KR20180114364A

KR20180114364A - 생체 인증장치 및 생체 인증방법

Info

Publication number: KR20180114364A
Application number: KR1020170045997A
Authority: KR
Inventors: 정기훈; 정성훈; 이섬규; 박정우; 박채완
Original assignee: 주식회사 리얼아이덴티티
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-18
Also published as: KR101972318B1; US20190370444A1; US10621323B2; EP3428823B1; WO2018190562A1; EP3428823A1; EP3428823A4

Abstract

본 발명은 생체 인증장치 및 생체 인증방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 제1전극과 제2전극 사이에 생체 인증을 위한 물체를 위치시킨 상태에서, 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하고, 제1전극에서 측정되는 전압의 최고치(측정전압최고치)와 최저치(측정전압최저치)의 차인 측정전압폭과 제1전극에서 측정되는 전압이 측정전압최저치에서부터 측정전압최고치의 특정 범위까지 도달하는 데까지 소요되는 도달시간을 이용하여 생체 인증을 수행하는 인증장치 및 인증방법이 제시된다.
본 발명에 따른 생체 인증장치 및 생체 인증방법에 의하여 신뢰성 높은 개인 인증을 실현한 생체 검출 기능을 제공할 수 있게 되었다.

Description

생체 인증장치 및 생체 인증방법{BIO-ANDAUTHENTICATING APPARATUS AND BIO-ANDAUTHENTICATING METHOD}

본 발명은 생체 인증장치 및 생체 인증방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하고 측정전압최고치와 도달시간을 이용하여 생체 인증을 수행하는 생체 인증장치 및 생체 인증방법에 관한 것이다.

휴대 전화나 PDA(Personal Digital Assistant) 등의 소형 정보 기기는 고(高) 사양화됨에 따라 보안을 요하는 경우가 많이 필요하게 되었고, 통신속도가 빨라짐에 따라 원격지에 위치하는 서버에 정보를 저장하고 네트워크를 통해 이를 액세스하는 빈도가 점점 늘어나고 있다. 이러한 보안을 필요로 하는 정보에 접근하기 위해서는 소형 정보 기기에서 인증을 거쳐야 한다. 높은 수준의 보안을 요하는 범위로는 스마트 뱅킹, 전자 지갑과 같은 금융 거래 분야를 들 수 있다.

소형 정보 기기에서 보안을 확보하는 방법으로 패스워드나 ID(IDentification) 카드 등을 이용한 개인 인증을 실시하는 방법이 사용된다. 그러나, 패스워드나 ID 카드는 도용될 위험성이 비교적 높아 금융거래 등과 같은 분야에서는 보다 강화된 개인 인증(기기의 사용자가 미리 등록된 사용자 본인인 것의 인증)을 요구하고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위하여 생체 정보(바이오메트릭스 정보)를 사용하는 경우가 늘고 있으며, 생체 정보 중에서는 편리하다는 이유로 지문이 주로 사용되고 있다.

그런데, 지문의 경우는 실리콘이나 구미(Gummi)로 만들어진 위조 지문에 의해서 인증이 쉽게 뚫리는 문제점을 가지고 있다. 이러한 지문이 가진 문제점을 해결하고자 홍채, 혈류 또는 임피던스 등을 이용한 다양한 생체 정보를 이용하자는 제안이 있으며 일부 생체 정보의 경우 기술적으로는 구현되었으나 경제적인 이유로 아직 상업적으로 보급하지 못하고 있는 상태이다.

아래 비특허문헌 1에는 복수 주파수를 갖는 입력 전원을 생체에 인가하고 주파수 변화에 따른 생체의 임피던스 크기와 위상이 변화되는 특성을 이용하면 생체 여부를 인증할 수 있다는 기술이 제시되어 있다. 지금까지 알려진 임피던스를 이용한 생체 인증 기술에 대해 간략하게 정리하면, 생체에 주파수를 가변시키면서 전압을 인가하고, 주파수 변화에 따른 생체의 임피던스 크기와 위상을 측정함으로써 생체 인증에 이용할 수 있다는 것이다. 이러한 종래 기술에 제시된 바와 같이 임피던스를 이용하여 생체를 인증하기 위해서는 (1) 복수 개 주파수를 갖는 입력 전원을 인가하는 회로를 구비하여야 하고, (2) 각 주파수에 따른 생체의 임피던스 크기와 위상을 측정할 수 있는 회로를 구비하여야 되는 문제점이 있었다. 특히 임피던스의 크기와 위상을 측정하기 위해서는 측정신호에 사인(sine) 정현파와 코사인(cosine) 정현파를 곱한 후 저역통과필터를 통과시켜서 임피던스 응답의 실수 부분과 허수 부분을 구하고 이를 이용하여 크기와 위상을 측정해야 한다. 이러한 회로를 신뢰성 있는 수준으로 구축하기 위해서는 하드웨어 구성이 복잡해져서 상용화에 어려움이 있었다.

일본 특허공개 2000-123143호 (2000.04.28. 공개) 일본 특허공개 평10-302047호 (1998.11.13. 공개) 일본 특허공개 2000-194848호 (2000.07.14. 공개) 일본 특허공개 2000-172833호 (2000.06.23. 공개) 한국특허공개 제10-2005-0051659호 (2005.06.01 공개)

비특허문헌 1: "Impedance-Sensing Circuit Techniques for Integration of a Fraud Detection Function Into a Capacitive Fingerprint Sensor", Toshishige Shimamura et all, IEEE SENSORS Journal. Vol. 12. NO. 5, MAY 2012

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 복수 개 주파수를 갖는 입력 전원을 인가하는 회로를 구비함이 없이 임피던스를 이용하여 생체 인증을 수행하는 생체 인증장치 및 생체 인증방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 또한, 각 입력 전원의 주파수에 따른 생체의 임피던스 크기와 위상을 측정할 수 있는 회로를 구비함이 없이 임피던스를 이용하여 생체 인증을 수행하는 생체 인증장치 및 생체 인증방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 단일 주기를 갖는 구형파 입력 전원을 생체에 인가하고, 이에 대한 생체의 전압 응답을 이용하여 도달시간(arriving time)과 측정전압폭을 산출하고 이로부터 생체 인증을 수행하는 생체 인증장치 및 생체 인증방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 생체 특정 부위의 임피던스를 이용하여 생체 여부를 인증하는 생체 인증장치에 있어서, 제1전극과, 제1전극과 전기적으로 절연 상태를 유지하면서 이격 설치되는 제2전극과, 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하는 구동부와, 제1전극에서 측정되는 전압이 안정화된 상태에서 상기 제1전극에서 검출된 전압의 최고치인 측정전압최고치와 검출된 전압이 최저치인 측정전압최저값을 검출하고, 상기 검출된 전압이 상기 측정전압최저값에서 상기 측정전압최고치와 상기 측정전압최저치의 차로 구해지는 측정전압폭의 특정 범위까지 도달하는데까지 소요되는 시간인 도달시간을 출력하는 센싱부 및 센싱부로부터 입력되는 측정전압폭 및 도달시간을 이용하여 생체 여부를 판별하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치에 의해서 달성 가능하다.

