KR101975106B1 - 물리적 복제방지 장치 및 이를 이용한 난수 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저렴하게 대량 생산 가능하고 랜덤성과 신뢰성 있는 물리적 복제방지 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 물리적 복제방지 장치는 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하고, 상기 나노입자의 국부적 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 흡광 특성 차이를 측정하여 식별키를 생성한다. 또한, 기판 상에 마이크로 구조물이 형성될 수 있으며, 이를 통해 흡광 특성의 강화, 랜덤성의 증대 또는 적용 장치의 성능 증대 등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

물리적 복제방지 장치 및 이를 이용한 난수 생성 방법{Physical Unclonable Function Device And Method of Random Number Generation Using The Same}

본 발명은 물리적 복제방지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 흡광 특성의 차이를 측정하여 난수 생성 방법을 제공하는 물리적 복제방지 장치에 관한 것이다.

종래의 온라인 금융거래의 사용자 인증 수단으로 사용되어 온 공인인증서, 비밀번호 등과 같은 소프트웨어 보안 시스템은 시스템 구조 상 메모리를 통하여 연산이 수행되므로 메모리 공격을 피할 수 없다. 즉, 메모리에 저장된 키는 소프트웨어적으로 보호되고 있어 언제든 외부 공격을 통하여 유출될 위험성이 있다. 이러한 소프트웨어 보안 시스템의 한계를 극복하기 위하여 보안카드, 휴대폰 인증, 일회성 비밀번호(OTP) 및 캡차(CAPCHA) 코드 입력과 같은 다양한 방식의 인증이 요구되고 있다. 또한 최근, 빠른 속도로 일상생활에 침투되고 있는 사물 인터넷(Internet of the Things, IoT) 기술로 인해 해킹으로 인한 재산상, 신체상의 직접적 피해가 가능하게 되며 사용자 및 개별 기기를 식별하는 것이 매우 중요한 이슈가 되었다.

현재 금융권에서 가장 많이 사용되고 있는 일회성 비밀번호(OTP) 발생기는 OTP 발생기를 제작할 때 인증 서버에 저장된 비밀키를 이용하여 사용 시마다 다른 일회용 비밀 번호를 생성한다. 그러나 생성되는 일회용 비밀 번호가 완전히 랜덤으로 생성되는 것이 아니고 미리 정해진 암호화규칙을 사용하므로, OTP 발생기 단말에 대한 정보를 가지고 있다면 동일한 비밀번호를 생성할 수 있다.

이와 같은 종래 보안 방식의 문제를 극복하기 위하여 하드웨어 기반의 보안 방식이 주목받고 있다. 물리적 복제방지 장치(Physical Unclonable Function, PUF)는 동일한 제조 공정에서 생산되는 소자의 미세 구조 차이를 이용하여 보안키를 생성하는 기술이다. 물리적 복제방지 장치는 반도체 공정상의 오차로 인하여 나노 스케일의 미세구조 차이가 자체적으로 랜덤하게 생성되어 인위적으로 구조를 형성할 경우에 비하여 더욱 예측 불가능하고 다양한 값을 가질 수 있다. 또한 동일 기판 상에서 동일 공정을 거친 물리적 복제방지 장치라 할지라도 열처리 시 위치 차이에 의한 기판의 온도 차이, 약품 처리 시 약품의 농도 또는 용량 차이등과 같이 수없이 미세한 변수들에 의하여 장치마다 지문과 같이 고유한 특성을 나타내게 된다.

실제로 사용 가능한 물리적 복제방지 장치는 다음과 같은 요건을 만족하여야 한다. 먼저, 생산하기는 쉽지만, 복사가 불가능하여야 한다. 두 번째로, 소자의 특성을 쉽게 읽기(reading) 가능하나, 예측(predicting) 불가능하여야 한다. 세 번째로, 모든 가능한 패턴 조합을 시도할 수 없도록 복잡도가 높으며 각 장치간 식별 가능한 독창적인 값을 가져야 한다. 네 번째로, 주변 환경 변화에도 불구하고 동일한 출력값을 유지하는 신뢰성이 요구된다. 마지막으로 다양한 제품에 적용하기 위하여 공정이 쉽고 대량 생산이 저렴하여야 한다.

