key)를 생성하는 방법을 개발했다고 밝혔다.

□ 통상 물리적 복제 불가능 소자(Physically Unclonable Function, PUF)로 불리는 보안키 기술은 기존에는 복잡한 반도체 공정을 이용해서 제작하였으나, 본 연구에서 제작된 PUF는 자연계에 존재하는 실크 자체를 이용하기 때문에 별도의 제작공정이 필요 없다.

※ 물리적 복제 불가능 소자 (PUF) : 동일한 공정방식을 통해 제작된 소자가 전혀 다른 보안키를 생성하도록 하는 기술. 통상 반도체 공정의 미세구조 차이를 이용하여 제작.

□ 연구팀이 개발한 실크  기반 물리 보안키는 사물 인터넷 기기 및 말단 사용자(End user)의 강력한 보안 유지를 위한 인증 소자 뿐만 아니라 데이터 전송 및 저장에 대한 암호화 키(Key) 생성 등으로의 응용을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 자연계 실크 표면에 LED 빛을 조사하면 실크 내부의 무질서하게 분포되어 있는 나노 및 마이크로 크기의 계층적 구조로 인해 빛이 회절되어 랜덤한 위치에서 강하게 빛이 모이게 되며, 이미지 센서에서 흡수하여 전기신호로 변환하면 1과 0으로 이루어진 보안키를 생성할 수 있게 된다.

□ 실크를 통해 생성된 암호키는 미국 국립표준연구소(NIST: National Institute of Standards and Technology)에서 제공하는 랜덤성 테스트를 통과하였으며, 높은 재현성과 랜덤성을 나타내는 것으로 확인 했다.

□ 한편 이번 연구는 자연계에서 존재하는 랜덤 섬유 매체인 실크를 이용한 것이나, 전기 방사, 또는 3D 프린팅 기술을 이용하여 랜덤 섬유매체를 제작하여 습도와 온도에 강인한 물리적 복제 불가능 소자를 개발 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

□ 송영민 교수는 “자연계 실크에도 인간의 지문과 같은 고유의 암호키가 있다는 것을 밝혀낸 첫 사례”라며 “복잡한 공정 없이 자연에 있는 그대로의 물질을 이용 한다”고 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communications)’에 2022년 1월 11일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 광주과학기술원 송영민 교수>

논문명	Revisiting silk: a lens-free optical physical unclonable function
저널명	Nature Communication
키워드	Silk, Natural material, Physically unclonable function, Security, Authentication
저 자	송영민 교수(공동 교신저자․광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부), 김민석 박사과정(공동 제1저자․광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부), 이길주 교수(공동 제1저자․부산대학교 전기공학과), 최승호 교수(공동저자․연세대학교 의공학과), 임정우 박사(공동저자․퍼듀대학교 의공학과), Young L. Kim 교수 (공동 교신저자․퍼듀대학교 의공학과)

1. 연구의 필요성

○ 최근 스마트 그리드 시스템 및 금융시스템의 고도화에 따라 정보 유출에 따른 금융 피해가 기하급수적으로 증가하고 있으며, 보안 피해를 방지하기 위한 차세대 암호화 시스템 개발 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있다.

○ 기존의 정보보안은 소프트웨어(SW) 기반의 암호화 알고리즘을 이용한 보안으로써 고전적인 보안키는 암호화 응용 프로그램을 비휘발성 메모리에 저장하는 방식이지만 물리적 침입 공격에 매우 취약하며, 고성능 컴퓨터의 발달로 연산에 의한 침입이 가능하다는 단점이 존재하며, 그 결과 최근에는 더 높은 차원의 하드웨어(HW) 기반의 물리적 보안 기술을 이용하는 추세이며, 그중 물리적 복제 불가능 함수(Physically Unclonable Functions, PUFs)를 이용하여 하드웨어에 고유의 보안키를 형성하는 암호화 방식이 가장 주목받고 있다.

○ PUF는 연구 초기에는 실리콘을 기반으로 하는 집적형 PUF가 주를 이루었으나 최근에는 빛의 산란 패턴을 암호화에 이용하는 광학 기반 PUF, 그래핀, 탄소나노튜브 및 MEMS 기반의 첨단 PUF 기술이 연구되고 있다.

○ 한편 실리콘, 신소재, MESMS 기반의 PUF 기술은 작은 입력과 출력 쌍으로 대용량의 보안키 생성이 제한된다. 반면에 광학 기반 PUF 대용량의 보안키 생성이 가능하나, 랜덤 비트를 추출하기 위해서 큰 크기의 모듈을 가진다는 단점이 있다.