여기서 안정화된 상태란, 적어도 이웃하는 2주기 동안 상기 제1전극에 인가되는 구형파에 의해서 상기 제1전극에서 검출되는 상기 측정전압최고값과 상기 측정전압최저값이 일정하게 유지되는 상태를 의미한다.

바람직하게 이러한 생체 인증장치는 일 단은 구동부와 연결되고, 타 단은 제1전극과 연결되는 부가 저항(Re)을 더 포함하는 것이 좋으며, 제2전극은 접지와 연결되는 것이 좋다. 또한, 구형파의 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 단일 주기는 0.067ms ~ 1.42ms 주기에서 선택된 어느 하나인 것이 좋다.

본 발명의 생체 인증장치를 구성하는 센싱부는 제1전극으로부터 입력되는 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환하는 AD 변환부와, 일정 주기 동안 상기 AD 변환부로부터 입력되는 전압의 최저치(측정전압최저치)와 최고치(측정전압최고치)를 검출하는 최고최저전압검출부 및 AD 변환부로부터 입력되는 시간에 따라 변하는 전압과 최고최저전압검출부로부터 입력되는 측정전압최저치와 측정전압최고치를 이용하여, 도달시간(Tr)을 산출하는 도달시간산출부를 포함하도록 구성하는 것이 좋다. 이때 부가 저항(Re)을 통해 인가되는 구형파의 듀레이션은 제1전극에서 측정되는 전압이 포화단계까지 도달되지 못하는 범위를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 목적은 제1전극과 제2전극 상에 놓여지는 물체가 생체 인지 여부를 판별하는 생체 인증방법에 있어서, 단일 주기를 갖는 구형파를 상기 제1전극에 인가하는 제1단계 및 제1전극에서 측정되는 전압이 최저치(측정전압최저치)에서 측정되는 전압의 최고치(측정전압최고치)의 일정한 범위까지 도달하는데까지 소요되는 시간인 도달시간을 산출하는 제3단계를 포함하는 생체 인증방법에 의해 달성 가능하다.

이러한 생체 인증 방법은 제1단계와 제3단계 사이에 수행되는 단계로서, 적어도 한 주기 동안 제1전극의 전압을 측정하여 측정되는 전압의 최저값(측정전압최저치)과 상기 측정전압최고치를 구하는 제2단계를 더 포함하는 것이 좋다. 또한, 제3단계 이후에 수행되는 단계로서, 측정전압폭과 도달시간을 이용하여 생체인지 여부를 인증하는 제4단계를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 생체 인증방법을 수행할 때, 제1단계는 부가 저항(Re)를 통하여 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하고, 제2전극은 접지와 연결하는 것이 좋다. 본 발명의 생체 인증에 사용되는 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것이 좋으며, 바람직하게는 0.067ms ~ 1.42ms 주기인 것이 더욱 좋다. 이때 인가되는 구형파의 듀레이션은 제1전극에서 측정되는 전압이 포화단계까지 도달되지 못하는 범위를 가지는 것이 바람직하다.

종래 임피던스를 생체 정보로 이용한 생체 인증 장치에서는 복수 개 주파수를 갖는 입력전원을 입력전극에 순차적으로 인가하고, 각 주파수 입력에 따라 생체에 인가되는 임피던스의 크기와 위상을 측정하기 위한 회로가 구비되어야 하였다. 이러한 회로는 구현이 복잡하여 스마트 폰과 같은 소형 휴대용 기기에 실제 사용할 수 있을 정도로 구현하기 힘든 걸림돌로 작용하였다.

이에 비하여 본 발명에 따른 생체 인증장치는 두 개의 전극 사이에 생체의 특정 부위를 고정시킨 상태에서 1초 이내의 시간(바람직하게는 0.1초 이내)에 단일 주파수를 갖는 전원을 입력전극에 인가하고, 센싱전극에서 안정화 상태에서 측정되는 측정전압최고치와 측정전압최저치의 차인 측정전압폭과 측정 전압이 전압최저치에서 측정전압폭의 일정한 범위까지 상승하는 데까지 소요되는 도달시간(arriving time)을 측정함으로써 생체 인증을 할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 종래 기술에 비하여 입력 회로와 측정 회로의 구현이 쉽고 간단해지므로 소형화가 가능하여 스마트 폰과 같은 소형 휴대용 기기에 손쉽게 탑재할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 생체 인증장치의 등가 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 센싱부의 일 실시예인 회로 블록도.
도 3은 서로 다른 주기 T1과 T2를 가지며, 듀티비 50%을 갖는 구형파를 인가한 경우 각각 제1전극에서 측정되는 출력 전압 파형을 도시한 파형도.
도 4는 도 3(b)에 도시된 출력 파형 하나를 재 도시한 파형도.
도 5는 본 발명에 따른 생체 인증장치의 구성도.
도 6은 도 5에 제시된 생체 인증장치의 패널부에 손가락이 놓여진 경우의 등가회로도.
도 7은 패널부를 사각형상을 갖는 제1전극과 제2전극으로 구성한 본 발명에 따른 일 실시예의 생체 인증장치의 구성도.
도 8은 대부분의 전극을 지문감지를 위한 전극으로 구성하고 일부만 임피던스 센싱하기 위한 전극으로 구성되는 패널부를 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 생체 인증장치의 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 실험에 사용된 전극 형상의 평면도.
도 10은 도 1에 제시된 회로에서 부가 저항(Re)에 인가되는 구형파의 일 례.
도 11은 tan^-1 그래프와 원점에서의 접선을 함께 도시한 그래프.
도 12는 도 1에 제시된 생체 인증장치에 1,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 그래프.
도 13은 도 1에 제시된 생체 인증장치에 5,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 그래프.
도 14는 도 1에 제시된 생체 인증장치에 10,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 도시한 그래프.
도 15는 도 12, 도 13 및 도 14의 실험 결과를 3차원 그래프 상에 한꺼번에 도시한 그래프.
도 16은 도 12의 상태를 그룹화하여 나타낸 그래프.
도 17은 생체 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값과 클레이 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 신체 부위 중에서 손가락 지문을 대상으로 주로 설명하기로 하나, 본 발명은 손가락 지문 외 다른 신체 부위에도 적용될 수 있는 것으로 이해되어져야 한다. 손가락 지문을 대상으로 본 발명을 설명하는 것은 해당 부위에 대한 위조 지문을 다양한 재질로 손쉽게 제작 가능하기 때문이다. 예를 들어 아교(glue), 젤라틴, 실리콘, 및 클레이(clay) 등의 다양한 재질로 위조 지문을 제작할 수 있다. 본 발명에 대한 실험을 진행하기에 앞서 본원의 발명자는 앞서 열거한 다양한 재질의 위조 지문과 생체 지문을 대상으로 복수의 주파수를 갖는 입력 전원을 순차적으로 인가하고 이에 따른 임피던스의 크기와 위상을 측정하고 이로부터 생체와 위조 지문을 판별할 수 있는지 여부에 대한 다양한 실험을 진행하였다. 이러한 실험 결과 생체의 경우 500Hz(바람직하게는 700Hz) ~ 15,000Hz 범위에서 주파수가 증가할 때 생체에서 측정된 임피던스의 크기와 위상이 선형적으로 감소하는 현상을 보임을 확인하였다. 또한 다양한 재질로 형성한 위조 지문과 비교할 때 클레이로 만든 위조 지문이 생체와 가장 유사한 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에서는 생체와 가장 유사한 특성을 보여주는 다양한 건조 상태의 클레이 재질로 제작된 위조 지문과 생체 지문을 구분할 수 있는 생체 인증방법 내지는 생체 인증장치를 중점적으로 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 생체 인증장치에서 획득되는 임피던스에 관한 정보는 지문 인식에도 이용할 수 있다. 본 발명에서 제시되는 생체 인증장치를 이용하여 피인증자의 리지와 밸리를 센싱하면, 리지는 별도 매개물 없이 직접 생체 인증장치에 구비되는 전극 사이를 터치하는 반면 밸리의 경우는 피부와 센서 사이에 공기가 개재되므로 각각의 경우 임피던스에 대한 도달시간과 측정전압폭이 달라지게 된다. 이러한 임피던스에 대한 도달시간과 측정전압폭을 이용하여 리지와 밸리를 구하고, 이를 세선화하고, 세선화된 정보로부터 갈라지는 지점 또는 모아지는 지점 등을 포함하는 특성치를 구하고, 구해진 특성치를 사전에 등록된 특성치와 비교함으로써 지문인식이 가능하게 된다. 본 발명에 따른 생체 인증장치와 종래 지문센서를 비교하면 리지와 밸리 정보를 획득하는 단계까지만 상이하며 나머지 데이터 처리방식은 종래 지문인식에서 사용하던 방식을 그대로 이용할 수 있다.