최근, 와이파이를 대체하는 새로운 통신 수단으로 주목받는 가시광 통신은 기존의 조명 인프라를 활용할 수 있으며, 빠른 속도 및 인체에 무해한 가시광선을 이용한다는 장점이 있다. 또한, 외부 간섭이 적고 가시광의 물리적 직진성 및 투광 한계로 인하여 보안성이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그러나 가시광 통신 역시 사무실, 병원 등과 같이 여러 사람이 공용으로 사용하는 공간에서는 종래 통신 수단과 같은 보안 이슈가 발생할 수 있다. 따라서 가시광 통신에 쉽게 적용 가능한 물리적 복제방지 장치가 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 국부적 표면 플라즈마 공명 현상을 이용한 물리적 복제방지 장치를 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법을 제공함에 있다.

상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하고, 상기 나노입자의 국부적 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 흡광 특성 차이를 측정하여 식별키를 제공하는 물리적 복제방지 장치를 제공한다.

상기 복수 개의 나노 입자는 금속, 고농도 도핑된 반도체 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 서로 다른 크기를 가질 수 있다.

상기 기판 상에 선택적으로 마이크로 구조물이 형성될 수 있다.

상기 마이크로 구조물은 새로운 물질을 기판 상에 적층한 것이거나, 기판의 일부를 식각하여 형성한 원형의 오목부일 수 있다.

상술한 제2 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들에 광을 입사하는 단계, 상기 나노 입자들과 상호작용을 통하여 변조된 투과광 또는 반사광을 측정하여 초기값을 얻는 단계, 상기 초기값을 변환하여 1차 난수를 생성하는 단계 및 상기 1차 난수를 변환하여 결과값을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 나노 입자들과 상호작용은 국부적 표면 플라즈마 현상으로 인한 광 흡수 및 광 산란인 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법을 제공한다.

상기 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들에 광을 입사하는 단계는, 서로 다른 파장을 갖는 광을 입사하는 단계를 포함하고, 상기 초기값은 각 파장별 광의 투과광 또는 반사광의 흡광 특성을 기초로 연산될 수 있으며, 상기 흡광 특성은 광의 세기 또는 산란/흡수 비일 수 있다.

상기 1차 난수는 오류 정정 부호(Error Correction Code)를 이용하여 초기값의 오류가 정정된 값일 수 있으며, 상기 오류 정정 부호는 BCH 코드일 수 있다.

상기 물리적 복제방지 장치는 선택적으로 기판 상에 마이크로 구조물을 더 포함하고, 상기 마이크로 구조물은 주기적으로 형성된 오목부로 상기 나노 입자들은 상기 오목부 내에 위치하고 상기 오목부는 상기 나노 입자들의 어드레스를 제공할 수 있다.

또는 상기 물리적 복제방지 장치의 기판 상에 형성된 상기 마이크로 구조물은 랜덤하게 형성된 오목부로 상기 나노 입자들은 상기 오목부 내에 위치함으로써 상기 물리적 복제방지 장치의 랜덤성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자에 의한 흡광 특성을 이용하여 물리적 복제방지 장치 및 이를 이용한 난수 생성 방법을 제공한다. 금속 또는 과도핑된 반도체 나노 입자의 표면에 모여 있는 전하들은 특정 파장의 입사광에 의하여 여기되어 진동할 수 있다. 진동하는 전하들에 의하여 나노 입자의 주변 매우 짧은 거리에 국부적으로 강한 전기장이 형성되는 현상이 국부적 표면 플라즈마 공명 현상이다. 이 때 전하의 진동을 일으키는 특정 파장의 빛은 흡광 되며, 흡광되는 빛의 파장은 나노 입자의 재질, 크기 및 나노 입자 간의 거리에 의하여 결정된다. 따라서 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자는 고유한 흡광 파장을 가지게 되며, 이를 난수 생성에 이용할 수 있다.

나노 입자의 생성과 분산을 위한 방법들은 다양하게 알려져 있으며, 금속 박막의 열처리, 습식 화학적 에칭 및 용액 공정 등은 기존의 반도체 생성 공정에도 용이하게 적용할 수 있다. 또한 나노 입자를 표면에 단순 코팅을 하는 경우 간단한 공정 및 저비용으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 나노 입자들의 재료, 크기 및 거리의 차이에 의하여 형성되는 전기장은 복잡한 시뮬레이션을 통하여도 쉽게 예측 불가능하며 나노 입자의 위치를 지정하는 정밀 공정이 불가능하여 물리적 복제 또한 불가능하다.