○ 한편 현재까지 광학적 물리적 복제 불가능 소자는 레이저를 이용한 빛의 산란을 기록하는 방식 또는 소자에서 반사되는 빛을 결상 광학계를 사용하여 기록하는 방식이다. 이는 결상광학계에 필요한 렌즈가 필요하게 됨으로 실용화에 어려운 방법 중 하나이다.

2. 연구내용

○ 이 연구에서는 자연계에서 존재하는 랜덤 섬유 매체인 실크를 통하여 진행하는 이미지 센서에 빛이 강하게 한 점으로 기록 할 수 있도록 빛의 회절 효과를 일으키는 구조를 분석하고, 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈을 이루었다.

○ 먼저 실크의 랜덤 섬유 특성을 수치적/통계적 시뮬레이션을 통하여서, 구조에서 일어날 수 있는 특성을 평가하였다.

○ 실크의 구조는 계층적 구조로 마이크로 크기의 섬유 매체와 각각의 섬유 매체 안에 나노 구조를 포함하고 있다. 섬유 매체 안의 나노 구멍으로 인하여서 빛이 그대로 투과하지 못하고 산란을 겪게 된다. 이러한 현상으로 인하여 각각의 섬유 매체는 불투명한 물질과 같이 작용한다. 빛이 불투명한 구조를 지날 때 회절 현상이 일어나기 때문에 일정 거리 후에 빛의 보강간섭으로 인하여 강하게 맺힌다.

○ 이러한 회절 현상은 섬유 매체의 형태에 따라서 변하게 된다. 특히 회절은 두 불투명한 물질의 거리에 따라서 보강간섭이 일어나는 지점이 달라진다. 자연계에 존재하는 실크는 섬유 매체의 구조가 랜덤하므로 구조의 평가가 어렵다.

○ 상용 이미지 센서의 경우, 최상단 유리부터 픽셀까지 500~700㎛ 정도이기 때문에 보강 간섭이 일어나는 지점이 상용 이미지 센서에 많이 기록될 수 있는 형태의 섬유 매체가 필요하다. 이를 분석하기 위해서 광학 시뮬레이션을 이용하여 불투명한 어퍼처의 지름의 간격에 따라 보강 간섭이 일어나는 지점을 계산하였다.

○ 어퍼처가 26~46㎛의 간격을 가질 때, 상용 이미지 센서에서 가장 많은 보강간섭을 기록 할 수 있다는 결과를 도출했다. 나아가 섬유의 밀도에 따라서 어퍼처의 간격을 통계적으로 분석하였을 때, 섬유 매체의 밀도가 80% 근방일 때, 제시된 크기의 어퍼처를 많이 형성하는 것 또한 확인하였다.

○ 나아가 이론적 결과, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 실크를 이용하여 빛의 진행할 때 특성을 관찰하였다. 실크의 두께에 따라서 섬유 매체의 밀도를 조절 할수 있으며, 100㎛ 두께의 실크가 상용 이미지 센서에 가장 적합한 밀도인 80%를 가지는 것을 확인하였다.

○ 이러한 조건으로 형성된 실크를 이용하여, 일정의 비트 추출 과정을 거쳐 랜덤 비트를 추출하였다. 추출하는 과정에서 비트의 균일성과 재현성을 보장하기 위하여, 폰 노이만 디바이어싱(von Neumann debiasing) 수행하였으며 추출된 비트는 미국국립표준연구소에서 제공하는 NIST 랜덤성 테스트를 통과하였다. 또한, 물리적 복제 불가능 소자에서 중요한 성능인 상호 간 해밍거리, 내부 해밍거리는 ~0.49, ~0.02로 나와 높은 랜덤성과 재현성을 나타냈다.

3. 기대효과

○ 광학 물리적 복제 불가능 소자의 연구는 실용화에 대한 장벽이 높다. 본 연구에서 제안한 랜덤 섬유 매체에서 일어나는 빛의 회절 현상을 이용한 광학 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈에 대한 첫 보고이기에 성공적으로 개발될 경우 실용화 가능성이 큰 소형 광학 보안 모듈에 관한 원천기술 확보의 실마리가 될 수 있다.

○ 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자는 추가적인 광학계를 이용하지 않고, 광학적 현상을 이용해 보안키를 추출 또는 생성 할 수 있어 소형화를 기대할 수 있다. 스마트 그리드 기술, 사물 인터넷, 커넥티드 카 등에 연동될 경우 그 효과가 더 커질 것으로 기대된다.

그림 설명

[그림1] 실크 섬유매체를 통해 진행하는 빛의 회절 현상과 실크의 특성
(a) 실크 섬유 매체를 통해 다른 파장, 다른 각도의 파장이 진행할 때 일정 거리에서 강하게 빛이 맺히는 현상이 일어나 결상광학계 없이 빛을 보안키로 기록 할 수 있다.

