반도체에 빛으로 지문 만드는 이유
반도체에 빛으로 지문 만드는 이유
  • 함예솔
  • 승인 2020.10.26 17:20
  • 조회수 1877
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스마트폰과 가전, 드론, 무인자동차 등이 실시간으로 데이터를 주고받는 사물인터넷(IoT) 기술은 이용자와 자산의 안전에 직결되는 만큼 더욱 강력한 보안 솔루션이 필요합니다. 이에 따라 해킹에 노출되기 쉬운 소프트웨어 기반의 키 방식을 보완할 '물리적 복제 방지 기능(Physical Unclonable Function, PUF)'이 주목받고 있습니다.

'분자지문'이라불리는 물질 고유의 신호를 증폭해 극미량 분자도 검출해내는 '초고감도 센서'가 개발. 출처: AdobeStock
반도체에 빛으로 지문 만들어 해킹 막는다. 출처: AdobeStock

하드웨어 기반의 PUF 반도체 칩은 인간의 홍채나 지문처럼 고유의 물리적 코드를 갖고 있습니다. 제조공정에서 생성되는 미세구조의 편차를 키 값으로 갖기 때문에 PUF로 생성되는 보안 키는 랜덤하게 생성돼 고유성을 지니며 복제가 불가능합니다. 하지만 더 높은 수준의 안전성을 위해 키가 생성되는 조합의 수를 늘리려면 하드웨어의 구조도 바꿔야 하는 한계가 노출된 바 있습니다.

(a) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름이 결합된 근적외선 원편광 감응 광트랜지스터 소자의 모습(b) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름을 갖는 물리적 복제 방지 기능 (PUF) 어레이의 POM. 출처: KIST
(a) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름이 결합된 근적외선 원편광 감응 광트랜지스터 소자의 모습(b) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름을 갖는 물리적 복제 방지 기능 (PUF) 어레이의 POM. 출처: KIST

이런 가운데, 한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 임정아, 주현수 박사팀은 부산대학교 고분자공학과 안석균 교수팀과 공동 연구를 통해 하드웨어 구조 변경 없이도 빛의 회전(편광) 특성을 이용해 PUF의 보안성능을 크게 강화할 수 있는 암호화 소자를 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다. 

(a) 본 연구진이 개발한 근적외선 원편광 감응 광트랜지스터의 소자구조, 사용된 물    질의 분자구조와 카이랄 액정 네트워크 필름의 모습(오) (b) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름 형성에 대한 모식도. 출처: KIST
(a) 본 연구진이 개발한 근적외선 원편광 감응 광트랜지스터의 소자구조, 사용된 물    질의 분자구조와 카이랄 액정 네트워크 필름의 모습(오) (b) 본 연구진이 개발한 카이랄 액정 네트워크 필름 형성에 대한 모식도. 출처: KIST

빛으로 지문 만들다

 

빛이 전파될 때는 전후좌우 다양한 방향으로 진동하면서 나아가게 되는데, 연구진은 원을 그리며 나선형으로 나아가는 빛인  원편광을 암호화에 활용했습니다. 원편광을 활용하기 위해, 빛의 회전 방향에 따라 소자에 도달하는 빛의 양이 조절되는  콜레스테릭 액정 필름을 근적외선을 감지하는 성능이 우수한 유기 광트랜지스터에 결합했습니다.

  • 원편광(Circularly polarized light)

시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서 진행하는 빛입니다.

  • 콜레스테릭 액정(Cholesteric liquid crystal)

액정분자가 나선 축을 따라 꼬이면서 주기적인 층을 이루며 배열한 나선구조의 액정입니다.

  • 광트랜지스터(Phototransistor)

전류·전압과 함께 빛의 기본 특성(파장, 강도 등)을 감지하여 신호 증폭 스위치 역할을 하는 소자입니다.

이렇게 결합된 광트랜지스터는 액정 나선구조의 방향과 같은 방향으로 회전하는 빛은 반사시키고 반대 방향의 빛은 투과시켜 시계 방향 또는 반시계 방향으로 진행하는 빛의 회전 방향을 구분해서 감지할 수 있습니다. 그 결과, 소자의 물리적 크기를 바꾸지 않고도 암호화 키 생성에 사용되는 조합의 수를 증가시켜 해킹과 도·감청 등을 원천 차단할 수 있는 PUF 소자를 제작하는 데 성공했습니다. 

근적외선 원편광 감응 광트랜지스터 개발의 주요 전략에 관한 모식도. 출처: KIST
근적외선 원편광 감응 광트랜지스터 개발의 주요 전략에 관한 모식도. 출처: KIST

개발한 소자는 근적외선을 흡수하는 고분자반도체의 높은 흡광도와 트랜지스터에 의한 신호 증폭, 그리고 콜레스테릭 액정 필름의 적층으로 인해 생긴 광학적 간섭효과로 인해 기존의 나노패터닝 기반 근적외선 원편광 감응 광트랜지스터보다 최소 30배 이상 우수한 고감도를 보였습니다. 또한, 기존 가시광선 원편광만을 감지할 수 있던 유기 광트랜지스터 소자들과는 달리 연구진이 개발한 광트랜지스터는 광통신, 양자컴퓨팅 등 차세대 광전소자에 사용되는 근적외선 영역의 원편광을 감지할 수 있어 향후 적용 범위가 넓을 것으로 기대됩니다.

임정아 박사. 출처: KIST
임정아 박사. 출처: KIST

 

 

 

 

KIST 임정아 박사는 "이번 연구는 원편광 감응 반도체 소자를 이용하여 보안성능이 강화된 암호화 소자를 구현했다는 점에서 그 의의를 찾을 수 있다"며 "복잡한 나노패터닝 공정없이 간단한 용액공정으로 고감도 근적외선 원편광 감응 소자의 제작이 가능함을 보였고, 근적외선을 활용했기 때문에 향후 다양한 차세대 광전소자 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

 

 

 

 

안석균 교수. 출처:KIST
안석균 교수. 출처:KIST

 

 

 

 

부산대학교 안석균 교수는 "이번 결과는 콜레스테릭 액정 고분자 고유의 카이랄 성을 암호화 보안기술에 접목시킨 최초의 연구성과로 액정 고분자의 새로운 응용분야를 제시하였다는 점에서도 중요한 의미가 있다"고 덧붙였습니다. 

 

 

 

 

 


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