금속 나노 입자를 사용하는 경우 300 nm 내지 800 nm의 가시광과 근적외선을 포함하는 범위에서 국부적 표면 플라즈마 공명 현상이 일어나며, 과도핑된 반도체 나노 입자를 사용하는 경우 1500 nm에 이르는 원적외선 범위에서도 국부적 표면 플라즈마 공명 현상이 일어날 수 있다. 또한 상술한 바와 같이 반도체 공정 친화적이므로, 광 통신에 이용되는 발광 다이오드의 표면 등에 간단한 공정만으로 적용 가능할 뿐 아니라, 금속 나노 입자의 광 산란 및 국부적 전기장 생성으로 인하여 발광 다이오드의 발광 효율도 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명의 물리적 복제방지 장치는 종래 널리 사용되고 있는 IR 통신 기기 및 최근 각광받고 있는 가시광 통신 기기의 보안을 위하여 쉽게 적용 가능할 것으로 생각된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 물리적 복제방지 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들의 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진들이다.
도 3은 두께별 박막 및 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들의 파장에 따른 흡광 효율(Extinction Efficiency)를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 10 nm 두께의 은 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들의 크기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 열처리하여 얻은 나노 입자들의 지름이 (a) 20 nm, (b) 75 nm 및 (c) 160 nm일 때의 흡광 단면적(Extinction Cross-section)을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 (a) 420 nm 파장의 입사광에 의하여 지름이 75 nm 은 나노 입자에서 표면 플라즈마 공명이 일어날 때 전기장의 분포를 도시한 시뮬레이션 결과와,
(b) 은 나노 입자의 크기 및 입사광의 파장에 따른 정규화된 전기장의 세기를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 은 나노 입자의 크기에 따른 정규화된 전기장의 세기 및 산란/흡수 비를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 구조물의 오목부 내에 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하는 물리적 복제방지 장치의 전자 주사 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법을 도시한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드 상에 형성된 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 물리적 복제방지 장치를 이용한 비밀키 제조(Secret Key Generation) 방법을 도시한 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 물리적 복제방지 장치를 이용한 인증 방법을 도시한 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하고, 상기 나노 입자의 국부적 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 흡광 특성 차이를 측정하여 식별키를 제공하는 물리적 복제 방지 장치 및 이를 이용한 난수 발생 방법에 관한 것이다.

실시예 1 : 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하는 물리적 복제 방지 장치

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 물리적 복제방지 장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(101) 상에 마이크로 구조물(103)이 형성되어 있고, 상기 마이크로 구조물(103)의 오목부 내에 복수 개의 나노 입자(105)가 랜덤하게 분산되어 있다.

상기 기판(101)은 분산된 상기 복수 개의 나노 입자(105)를 지지하고 고정하기 위한 것으로, 반도체 공정상에서 사용되는 공지된 물질 뿐 아니라, 카드, 바코드, 태그 등을 위하여 사용되는 다양한 물질일 수 있다. 또한 기판(101)은 발광 다이오드의 발광면 또는 흡광 다이오드의 흡광면 등과 같이 장치의 일부 영역일 수 있다. 식별을 필요로 하는 장치의 종류에 따라 상기 기판(101)은 광을 반사하거나 광을 투과할 수 있다. 즉, 복수 개의 나노 입자가 분산된 기판(101)에 반사된 광을 분석하여 식별키를 생성하거나, 복수 개의 나노 입자가 분산된 기판(101)을 투과한 광을 분석하여 식별키를 생성할 수 있다.