(b) 실크는 계층적 구조로 이루어져 있어 불투명한 물질처럼 거동한다.

(c) 프라운호퍼영역에서 일어나는 섬유 매체의 회절 현상

(d) 실제 실크를 이용하여 관찰한 회절 현상 및 빛 맺힘 현상

사진 및 사진설명 제공 : 광주과학기술원 송영민 교수

[그림 2] 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈

(a) 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈의 동작 원리에 대한 일러스트

(b) 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈의 외형 사진

(c) 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈의 동작 사진

사진 및 사진설명 제공 : 광주과학기술원 송영민 교수

[그림 3] 실크를 이용한 물리적 복제 불가능 소자를 활용 예시

(a) 실크를 실제 기기에 적용하였을 때의 동작 원리. 저장 기기에서 실크 물리적 소자를 이용 하였을 때, 저장 공간에 암호화된 정보를 저장할 수 있으며, 다시 출력장시로 가져올 때 복호화 할 수 있다.

(b, c) 실크의 암호화 능력을 확인하기 위해서, 가상으로 생성된 비트를 이용하여 동일한 암호화를 진행하였다. 가상으로 생성된 비트의 경우 ‘1’,‘0’에 편향되어 있음으로 암호화가 제대로 수행되지 않는 것을 확인 할 수 있다.

사진 및 사진설명 제공 : 광주과학기술원 송영민 교수

연구 이야기

<작성 : 광주과학기술원 송영민 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 물리적 복제 불가능 소자는 빠르게 발전하고 있는 정보화 시대 및 사물인터넷 시대에 발맞추어  세계적으로 큰 관심을 끌고 있다. 우리 연구팀과 퍼듀 연구팀 공동으로 역시 이 분야의 지속 가능성에 매료되었으며 ‘먹을 수 있는 물리적 복제 불가능 소자’를 구현하여 물리적 복제 불가 기능을 보다 다양한 분야에서 사용할 수 있도록 한 연구결과를 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’에 2020년 보고한 바 있다. 또한, 우리는 같은 이유로 실용 가능성이 뛰어난 광학 물리적 복제 불가능 소자 개발을 원했다. 그러나 종래의 광학 기반의 물리적 복제 불가능 소자는 많은 입력과 출력 쌍으로 높은 암호화 능력을 보여 주더라도, 큰 모듈의 크기와 인공적으로 제작된 물리적 복제 불가능 소자의 가격으로 인해 실용적인 측면에서 부적합한 것으로 밝혀졌다. 그래서 자연계에 존재하는 실크의 랜덤한 회절 특성을 이용하여 암호화 능력을 갖출 수 있는 ‘실크의 물리적 복제 불가능 소자 개발’ 에 관한 아이디어를 생각해 냈다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구책임자는 대학원 재학시절부터 반도체 광소자에서 발생하는 빛의 반사, 굴절, 투과, 흡수 등에 관한 연구를 지속해서 진행해왔다. 태양전지의 효율을 극대화할 수 있는 광대역 무반사 나노구조, 투명 디스플레이를 더욱 투명하게 할 수 있는 투명전극, 곤충 눈을 모방한 카메라 등이 이에 포함된다. 이 연구는 가시광 대역에서의 빛의 회절 및 흡수 성질을 적절히 활용하여 이미지의 기록 및 빛의 특성을 강화하여 구현하는 것으로서 앞선 연구들의 연장선에 있다. 이를 구현하기 위해, 광학 계산을 통해 무질서한 섬유 매체를 구현하고, 빛의 회절 및 투과 특성을 수치학적으로 분석하였고, 랜덤한 섬유 매체를 통과하는 빛의 특성을 이용하여 기존의 광학 물리적 복제 불가능 소자의 구현을 위해서 단순화된 모듈을 제작하였다. 제작된 샘플은 광학 특성 측정, 습도 및 온도에 대한 내구성 측정, 추출한 보안키의 랜덤성을 통해 평가되며 이론적 수치와의 비교/피드백이 이루어진다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

실험은 크게 어려운 점은 없었으나, 실크의 랜덤한 섬유 배열로 인하여 섬유의 구조를 정성적으로 평가하기는 쉬웠으나, 여러 개의 샘플에 대해서 정량적인 평가로 접근하는 것이 어려웠다. 이에 가상의 섬유 매체를 소프트웨어적으로 구현하여서 통계적/수치적 실험을 먼저 시행하고, 실제 실크를 이용하여 결과를 뒷받침했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