본 발명에서 제시되는 생체 인증장치는 미세땀을 이용한 생체 인식에도 이용할 수 있다. t0 시각과 t1 시각(측정시각은 많을수록 좋음)에 임피던스에 대한 도달시간과 측정전압폭을 측정하고, 양 시각의 임피던스에 대한 도달시간과 측정전압폭의 차이를 이용하여 발한되는 미세 땀을 감지하고, 감지된 미세 땀의 위치를 포함하는 발한 데이터를 형성하고, 발한 데이터를 이용하여 생체인지 여부에 대한 인증 또는 피인증자의 개인 식별 인증에 사용하는 것이다. 미세 땀의 경우 피부와 다른 수분 성분을 가지므로 미세 땀이 발현된 곳과 미세 땀이 발현되지 않은 피부 부위에서의 임피던스는 차이가 있을 것이다. 다만 그 양이 미세하여 확실한 차이를 보이지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고 건조한 피부와 미세 땀 성분이 갖는 수분에 의한 주파수에 따른 임피던스 차이가 확연히 나타나는 주파수 범위를 설정하고, 이러한 설정된 주파수에 따른 임피던스를 구하면 미세 땀이 발현된 위치를 찾을 수 있다. 이러한 미세땀이 발현된 위치가 리지 위인지 혹은 그 모양이 미세 땀의 모양이며 일반적인 사람의 미세 땀이 분포하는 것과 유사한지 등을 체크하여 생체인지 여부를 추가적으로 인식할 수 있다. 물론 본 발명의 미세 땀 인증은 종래 지문 인증과 함께 적용할 경우가 단독으로 사용하는 경우에 비해 더 정확하게 피인증자의 개인 식별 인증에 이용할 수 있는 이점이 있다. 또한 땀구멍의 위치를 개인인증의 특성치로 추가적으로 사용하고 미세 땀이 발현된 위치가 땀구멍의 위치와 일치하는지를 추가적으로 확인함으로서 본인인증을 강화할 수 있다. 결국 생체 인증에 사용할 수 있는 개인별 특성치가 늘어나므로 오인식률이 줄어들게 된다. 특히 최근에 카드 등과 같은 곳에 사용하는 지문인식 센서의 크기가 점점 작아지면서 개인인증 특성치 개수가 줄어들어 오인식률이 증가하는 문제를 완화할 수 있다. 다만, 지문인식 센서의 해상도가 좋아서 지문 등록 시 땀구멍의 위치를 확인하여 저장할 수 있어야한다.

도 1은 본 발명에 따른 생체 인증장치의 등가 회로도이다. 생체 인증장치는 구동부(200), 패널부(100), 센싱부(300), 제어부(510) 및 신호처리부(530)로 구성된다. 구동부(200)는 일정한 주기를 갖는 구형파(square wave) 전압을 패널부(100)에 인가하는 회로부이며, 패널부(100)는 임피던스에 관한 정보를 측정하기 위한 복수 개 전극(101, 103)을 구비하고, 복수 개 전극 상부에 사람의 손가락(측정하고자 하는 다른 신체부위도 물론 가능함)이 놓여지는 패널이다. 구동부(200)는 500Hz ~ 15,000Hz(주기로 변환하면, 0.067ms ~ 2ms 주기)에서 선택된 어느 하나의 주파수를 갖는 구형파 형태의 입력전압(Vi)을 1초 이내의 기간 동안(바람직하게는 0.1초 이내) 인가한다. 주파수가 15,000Hz보다 클 경우에는 주파수에 따라 측정된 생체의 임피던스 크기 및 위상이 선형적으로 변하지 않아 위조체와 혼동이 발생하는 경우가 있었다. 주파수가 700Hz보다 작을 경우에는 주파수에 따라 측정된 생체의 임피던스 크기 및 위상이 선형적으로 변하지 않아 위조체와 혼동이 발생하는 경우가 있었으나, 어떤 생체의 경우에는 700Hz보다 작은 500Hz(주기로는 2ms)까지도 선형적으로 변하는 특성을 보이는 것으로 보아 하한치는 700Hz보다 낮은 주파수를 사용할 수도 있을 것으로 보인다.

또한, 여기서, 1초 이내라는 시간은 임피던스를 측정하는 동안 제1전극(101)과 제2전극(103) 사이에 놓여지는 생체 부위가 움직이지 않을 정도의 짧은 시간을 의미하는 것이므로 1초보다 짧은 시간일수록 더 정확한 결과를 얻을 수 있으며, 바람직하게는 인체의 미세한 움직임 없이 측정할 수 있는 시간으로는 0.1초 이내가 좋았다.