상기 기판(101)에는 마이크로 크기를 갖는 구조물(103)이 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 마이크로 구조물(103)은 기판(101)의 일부를 식각하여 형성한 오목부와 볼록부를 가질 수 있다. 또는 상기 마이크로 구조물(103)은 기판(101) 상에 다른 물질을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 마이크로 구조물(103)은 주기성을 가지도록 형성되거나, 랜덤한 위치에 형성될 수 있다. 상기 마이크로 구조물(103)의 오목부와 볼록부는 나노 입자(105)들의 위치를 한정하기 위하여 사용될 수 있다. 즉, 상기 나노 입자(105)들은 마이크로 구조물(103)의 오목부 내에 위치할 수 있다. 상기 마이크로 구조물(103)이 랜덤하게 형성 될 경우 물리적 복제방지 장치의 복잡도 및 다양성을 더 증대시킬 수 있다. 또한 발광 다이오드 및 흡광 다이오드와 같은 장치의 표면에 마이크로 구조물(103)이 형성될 경우 마이크로 구조물(103) 자체의 형상에 의하여 광전 변환 효율이 증대될 수 있다. 또한 마이크로 구조물(103)의 오목부에 위치한 나노 입자(105)들이 국부적 플라스마 공명 현상에 의하여 형성하는 강한 전기장에 의한 광전 변환 효율 증대도 기대할 수 있다.

상기 복수 개의 나노 입자(105)들은 금속 또는 과도핑된 반도체(Degenerately Doped Semiconductor)를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 나노 입자(105)들은 동일한 물질 또는 서로 다른 2종 이상의 물질일 수 있다. 예를 들면, 복수 개의 나노 입자(105)들은 은 나노 입자와 금 나노 입자의 혼합물일 수 있다. 상기 복수 개의 나노 입자(105)들은 1 nm 내지 100 nm의 크기를 가질 수 있으며, 동일한 크기를 가지거나 각각의 나노 입자(105)들이 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 상기 복수 개의 나노 입자(105)들은 다양한 형태를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이 그 구성 물질, 크기 및 형태가 다른 복수 개의 나노 입자(105)들을 분산시킴으로서 물리적 복사방지 장치의 복잡도 및 다양성을 더 증대시킬 수 있다.

상기 복수 개의 나노 입자(105)들은 나노 입자를 형성하고 분산시킬 수 있는 공지된 다양한 방법으로 기판(101) 상에 분산될 수 있다. 예를 들어, 나노 미터 두께의 금속 박막을 형성하고 열 처리 시간과 온도를 달리하거나 습식 식각을 통하여 나노 입자(105)를 형성할 수 있다. 또는 나노 입자(105)들이 용매에 분산되어 있는 나노 입자 용액을 형성하고, 상기 용액을 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 롤투롤 코팅, 잉크젯 코팅등과 같이 공지된 용액 공정을 이용하여 기판 상에 코팅하는 방법으로 복수 개의 나노 입자들(105)을 기판 상에 분산시킬 수 있다. 동일한 기판 상에서 동일한 공정을 통하여 형성될 지라도 열 처리시 기판 상의 온도 차이와 같은 공정상의 편차로 인하여 위치에 따라 나노 입자들(105)의 구성, 크기 및 형태의 차이가 발생한다. 이를 통하여 물리적 복사방지 장치의 랜덤성과 복잡성을 확보할 수 있다.

상기 나노 입자들(105) 상에 보호 코팅층(미도시)를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 보호 코팅층은 외부 환경에 의하여 상기 나노 입자들(105)이 받는 영향을 최소화하여 물리적 복제방지 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 나노 입자들(105)은 나노 크기로 인해 넓은 표면적으로 가지므로 산화와 같은 반응성이 높아 항상 동일한 값을 출력해야 하는 물리적 복제방지 장치로 사용되기 위하여 나노 입자들(105)의 표면에 보호 코팅층을 형성할 수 있다.

실험예 1 : 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들을 포함하는 물리적 복제방지 장치

크기와 형상, 배열이 랜덤한 금속 나노 입자의 흡광 특성을 측정하기 위하여 기판 상에 나노미터 두께의 금속 박막을 형성하고, 열처리를 통하여 기판 상에 랜덤하게 분산된 금속 나노 입자들을 형성하였다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들의 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진들로, (a) 5 nm 두께, (b) 10 nm 두께 및 (c) 15 nm 두께의 은 박막을 증착한 후 촬영한 주사 현미경 사진과, 각 은 박막을 질소 분위기 하에서 600℃로 5분동안 열처리 하여 얻은 나노 입자들을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 열처리 중 은 입자는 은 박막과 기판 사이 계면에 의한 총 에너지를 낮추기 위하여 응집하여 서로 분리된 3차원 은 나노 입자를 형성한다. 5 nm 및 10 nm 두께의 은 박막을 열처리 하였을 때 반구형의 나노 입자가 형성되는 반면, 15 nm 두께의 은 박막을 열처리 하였을 때에는 메시(mesh) 구조와 유사한 구조가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 은 박막의 두께가 두꺼워질수록 나노 입자의 형태와 크기가 보다 불규칙하게 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