최근 보도된 물리적 복제 불가능 소자는 광학적 반사 특징을 이용하여 물질의 위치 및 색상을 이용하여서 제작되었다. 그러나 광학 물리적 복제 불가능 소자의 경우, 반사 특성을 측정하기 때문에 이미지 센서에 기록하기 위한 결상광학계가 필요한 한계가 있다. 또한, 레이저를 이용한 광학 물리적 복제 불가능 소자는 빛의 직진성이 있고 산란에서 생기는 패턴을 이용하기 때문에 패턴을 확대할 수 있는 최소한 광학계만 필요하다. 하지만 실크를 통한 회절 기반 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈은 광학계가 따로 필요하지 않아 사물 인터넷 또는 개인 인증 등에 다양하게 활용될 수 있을 것을 기대된다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이 연구에서 제안한 랜덤한 섬유 매체를 이용한 물리적 복제 불가는 소자 및 모듈이 실용화된다면 크게는 사물 인터넷 기기 및 커넥티드 카(connected car), 앤드 포인트 기기 등에 응용되어 개인 정보 및 보안이 필요한 곳에 사용될 것으로 기대된다. 작게는 암호화 키로 사용하여 모바일 기기 및 ID 카드에 보안키 생성 및 암호화 응용도 함께할 수 있을 것으로 기대된다. 실용화를 위해 습도 및 온도에 대한 추가적 재현성 확보가 필요하다. 이 연구에서는 자연계에서 존재하는 실크로 광학 물리적 복제 불가능 소자 및 모듈을 구현하였는데, 수치적 광학적 시뮬레이션에서 불투명 섬유 매체의 경우도 동작 가능성이 있음을 확인했기 때문에 랜덤 섬유 제작을 전기 방사 등의 공정 방법을 응용하면 온도 및 습도의 변화에도 강인한 물리적 복제 불가능 소자로 실용화 가능할 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

현재 제안된 물리적 복제 불가 소자 및 모듈은 실크의 랜덤한 섬유로 생기는 2차원 평면의 빈 공간에서 생기는 회절을 이용하여 보안키 생성이 가능하다는 것을 확인했다. 그러나, 물리적 복제 불가능 소자의 경우, 3차원 공간에 대해서 입력과 출력을 정의 할 수 있다면 현재보다 높은 보안성을 가지는 물리적 복제 불가능 소자를 구현 할 수 있을 것으로 기대된다.

연구자 소개

<송영민 교수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 광주과학기술원

○ 전 화 : 062-715-2655

2. 학력

○ 2004   연세대학교 학사 (의용전자공학)

○ 2006   광주과학기술원 석사 (정보통신공학)

○ 2011   광주과학기술원 박사 (정보기전공학)

3. 경력사항

○ 2021 ~ 현재 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 부교수

○ 2018 ~ 2021 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 부교수

○ 2016 ~ 2018  광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 조교수

○ 2013 ~ 2016  부산대학교 전자공학과 조교수

○ 2011 ~ 2013  일리노이대 재료공학과 박사 후 연구원

4. 전문분야 정보

○ 반도체 광소자 (발광 다이오드, 레이저 다이오드, 태양전지, 광검출기)

○ 나노포토닉스  (서브파장 구조, 박막 광학, 플라즈모닉스)

○ 플렉서블 소자 (생체모방 및 생체집적 응용소자)

5. 연구지원 정보

○ 2020 ~ 현재  과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

○ 2018 ~ 현재  과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구실지원사업

○ 2017 ~ 현재  과학기술정보통신부․한국연구재단 미래소재디스커버리사업

<김민석 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 광주과학기술원

○ 전 화 : 062-715-2658

2. 학력

○ 2019   광주과학기술원 공학석사(전자전기컴퓨터공학)

○ 2017   부산대학교 학사(전자공학)

3. 경력사항

○ 2019 ~ 현재  광주과학기술원 박사 과정

○ 2017 ~ 2019  광주과학기술원 공학석사

○ 2011 ~ 2017  부산대학교 학사

4. 전문분야정보

○ 나노포토닉스(플라즈모닉스), 플렉서블 소자 (생체모방 및 생체집적 응용소자)

<이길주 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 부산대학교

○ 전 화 : 051-510-2376

2. 학력

○ 2021 광주과학기술원 박사

○ 2016 부산대학교 학사(전자공학)

3. 경력사항

○ 2021 ~       부산대학교 전자공학과 조교수

○ 2016 ~ 2021  광주과학기술원 박사

○ 2009 ~ 2016  부산대학교 학사

4. 전문분야정보

○ 나노포토닉스 (서브파장 구조, 박막 광학, 플라즈모닉스), 수동 복사 냉각 시스템, 플렉서블 소자 (생체모방 및 생체집적 응용소자)

5. 연구지원 정보

○ 2021 ~ 현재  과학기술정보통신부․한국연구재단 세종과학펠로우십