도 1에서는 손가락을 캐패시터(Cr)와 저항(Rr)이 병렬로 연결된 등가회로(Z)로 표시하였다. 복수 개 전극(101, 103)은 제1전극(101)과 이와 전기적으로 절연상태를 유지하면서 이격되도록 설치되는 제2전극(103)으로 구성된다. 제1전극(101)에는 구동부(200)로부터 공급되는 구형파 전압이 부가 저항(Re)을 통해 공급된다. 제2전극(103)은 접지와 연결하였다. 제2전극(103)은 필요에 따라 작은 값의 저항을 통해서 접지라인과 연결되도록 구성하여도 무방하다. 부가 저항(Re)은 특별한 기능을 제공하는 소자는 아니며, 구동부(200)에서 갑자기 임펄스 전압이 제1전극(101)에 인가될 경우 생체 등가회로를 구성하는 캐패시터(Cr)에 순간적으로 많은 전류가 흘러 쇼트(short)가 되는 경우를 방지하기 위해 사용되는 저항으로 부가한 것이다.

센싱부(300)는 제1전극(101)과 전기적으로 연결되어 제1전극(101)에 인가되는 출력전압을 감지하고 측정전압최고치, 최저치와 도달시간을 측정하는 회로부이다. 측정전압최고치란 적어도 한 주기 이상동안 입력되는 구형파에 의해 제1전극(101)에서 측정되는 최고 전압값으로 정의되며, 측정전압최저치란 적어도 한 주기 이상동안 입력되는 구형파에 의해 제1전극(101)에서 측정되는 최저 전압값으로 정의된다. 도달시간이란 입력되는 구형파에 의해서 제1전극(101)에서 측정되는 전압이 측정전압최저치에서부터 측정전압폭(측정전압최고치와 측정전압최저치의 차)의 특정 범위(실험에서는 63%로 진행함)까지 도달하는 데까지 걸리는 시간을 의미한다. 따라서 본 발명에서 사용하는 도달시간(arriving time)은 일반적으로 회로에서 사용하는 시정수(time constant)보다 포괄적인 의미를 가짐을 정확히 이해하여야 한다. 도 2는 본 발명에 따른 센싱부의 일 실시예인 회로 블록도이다. 센싱부(300)는 AD 변환부(310), 최고최저전압검출부(320) 및 도달시간산출부(330)로 구성된다. AD 변환부(310)는 제1전극(101)에서 출력되는 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환 출력하는 회로부이다. 최고최저전압검출부(320)는 적어도 한 주기이상 AD 변환부(310)로부터 입력되는 디지털 전압의 최저치(측정전압최저치)와 최고치(측정전압최고치)를 검출하는 회로부이다. 도달시간산출부(330)는 AD 변환부(310)로부터 입력되는 시간에 따라 변하는 전압과 최고최저전압검출부(320)로부터 입력되는 측정전압최저치와 측정전압최고치를 이용하여, AD 변환부(310)로부터 입력되는 전압이 측정전압최저치로부터 "0.63*(측정전압최고치-측정전압최저치)"까지 도달하는데 까지 소요되는 시간인 도달시간(Tr)을 출력하는 회로부이다. 도 2에서 측정전압최고치(Vm)는 도달시간산출부(330)에서 출력되는 것으로 도시하였으나, 최고최저전압검출부(320)에서 출력되도록 구성할 수 있음은 물론이다.

제어부(510)는 적절한 타이밍에 따라 각 회로부를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 인가하는 회로부이며, 신호처리부(530)는 센싱부(300)로부터 입력되는 측정전압폭과 도달시간을 이용하여 생체 여부를 판별하는 회로부이다. 제어부(510)와 신호처리부(530)는 하나의 회로소자로 통합 구성하거나 여러 개 회로소자로 구성할 수 있음은 물론이다. 하나의 회로소자로 통합된 제어부(510) 및 신호처리부(530)를 편의상 '제어 및 신호처리부(500)'라 호칭하기로 한다.

도 3은 서로 다른 주기 T1과 T2를 가지며, 듀티비 50%을 갖는 구형파를 인가한 경우 각각 제1전극에서 측정되는 출력 전압 파형을 도시한 파형도이다. 도 3(a)에 제시된 구형파는 주기 T1이고 듀티비가 50%인 파로서, 제1전극에서 측정되는 전압(Vout)은 포화된 상태까지 도달하는 형태로 나타난다. 도 3(b)에 제시된 구형파는 주기 T2(T1>T2)이고 듀티비가 50%인 파로서, 제1전극에서 측정되는 전압(Vout)은 포화된 상태까지 도달하지 못하는 형태를 보임을 나타낸 것이다. 이를 도 4를 이용하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 도 4는 도 3(b)에 도시된 출력 파형 하나를 재 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이 측정전압최고치(Vm)는 입력되는 구형파에 반응하여 제1전극에서 측정되는 출력전압의 최고값으로 정의된다. 입력되는 구형파가 충분한 펄스폭(duration)을 가지고 있었다면 포화되는 최고값(Vfm)까지 전압이 상승할 것이나 짧은 펄스폭(duration)으로 인해 측정전압최고치(Vm)까지만 상승한 후 하강하는 형태를 보여준다. 본 발명은 제1전극에서 측정되는 전압이 포화 상태까지 도달하는 펄스폭을 갖는 구형파를 적용하거나 또는 포화 상태까지 도달하지 않는 상태를 갖는 구형파를 적용하여 구현할 수도 있다. 즉, 본 발명은 기지의 주기와 듀티비를 갖는 구형파를 인가하여 측정전압폭과 도달시간을 측정하여 생체 인증에 이용하는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 생체 인증장치의 구성도이다. 도 5는 패널부(100)에 두 개의 제1전극(101a, 101b)과 하나의 제2전극(103)이 구비된 예를 도시한 것으로서, 패널부(100)에는 제1전극과 제2전극이 n:1(여기서 n은 1보다 큰 자연수)의 구성비로 형성될 수 있음을 보여준다. 각각의 제1전극(101a, 101b)에는 구형파 입력전압(Vi)이 부가 저항(Re)을 통해 인가되며, 제2전극(103)은 접지 상태로 연결된다. 이하, 제1전극(101a) 및 제1전극(101b)은 특별히 구분하여 설명할 필요가 없을 경우에는 설명의 편의상 통칭하여 제1전극(101)으로 호칭하기로 한다.

도 6은 도 5에 제시된 생체 인증장치의 패널부에 손가락이 놓여진 경우의 등가회로도이다. 손가락은 참조기호 600으로 표시하였다. 구동부(200)를 통해 단일 주파수를 갖는 구형파 입력전압이 제1전극(101a, 101b)에 각각 인가되고, 제1전극(101a, 101b)과 제2전극(103) 사이에 놓여지는 사람 손가락에 의해 형성되는 임피던스(Z1, Z2)에 의해 제1전극(101a, 101b)에 인가되는 전압은 서로 다른 형상을 보이면서 상승하게 된다.