도 3은 도 2에 도시되었던 (a) 5 nm 두께, (b) 10 nm 두께 및 (c) 15 nm 두께의 은 박막들과, 각 은 박막을 질소 분위기 하에서 600℃로 5분동안 열처리 하여 얻은 나노 입자들이 분산된 표면의 흡광 효율을 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 열 처리 전, 후 모두 320 nm 파장에서 가장 낮은 흡광 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 나노 입자들의 쌍극자 여기 모드(Dipolar Excitation Mode)로 인한 주 공명 피크(peak)는 450 nm 내지 550 nm 범위에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 사중극 공명 피크(Quadrupole Resonace Peak)로 알려진 350 nm 근방의 작은 피크는 10 nm 및 15 nm의 은 박막을 열처리하여 얻은 나노 입자들의 분산으로부터 확인할 수 있었다. 나노 입자들의 크기가 커질수록 사중극 공명 피크가 더욱 중요해지며, 주 공명 피크는 적색 편이를 하는 것을 확인할 수 있었다. 서로 다른 공명 파장을 가지는 쌍극 및 사중극의 흡광 모드의 합으로 인하여 흡광 피크가 넓어지는 것을 예측할 수 있다. 또한, 비정형적인 형태와 다양한 크기의 나노 입자들로 인하여 나노 입자들 간의 국부적 전기자기장 커플링의 약화 역시 흡광 피크를 넓게 만든다. 즉 은 나노 입자의 크기와 형태에 따라 흡광 특성이 달라지는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라, 10 nm 두께의 은 박막을 열처리하여 얻은 복수 개의 나노 입자들의 크기 분포를 나타내는 그래프이다.

이미지 프로세서 Image J를 사용하여 은 나노 입자들의 크기와 분산을 측정하였다. 대부분의 나노 입자들이 평균 크기인 75nm 정도의 크기를 가지고 있으나, 10 nm로부터 160 nm까지 넓은 범위의 크기 분포가 존재하였다. 동일 기판 상에서 동일 공정을 통하여 생성되는 경우에도 나노 입자들의 크기, 형태 및 입자간 거리가 다양하게 형성되므로 물리적 복제방지 장치의 랜덤성을 확보할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 박막을 열처리하여 얻은 나노 입자들의 지름이 (a) 20 nm, (b) 75 nm 및 (c) 160 nm일 때의 흡광 단면적(Extinction Cross-section)을 나타내는 그래프들이다.

모든 경우에 있어서, 흡광 단면적은 은 나노 입자들의 지름이 커질수록 함께 증가 하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 흡광 단면적에 주요하게 기여하는 산란과 흡수 단면적은 각각 나노 입자의 크기에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 작은 크기의 나노 입자의 경우 흡수 단면적이 흡광 단면적에 주된 영향을 미친 반면, 나노 입자의 크기가 커질수록 산란에 의한 영향이 커지는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 (a) 420 nm 파장의 입사광에 의하여 지름이 75 nm 은 나노 입자에서 표면 플라즈마 공명이 일어날 때 전기장의 분포를 도시한 시뮬레이션 결과와,

(b) 은 나노 입자의 크기 및 입사광의 파장에 따른 정규화된 전기장의 세기를 도시한 시뮬레이션 결과이다.

도 6 (a)를 참조하면, 1 MW/m2의 세기를 갖는 420 nm 파장의 광이 입사되었을 때, 강한 전기장이 y 축을 따라 나노 입자의 모서리에 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 라이팅-로드 효과(Lighting-rod Effect)로 알려진 것으로 광의 흡수 효율을 향상시킨다.

도 6 (b)를 참조하면, 은 나노입자의 크기가 40 nm 이하일 때 모든 파장 범위에서 강한 전기장을 확인할 수 있다. 반면 은 나노입자의 크기가 40 nm 이상일 때 전기장의 정규화된 세기는 입사광의 파장에 의하여 변화한다. 따라서 나노 입자의 크기에 따라 입사광의 파장에 따른 반응이 상이한 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 은 나노 입자의 크기에 따른 정규화된 전기장의 세기 및 산란/흡수 비를 도시한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 75 nm 이하의 직경을 갖는 나노 입자는 국부적 장 형성에 기여하는 반면, 75 nm 이상의 직경을 갖는 나노 입자는 플라즈몬 산란에 기여하는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2 : 마이크로-홀 구조를 구비한 기판 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하는 물리적 복제방지 장치

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 구조물의 오목부 내에 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하는 물리적 복제방지 장치의 전자 주사 현미경 사진이다.

도 8을 참조하면, 2 ㎛ 직경의 원형 오목부가 각각 4 ㎛ 간격으로 주기적으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 상기 원형의 오목부는 유도 결합 플라즈마 식각을 이용하여 500 nm 깊이로 형성하였다. 상기 원형의 오목부 내에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 형성하였다. 도 8과 같이 주기성을 가지고 형성된 상기 원형의 오목부는 나노 입자들의 주소(Address)로 이용될 수 있다. 또는 원형의 오목부를 랜덤하게 형성하여 물리적 복제방지 장치의 랜덤성을 더 향상시킬 수 있다.

발광 다이오드의 발광면 또는 포토 다이오드의 흡광면 등을 기판으로 사용할 경우, 마이크로 구조물로 오목부를 형성하여 그 자체의 구조를 통하여 발광/흡광 효율을 향상 시킬 수 있다. 또한, PN 접합면 또는 다중 양자 우물 구조와 가까운 거리에 복수 개의 나노 입자들을 위치시켜 나노 입자들이 국부적 표면 플라즈마 공명에 의하여 발생시키는 강한 전기장을 통하여 발광/흡광 효율을 향상시킬 수 있다.

실시예 2 : 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법을 도시한 블록도이다.

도 9를 참조하면, 먼저 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들로 구성된 물리적 복사 방지 장치의 흡광 특성을 분석하여 초기값 x를 얻는다. 초기값 x는 특정한 파장 범위에 대한 광 세기이거나 산란/흡수 비 값 등일 수 있다. 초기값 x를 얻기 위하여 복수 개의 나노 입자들에 광을 입사한다. 입사되는 광은 특정한 파장을 가지는 광이거나, 일정 범위의 내에서 파장이 순차적으로 변화하는 광일 수 있다. 복수 개의 나노 입자들에 입사된 광은 나노 입자들과의 상호 작용을 통하여 변조된다. 상기 상호작용은 나노 입자에 의한 광의 산란 또는 국부적 표면 플라즈마 공명에 의한 광의 흡수일 수 있다. 변조된 광은 기판이 투명할 경우 기판을 투과하고, 그렇지 않은 경우 반사된다. 따라서 투과광 또는 반사광을 측정하여 얻은 상기 나노 입자들에 대한 정보를 초기값 x로 사용할 수 있다. 상기 초기값 x를 변환하여 1차 난수 x’을 생성한다(S110).

상기 1차 난수 x’(103)은 함수 f(x’)를 통하여 암호화된 결과값 y를 출력한다(S130). 결과값 y는 장치의 ID, 인증 회로, 암호 알고리즘의 대칭 키 또는 비밀 키 등으로 사용 될 수 있다.

종래 일회성 비밀번호 생성 단말과 같은 난수 발생기의 경우, 비휘발성 메모리에 초기값 x를 저장하여 사용하였다. 이러한 경우 저장되는 데이터에 대한 별도의 관리를 필요로 하고, 외부 공격에 의하여 초기값 x가 유출될 수 있는 위험이 있다. 그러나 본 발명의 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 분석하여 얻는 초기값 x는 매 생성 시마다 동일한 값을 출력하여 비휘발성 메모리 등에 저장될 필요가 없다. 따라서 장치 외부로의 초기값 x의 유출 위험이 없고, 보안 공격에 의하여도 그 값을 읽기 어렵다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 광원(311)으로부터 기판(301) 상에 랜덤하게 분산되어 있는 복수 개의 나노 입자들(303)로 빛이 조사된다. 광원(311)은 300 nm 내지 1500 nm 범위의 파장을 갖는 빛을 방출하는 공지된 광원이면 제한 없이 사용 가능하다. 광원(311)은 종래의 가시광 통신, 적외선 통신 등에 사용 되는 발광 다이오드일 수 있다.