패널부에 구비되는 전극은 다양한 형상으로 구현할 수 있으며, 반드시 제1전극(101)과 제2전극(103)을 동일한 개수로 매칭되도록 구현할 필요도 없다. 도 7은 패널부(100)를 사각형상을 갖는 제1전극(101)과 제2전극(103)으로 구성하고, 제1전극(101)의 수를 제2전극(103)보다 더 많은 갯수로 구현한 패널부(100)를 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 생체 인증장치의 구성도이다.

또한, 필요에 따라 패널부를 구성함에 있어서 대부분의 전극을 종래 지문을 센싱하기 위한 정전용량전극(기타 다른 방식으로 지문을 센싱할 수 있는 전극도 무방함)으로 구성하고, 일부 영역만 임피던스를 측정하기 위한 전극으로 구성하여도 무방하다. 도 8은 대부분의 전극을 지문감지를 위한 전극으로 구성하고 일부만 임피던스 센싱하기 위한 전극으로 구성되는 패널부를 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 생체 인증장치의 구성도이다. 패널부(100) 대부분 영역에는 지문을 센싱하기 위한 지문감지전극(105)을 구비하고, 일부 영역에만 제1전극(101) 및 제2전극(103)을 구비한 예이다. 도 8의 경우에는 구동부(210)가 도 1에 제시된 구동부를 변형해서 500Hz(바람직하게는 700Hz) ~ 15,000Hz를 갖는 단일 주파수(주기로 환산 가능)를 갖는 구형파 형태의 구동전압을 제공함과 더불어 지문을 센싱하기 위한 구동전압을 제공할 수 있는 기능이 추가되도록 변경되어야 하며, 센싱부(310)의 경우도 측정전압폭과 도달시간뿐만 아니라 지문인식을 위한 물리적, 화학적 또는 전기적 출력값을 측정할 수 있도록 변경되어야 한다.

전술한 바와 같이 생체 여부를 인증하기 위한 임피던스에 대한 정보를 측정하기 위해서 구동부(200)는 대략 0.067ms 이상의 주기(15,000Hz 이하의 주파수에 대응됨)를 갖는 파형을 인가하여야 하며, 지문 감지에 이용하기 위해서는 수 ~ 수십 MHz의 고주파를 인가하여야 한다. 이에 따라 생체 인증과 더불어 지문 인증을 수행하고자 할 경우, 제어 및 신호처리부(550)의 경우 센싱부(310)의 출력값을 입력받은 후, 측정전압폭과 도달시간을 이용하여 생체 인증을 위한 다양한 처리를 수행함과 더불어 지문 특성치를 이용한 지문 인증도 함께 수행하도록 변경되어야 한다.

본원 발명자는 다양한 형태의 전극을 이용하여 생체 지문 및 위조 지문에 의해 형성되는 임피던스에 관한 정보를 측정하였다. 전극의 형태는 도 9에 도시된 바와 같이 세 가지 형상의 전극으로 실험하였다. 도 9는 본 발명에 따른 실험에 사용된 전극 형상의 평면도이다. 도 9(a)는 제1전극과 제2전극을 인터리브 상태로 맞물리는 전극 형상으로 구현한 것이며, 도 9(b)는 원형의 홈 버튼을 갖는 전극형상으로 구현한 것이며, 도 9(c)는 타원의 홈 버튼을 갖는 전극형상으로 구현한 것이다.

도 9(a)에 제시된 전극에서는 제1전극과 제2전극이 겹쳐지는 길이(l)는 1,5mm로 고정되도록 형성하고, 전극의 폭(w)과 제1전극(101)과 제2전극(103) 사이의 간격(s)을 임의로 변경하면서 실험을 진행하였다. 도 9(b)에 제시된 전극에서는 r1은 1.1mm로 고정하고, 전극의 폭(w)도 0.5mm 고정 형성한 상태에서 제1전극(101)과 제2전극(103) 사이의 간격(s)을 임의로 변경하면서 실험을 진행하였다. 도 9(c)에 제시된 전극에서는 r1은 0.5cm, 제1전극 타원의 장방향의 길이(l)는 1cm, 전극 폭(w)은 0.5mm로 고정 형성한 상태에서 제1전극(101)과 제2전극(103) 사이 간격(s)을 임의로 변경하면서 실험하였다. 다양한 실험 결과 도 9(a), 도 9(b) 및 도 9(c)에 제시된 다양한 변형의 전극 구조에서 전극 구조와 무관하게 생체 지문 및 위조 지문에 의해 측정되는 도달시간과 측정전압폭(일부 실험에서는 측정전압최저치를 '0'으로 매핑하였기 때문에 측정전압최고치가 측정전압폭으로 표현됨을유의하여야 한다)은 유사한 패턴을 보임을 확인하였다. 즉, 전극의 형태와 무관하게 본 발명을 적용하여 생체 인증을 할 수 있음을 파악하였다. 다만, 해당 실험 결과는 본 발명의 주요 특징은 아니므로 이에 대한 실험 결과는 제시하지 않는 것으로 한다.

임피던스는 위상과 크기를 가지므로 이를 정확하게 측정하기 위해서는 주파수별 임피던스 응답의 위상과 크기를 모두 측정하여야 한다. 물론 종래에도 임피던스의 위상과 크기를 측정하기 위한 다양한 회로가 제시되어 있다. 예를 들어, 비특허문헌 1의 도 3에 제시된 바와 같이 피크 검출기(peak detector)를 이용하여 임피던스의 크기를 측정하고, 입력되는 정현파와 출력되는 정현파를 곱한 후 저역통과필터(low pass filter)를 이용하여 임피던스의 위상을 측정할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 지금까지 알려진 회로는 스마트폰과 같은 소형 기기에 구현하는 것은 회로 부피와 복잡한 측정 방식으로 인해 상업화하는 데 어려움이 있었다. 본원 발명자는 생체 인증의 경우 일정한 파장 범위에서 임피던스의 위상은 응답 전압의 도달시간과 선형적으로 비례하는 관계에 있음을 파악하였고, 임피던스의 크기는 응답 전압의 측정전압폭과 연관된 값임을 파악하였다. 따라서 임피던스의 위상과 크기를 측정하는 대신 측정전압폭과 도달시간을 측정하여 생체 인증을 수행하는 방식 및 장치를 제시하였다.

도 1에 도시된 생체 등가회로를 근사화하여, 입력되는 구형파 사이에 저항(Rr)과 캐패시터(Cr)를 직렬로 구성하고, 캐패시터(Cr) 양단자를 출력단자로 하는 간략화된 회로를 수학적으로 해석하면, 생체 모델의 크기와 위상은 각각 수학식 1 및 수학식 2로 구할 수 있다.