기판(301)이 금속과 같이 광을 반사하는 재질로 이루어진 경우 반사된 광이 광분석장치(313)를 통하여 측정된다. 광분석장치(313)는 광도계의 일종일 수 있으며, 광원의 세기 또는 광의 산란/흡수 비를 측정하여 초기값 x로 변환한다. 광분석장치(313)는 광을 전기로 변환하는 포토 다이오드일 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 광원(411)으로부터 기판(401) 상에 랜덤하게 분산되어 있는 복수 개의 나노 입자들(403)로 빛이 조사된다. 입사된 빛은 나노 입자들(403)과 상호 작용을 한 뒤 투명한 기판(401)을 투과한다. 투과된 광은 기판(401)의 광원(411)이 있는 면의 반대 면에 위치한 광분석장치(413)를 통하여 측정된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드 상에 형성된 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 측정하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 실시예 1에서 상술한 바와 같이 기판(501)은 발광 다이오드의 발광면과 같이 장치의 일부 영역일 수 있다. 기판(501)이 발광 다이오드의 발광면일 경우, 기판(501)은 광원의 역할을 수행한다. 따라서 기판(501)으로부터 발광되는 빛이 나노 입자들(503)과 상호 작용을 한 뒤 광분석장치(513)를 통하여 측정된다. 도면에 도시되지 않았으나, 기판은 포토 다이오드의 흡광면일 수 있다. 이러한 경우 광원으로부터 조사된 빛이 나노 입자들과 상호 작용을 통해 변조된 뒤 포토 다이오드에 흡수될 수 있다. 이러한 구조는 가시광 통신 또는 적외선 통신과 같은 광 통신 수단에 쉽게 적용 가능할 것으로 생각된다.

실시예 3 : 물리적 복제방지 장치를 이용한 비밀키 생성 방법(Secret Key Generation)

물리적 복제방지 장치는 예측 불가능성 및 복제 불가능성 측면에서는 우수하나, 이용되는 특성이 아날로그 값을 가지므로 신뢰성의 문제가 존재한다. 특히 본 발명의 물리적 복제방지 장치는 흡광 특성을 이용하므로 나노 입자의 산화 또는 주변 환경 변화에 민감할 수 있다. 따라서 이를 보완하여 신뢰성을 담보하기 위한 오류 정정 부호가 포함되는 비밀키 생성 방법을 요구한다.

도 13은 본 발명에 따른 물리적 복제방지 장치를 이용한 비밀키 생성(Secret Key Generation) 방법을 도시한 블록도이다.

도 13을 참조하면, 비밀키 생성 방법은 오류 정정 부호를 인코딩 하는 초기화(Initialization) 단계(S310) 및 오류 정정 부호를 이용하여 디코딩한 값을 해시(Hash) 함수로 변환하여 비밀키를 생성하는 재생성(Reproduction) 단계(S330)를 포함한다.

초기화 단계(S310)에서, 장치는 서버로부터 챌린지를 입력 받고 물리적 복제장치의 흡광 특성으로부터 생성되는 초기값을 오류정정부호화(Error Correction Code Encoding) 한다. 상기 오류 정정 부호는 BCH(BoseChaudhuriHocquenghem) 코드일 수 있다.

재생성 단계(S330)에서, 장치는 서버로부터 챌린지를 입력받고 물리적 복제 방치의 흡광 특성으로부터 생성되는 초기값을 기반으로 오류정정부호를 디코딩한다. 이 때 상기 초기화 단계의 신드롬을 이용하여 초기값의 오류를 정정할 수 있다. 디코딩된 값을 해시(hash) 함수를 통하여 해시값을 생성할 수 있다. 생성된 해시값을 기초로 비밀키를 생성하고 그 값을 출력한다.