수학식 2에 표시된 바와 같이 임피던스 위상(φ)은 주파수에 비례하고 있음을 알 수 있으며, ω=2πf의 관계에 있으므로, 시정수를 구한 후 수학식 2에 대입하면 위상(φ)을 구할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 일정한 주기 내(100Hz ~ 10,000Hz)에서 도 1에 제시된 회로에 구형파를 인가한 후 도달시간으로부터 수학식 2를 이용하여 산출된 위상값과 도 1에 제시된 회로에 정현파를 인가한 후 정밀한 위상 측정장치(LabView) 통해 측정된 위상값이 클레이로 제조된 지문과 생체 지문에서 각각 유사한 차이를 보임을 확인할 수 있었다.

표 1에서 지문 구분은 생체 지문(Real)과 클레이로 제조된 위조지문(Clay)을 구분한 것이며, 주파수는 인가된 구형파 또는 정현파의 주파수를 표시하며, 측정전압최저치 및 측정전압최고치는 도 1에 구비된 등가회로에 생체 지문 또는 위조 지문을 올려놓은 상태에서 해당 주파수의 구형파를 부가 저항(Re)에 인가한 후 제1전극에서 측정된 전압의 최저치와 최고치를 각각 나타낸 것이며, 도달시간은 측정전압최저치에서 측정전압폭의 63%까지 도달하는데 걸린 측정 시간을 나타내며, 계산된 위상은 도달시간을 수학식 2에 주입하여 계산된 위상을 각도(degree)로 나타낸 것이며, 측정된 위상은 임피던스 측정회로에 해당 주파수의 정현파를 인가하고 LabView를 이용하여 측정한 위상을 각도(degree)로 나타낸 것이다.

그러므로 측정된 위상은 정상적인 임피던스 측정회로에 따른 정확한 값을 표시하며 계산된 위상은 본 발명에서 제시한 구형파를 가하여 간략하게 구한 위상을 나타낸다. 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 계산된 위상이 측정된 위상과 상당부분 유사한 것을 볼 수 있다. 측정전압최저치와 측정전압최고치는 충전/방전에 따라서 다양한 값을 가질 수 있는데 표 1에서는 측정전압폭을 쉽게 유추하게 하기 위하여 측정전압 최저치를 0으로 했을 때 계산된 측정전압최고치로 표시하였다. 표 1에서 계산된 위상은 도달시간을 시정수(τ)로 간주하여 "arctan(2*π*주파수*도달시간)"으로 라디안(radian) 값을 구하고 이를 도(degree)로 환산한 값이다. 시정수(τ=RC)를 이용해 수학식 2와 같이 위상을 구할 수 있다. 다만 도달시간이 시정수와 같지 않기 때문에 정확한 위상을 구하는 것은 아니다.

이러한 오차가 있음에도 불구하고 표 1은 도달시간의 측정을 통해서 계산된 위상이 생체 지문과 위조 지문에서 서로 상이하게 나타나기 때문에 생체지문과 위조지문을 구분 시 근사적인 위상값으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

본원 발명자는 도 1에 제시된 본 발명에 따른 생체 인증장치에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하고, 제1전극에서 측정되는 측정전압폭 및 도달시간(Tr)을 측정하면 생체 지문과 위조 지문을 구분할 수 있음을 파악하였다. 단, 전술한 바와 같이 대부분의 실험에서는 측정전압최저치를 '0'으로 매핑하였기에 측정전압폭은 측정전압최고치로 표현됨을 유의하기 바란다. 이를 도 1에 제시된 생체 인증장치를 이용하여 본 발명에서 제시하는 인증 절차를 간략하게 설명하기로 한다.

구동부(200)는 주기 T1을 가지며 듀티비가 50%인 구형파를 부가 저항(Re)에 인가한다(제1단계). 물론 주기나 듀티비는 다른 값을 이용하여도 무방하다. 구동부(200)로부터 인가되는 구형파를 몇 주기 동안 부가 저항(Re)을 통하여 제1전극(101)에 인가하고, 안정화된 이후에 센싱부(300)에서 이를 측정하여 최저값(Vmin, 측정전압최저치)과 최고값(Vm, 측정전압최고치)을 구한다(제2단계). 제2단계에서 구한 값으로부터 측정전압최고치와 측정전압최저치의 차(Vm-Vmin)를 구한다(제3단계). 다음 주기에 인가되는 구형파에 의해 제1전극(101)에서 측정되는 전압이 Vmin에서부터 0.63*(Vm-Vmin)까지 도달하는 데까지 걸리는 시간(도달시간)을 측정한다(제4단계). 측정전압최고치 및 도달시간을 이용하여 측정된 두 개의 데이터가 생체에서 측정되는 데이터 범위 내에 있는지 여부를 판별하여 생체 여부를 판별한다(제5단계). 실제로는 1단계 이후에 바로 2단계를 수행하지 않고 측정전압이 안정화된 이후에 2단계를 수행하게 된다.

여기서 안정화된 상태란 적어도 이웃하는 2주기 동안 상기 제1전극에 인가되는 구형파에 의해서 상기 제1전극에서 검출되는 상기 측정전압최고값과 상기 측정전압최저값이 일정하게 유지되는 상태를 의미한다. 실제 측정에서는 제2단계에서 측정전압최고치와 측정전압최저치를 측정하기 이전에 회로를 안정화시키는 단계가 필요하다. 초기에는 연속적으로 인가되는 구형파에 의해서 손가락에 의해 형성되는 캐패시터(손가락 등가모델의 캐패시터)에 충전되는 전압값이 일정한 최저값과 최대값 사이에서만 변동되며 이를 과도기 단계라 한다. 도 1에 제시된 제1전극과 제2전극 사이에 손가락을 위치시키고, 일정한 주기를 갖는 구형파를 지속적으로 인가하며, 안정화가 되기 전(즉, 과도기 상태)에는 제1전극에서 측정되는 전압의 최저값과 최고값이 서서히 증가하는 특성을 보이다가 안정화 이후에는 제1전극에서 측정되는 전압의 최저값과 최고값이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

회로를 충분히 안정화시키기 위해서는 적어도 복수 개 주기 동안 구형파를 부가 저항(Re)에 인가하여야 한다. 이러한 회로 안정화 단계이전에는 구형파를 인가할수록 측정 전압이 상승하는 현상을 보여준다. 또한, 제2단계의 경우도 단일 주기 동안 구형파를 인가한 후 한 번의 측정으로 실시하면 측정값이 정확하지 않을 수 있기 때문에 복수 개 주기 동안 구형파를 인가하고 각 주기 동안 측정된 측정전압최저치와 측정전압최고치의 평균값을 사용하였다. 유사한 이유로 제4단계에서 도달시간을 측정할 경우에도 복수 개 주기동안 구형파를 인가하고 각 주기 동안 도달시간의 평균값을 사용하였다.