실시예 4 : 본 발명의 물리적 복제방지 장치를 이용한 인증 방법(Authentication)

도 14는 본 발명에 따른 물리적 복제방지 장치를 이용한 인증 방법을 도시한 블록도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 물리적 복제방지 장치는 시도-응답 방식 인증에 이용될 수 있다. 먼저, 서버에 본 발명의 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성으로부터 제공되는 대칭키(601)가 저장된다. 인증되지 않은 장치(603)가 인증을 요구하면, 서버는 일회성 챌린지(Challenge)를 생성하여 서버에 저장되어 있는 대칭키(601)를 이용한 결과값(Response) Ri를 생성한다(S210). 서버는 일회성 챌린지를 인증되지 않은 장치(603)에 전송하고, 장치(603)는 물리적 복제방지 장치의 흡광 특성을 이용하여 결과값 Ri’을 형성한다(S230). 서버가 생성한 결과값 Ri와 장치(603)이 생성한 결과값 Ri’을 비교하여 일치하는 경우 인증이 성공하고, 일치하지 않는 경우 인증이 실패하게 된다(S250).

101 : 기판 103 : 마이크로 구조물
105 : 나노 입자들
301 : 기판 303 : 나노 입자들
311 : 광원 313 : 광분석장치
401 : 기판 403 : 나노 입자들
411 : 광원 413 : 광분석장치
501 : 기판 503 : 나노 입자들
513 : 광분석장치
601 : 대칭키 603 : 미인증된 기기

Claims (12)

1. 발광 다이오드의 발광면; 및
   상기 발광 다이오드의 발광면 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자를 포함하고,
   상기 발광 다이오드의 발광면 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자에 상기 발광 다이오드의 발광면으로부터 생성된 광을 입사함으로써 발생하는 국부적 표면 플라즈마 공명 현상을 이용하여 상기 나노입자의 흡광 특성 차이를 측정하여 식별키를 제공하는 물리적 복제방지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 나노 입자는 금속, 고농도 도핑된 반도체 또는 이들의 혼합물인 물리적 복제방지 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 나노 입자는 서로 다른 크기를 갖는 물리적 복제방지 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 발광 다이오드의 발광면 상에 마이크로 구조물이 형성된 물리적 복제방지 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 마이크로 구조물은 기판의 일부를 식각하여 형성한 원형의 오목부인 물리적 복제방지 장치.
6. 발광 다이오드의 발광면 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들을 포함하는 물리적 복제방지 장치를 이용한 난수 생성 방법에 있어서,
   상기 발광 다이오드의 발광면 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들에 상기 발광 다이오드의 발광면으로부터 생성된 광을 입사하는 단계;
   상기 나노 입자들과 상호작용을 통하여 변조된 투과광 또는 반사광을 측정하여 초기값을 얻는 단계;
   상기 초기값을 변환하여 1차 난수를 생성하는 단계; 및
   상기 1차 난수를 변환하여 결과값을 생성하는 단계를 포함하는 것으로,
   상기 발광 다이오드의 발광면으로부터 생성된 광의 파장이 조절될 수 있으며, 상기 나노 입자들과 상호작용은 국부적 표면 플라즈마 현상으로 인한 광 흡수 및 광 산란인 난수 생성 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 발광 다이오드의 발광면 상에 랜덤하게 분산된 복수 개의 나노 입자들에 광을 입사하는 단계는, 서로 다른 파장을 갖는 광을 입사하는 단계를 포함하고,
   상기 초기값은 각 파장별 광의 투과광 또는 반사광의 흡광 특성을 기초로 연산되는 난수 생성 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 흡광 특성은 광의 세기 또는 산란/흡수 비인 난수 생성 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 1차 난수는 오류 정정 부호(Error Correction Code)를 이용하여 초기값의 오류가 정정된 값인 난수 생성 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 오류 정정 부호는 BCH 코드인 난수 생성 방법.
11. 제6항에 있어서,
    상기 물리적 복제방지 장치는 상기 발광 다이오드의 발광면 상에 마이크로 구조물을 더 포함하고,
    상기 마이크로 구조물은 주기적으로 형성된 오목부로 상기 나노 입자들은 상기 오목부 내에 위치하고,
    상기 오목부는 상기 나노 입자들의 어드레스를 제공하는 난수 생성 방법.
12. 제6항에 있어서,
    상기 물리적 복제방지 장치는 상기 발광 다이오드의 발광면 상에 마이크로 구조물을 더 포함하고,
    상기 마이크로 구조물은 랜덤하게 형성된 오목부로 상기 나노 입자들은 상기 오목부 내에 위치하고,
    상기 오목부는 상기 물리적 복제방지 장치의 랜덤성을 향상시키는 난수 생성 방법.
    

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