도 10은 도 1에 제시된 회로에서 부가 저항(Re)에 인가되는 구형파의 일 례이다. 도 10에서 (a)는 회로가 안정화 단계까지 도달하는 과도기 상태를 나타내며, (b)는 측정전압최저치와 측정전압최고치를 측정하는 단계를 나타내며, (c)는 도달시간을 측정하는 단계를 도시한 것이며, 점선으로 표현된 파형이 입력되는 구형파를 도시한 것이다. (b)에 표시된 원 내부의 부분 확대도를 아래에 별도 표시하였으며, 점선으로 표현된 파형은 입력 구형파를 나타내며, 실선으로 표현된 파형이 출력파형을 도시한 것이다. (a) 단계(과도기 단계)에서는 n1 주기만큼의 구형파가 인가되며, 해당 단계에서는 출력파형의 전압이 점점 상승하여 궁극적으로 안정화 단계에 도달함을 알 수 있다. (b) 단계(측정전압최저치와 측정전압최고치를 측정하는 단계)와 (c) 단계(도달시간 측정 단계)에서는 각각 n2 및 n3 주기 동안 구형파를 인가하였다. (b) 단계와 (c) 단계에서는 매 주기마다 동일한 출력 특성을 보이면서 출력이 안정됨을 알 수 있다. (b)의 부분 확대도에서는 측정전압최저치(Vmin)와 측정전압최대치(Vm)를 확인할 수 있다. 즉, 동일한 주기의 구형파를 반복적으로 인가할 때 안정화된 최저치와 최대치 특성을 보일 때 이를 각각 측정전압최저치(Vmin)와 측정전압최대치(Vm)로 정의함을 알 수 있다. 표 1의 실험에서는 0.1초 동안 n1, n2 및 n3 를 동일하게 10개씩으로 설정하고 진행하였으며, 전체적으로는 0.1초 동안 30개의 구형파를 인가하였으므로 인가된 구형파의 주기는 300hz라 할 수 있다.

도 11은 tan^-1 그래프와 원점에서의 접선을 함께 도시한 것이다. 붉은 색이 tan^-1 그래프를 나타내며, 원점을 지나는 검은 색 직선이 원점에서의 접선을 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이 그래프는 "0 <= x <= 1" 사이에서는 거의 접선과 일치되면서 선형적으로 변화됨을 알 수 있다. 따라서 "0 <= x <= 1" 구간에서는 tan^-1 를 일차원 함수를 이용하여 선형적으로 근사화시킬 수 있음을 알 수 있다.

본원 발명자의 실험에 의하면 표 1의 실험에서 0.1초 동안 30개의 구형파를 인가해도 어느 정도 안정된 결과를 얻을 수 있었으나 실제 사용상 발생할 수 있는 불안정한 환경 등을 감안하면 0.1초 동안 적어도 50개의 구형파를 인가하는 것이 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있었다. 여기서 0.1초는 도 1에 제시된 두 개의 전극 사이에 생체의 특정 부위를 고정시킨 상태에서 신체의 움직임 없이 단일 주파수를 갖는 구형파에 의한 안정된 출력전압 특성(측정전압폭과 도달시간)을 측정할 수 있는 바람직한 시간을 의미하는 것이다. 또한, 50개의 구형파는 도 10에 제시된 (a), (b), (c) 단계에서 적절하게 배분하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 10(a)의 과도기 단계에서는 20개 구형파를 적용하고, 도 10(b) 단계에서는 15개의 구형파를 적용하고, 나머지 구형파를 도 10(c) 단계에서 사용하는 경우를 의미한다. 이 경우, 인가되는 구형파의 주기는 500Hz로 계산된다.

도 11에 제시된 바와 같이 tan^- ¹ 의 값은 인자가 "1"일때까지 선형적으로 변함을 알 수 있으며, 1보다 크게 되면 지금까지 본원 발명에서 설명한 선형적으로 근사하는 방법에 의해 측정되는 위상값과 정확한 실험 장비로 측정되는 실제 위상값에 차이가 발생하여 지금까지 설명한 이론 및 실험을 적용할 수 없게 된다. 수학식 2를 참조하면 수학식 3과 같은 관계를 유도할 수 있다.

생체 손가락의 대표적인 정전용량(Cr)은 10㎋이며, 대표적인 저항(Rr)은 1㏀이며, 이를 대입하여 f값을 풀어보면, "f=1/(2*3.14*1000*10*10^-9)"으로 약 15,000Hz 정도의 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 본원발명에서는 구형파의 주파수로는 500Hz ~ 15,000Hz 를 이용할 수 있으며, 이를 주기로 환산하면 0.067ms ~ 2.0ms임을 알 수 있다.

도 12 내지 도 14는 듀티비 50%, 최대전압 3.3V이며, 주파수가 각각 1,000Hz(주기 1ms), 5,000Hz(주기 0.2ms) 및 10,000Hz(주기 0.1ms)으로 상이한 구형파를 도 1에 제시된 생체 인증장치에 인가하고, 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 유도된 계산된 위상값을 나타낸 그래프이다. 본 발명에서는 전술한 바와 같이 아교(glue), 젤라틴, 실리콘, 및 클레이로 제조된 위조 지문에 대해서 생체 지문과 유사한 특성을 보이는지 여부에 대해서 다양한 주파수에서 수많은 실험을 진행하였으며, 그 중에서 클레이로 제조된 위조 지문이 생체 지문과 가장 유사한 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 도 12 내지 도 14에 제시된 실험에서는 제1전극(101)과 제2전극(103) 사이에 생체 지문과 클레이로 제작한 위조 지문을 위치시킨 상태에서 출력전압을 측정하였다. 측정은 재료별로 100회씩 진행하였다. 클레이(clay)로 제조한 지문은 최초 제조 당시에는 많이 수분이 포함되어 있으나 시간이 경과함에 따라 수분이 증발하면서 딱딱한 건조 상태로 변하게 되므로 저항값과 캐패시터값이 시간에 따라 변하는 특성을 가지게 된다. 도 12 내지 도 14에서는 클레이 지문을 건조 상태에서 총 4단계로 구분하여 실험하였다. 노란색으로 표시된 클레이는 수분이 가장 많이 함유된 상태로써 클레이로 처음 만들어진 상태의 위조 지문이며, 오랜지색으로 표시된 "Dried Clay3"는 가장 오랜 시간 동안 건조된 상태의 클레이 지문을 표시하는 것이다. 즉, 건조가 진행된 순서로 나열하면, "Clay, Dried Clay1, Dried Clay2, Dried Clay3" 순으로 표시되며, "Clay"가 가장 건조가 진행되지 않은 상태이며, "Dried Clay3"가 가장 오랜 시간 건조된 상태의 위조 지문이다. 또한, 도 12 내지 도 14의 그래프에서 가로축은 위상을 나타내며, 세로축은 제1전극에서 감지되는 (측정전압최고치 - 측정전압최저치)를 나타낸 것이다. 세로축은 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 (측정전압최고치 - 측정전압최저치)를 12비트의 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 이용하여 "0~4,095" 사이의 숫자로변환하여 표시하였음을 유의하기 바란다. 또한, 도 12 내지 도 16에 도시된 그래프에서는 측정전압최저치를 '0'값으로 매핑하였기 때문에 그래프에서 표시되는 측정전압최고치는 본 발명에서 의미하는 측정전압폭과 동일한 값으로 표시됨을 유의하기 바란다.

도 12는 도 1에 제시된 생체 인증장치에 1,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 그래프이다. 붉은색으로 표시된 생체 지문은 위상값으로는 -7°~ -11°사이와 측정전압최고치로는 3,300~3,600 (실제 전압값으로 2.66V ~ 2.90V) 사이에 표시되므로 다른 위조지문과 구별할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어 노란색의 "Clay"는 위상값이 -68°~ -3°사이에 넓게 분포되고, 측정전압최고치는 100 ~ 350 정도의 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서 측정전압최고치만을 비교하면 "Clay"로 제조된 위조 지문과 생체 지문을 구분할 수 있음을 알 수 있다. 파란색의 "Dried Clay1"의 경우는 위상값 -21°~ -3°사이와, 측정전압최고치는 1,100 ~ 3,900까지 분포되므로 일견 생체 지문과 구분되지 않는 것으로 보일 수 있으나, -7°~ -11°을 갖는 "Dried Clay1"의 경우 측정전압최고치가 2,000 이하에서 형성되므로 생체 지문과 확연히 구분할 수 있음을 알 수 있다. 분홍색의 "Dried Clay2" 및 연두색의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -3°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.

도 13은 도 1에 제시된 생체 인증장치에 5,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 그래프이다. 붉은색으로 표시된 생체 지문은 위상값으로는 -39°~-31°사이와 측정전압최고치로는 2,800~3,300 (실제 전압값으로 2.26V ~ 2.66V) 사이에 표시되므로 다른 위조 지문과 구별할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어 노란색의 "Clay"는 측정전압최고치는 100 ~ 250 정도의 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서 측정전압최고치만을 비교하면 "Clay"로 제조된 위조 지문과 생체 지문을 구분할 수 있음을 알 수 있다. 파란색의 "Dried Clay1"의 경우는 위상값 -37°~ -11°사이와, 측정전압최고치는 800 ~ 3,800까지 분포되므로 일견 생체 지문과 구분되지 않는 것으로 보일 수 있으나, -39°~ -31°을 갖는 "Dried Clay1"의 경우 측정전압최고치가 2,500 이하에서 형성되므로 생체 지문과 확연히 구분할 수 있음을 알 수 있다. 분홍색의 "Dried Clay2" 및 연두색의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -14°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.

도 14는 도 1에 제시된 생체 인증장치에 10,000Hz 주기를 가지며 듀티비 50%이며, 최대 전압 3.3V를 갖는 구형파를 인가한 경우 시간에 따라 제1전극에서 검출되는 측정전압최고치와 위상을 나타낸 그래프이다. 붉은색으로 표시된 생체 지문은 위상값으로는 -52°~ -42°사이와 측정전압최고치로는 1,900~2,700(실제 전압값으로 1.53V ~ 2.18V) 사이에 표시되므로 다른 위조지문과 구별할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어 노란색의 "Clay"는 측정전압최고치는 100 ~ 200 정도의 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서 측정전압최고치만을 비교하면 "Clay"로 제조된 위조지문과 생체지문을 구분할 수 있음을 알 수 있다. 파란색의 "Dried Clay1"의 경우는 위상값 -43°~ -17°사이와, 측정전압최고치는 700 ~ 3,800까지 분포되므로 일견 생체 지문과 구분되지 않는 것으로 보일 수 있으나, -52°~ -42°을 갖는 "Dried Clay1"의 경우 측정전압최고치가 800 이하에서 형성되므로 생체 지문과 확연히 구분할 수 있음을 알 수 있다. 분홍색의 "Dried Clay2" 및 연두색의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -27°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.

도 15는 도 12, 도 13 및 도 14의 실험 결과를 3차원 그래프 상에 한꺼번에 도시한 그래프이다. 어느 주파수에서도 붉은색으로 표시된 생체 지문의 경우 위상과 측정전압최고치를 이용하면 위조 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다. x축은 0°~ -70°사이의 위상을 10°단위로 표시하였으며, y축은 1,000Hz ~ 10,000Hz 사이의 위상을 100Hz 단위로 표시하였으며, z축은 0 ~ 4,000(실제 전압상으로 0V ~ 3.22V) 사이의 측정전압최고치를 500 단위로 표시한 것이다. 또한, 도 12 내지 도 15에서는 도달시간(Tr)을 표시하는 대신에 위상값을 도시하였다. 실제 실험에서는 위상값을 측정한 것이 아니라 도달시간(Tr)을 측정한 것이며, 이를 위상으로 변환하여 도시한 것이다. 따라서 도 12 내지 도 15의 그래프는 생체 지문과 위조 지문의 도달시간(Tr)과 측정전압폭만을 파악할 수 있다면 앙자의 구분이 가능함을 보여준다.

전술한 바와 같이 클레이로 제작된 위조 지문은 제작된 이후부터 시간이 경과됨에 따라 수분 함유량이 달라지므로 캐패시터값과 저항값이 시간에 따라 변하게 된다. 좀더 정확하게 클레이로 제작된 위조 지문은 시간이 지남에 따라 캐패시터는 작아지고, 저항은 커지는 특성을 갖게 된다. 도 12 내지 도 14에 제시된 클레이로 제작된 지문은 총 4단계의 건조 상태를 대상으로 실험을 진행하였다. 본원 발명자는 실험에 제시되지 않은 건조 상태의 클레이 위조 지문이 그래프 상에서 생체와 동일한 지점으로 측정되는 경우가 발생될 수도 있지 않을까 하는 생각을 하게 되었다.

이러한 경우가 발생할 수 있는지 여부에 대해서 도 16을 이용하여 추론해 보기로 한다. 도 16은 도 12의 상태를 그룹화하여 나타낸 그래프이다. ⓡ은 생체 지문의 측정 데이터가 위치하는 곳이며, ①, ②, ③ 및 ④는 클레이 위조 지문이 건조상태에 따라 위치되는 지점을 표시한 것이다. 즉, 클레이 위조 지문은 시간이 지남에 따라 ①→②→③→④ 순으로 건조되면서, 캐패시터값은 작아지고 저항값은 크지는 특성을 보이면서 그래프 상의 측정 위치가 변함을 알 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이 클레이 위조 지문의 경우 건조도에 따라 ①→②→③→④ 순으로 위치를 옮겨가지만 생체 지문이 위치하는 ⓡ 영역과는 확연히 구분할 수 있는 영역에만 위치하는 것을 알 수 있다. 도 16로 추론할 수 있는 내용은 클레이 위조 지문은 건조 상태가 변하더라도 생체 지문과 동일한 범위의 측정전압최고치(이 경우에는 측정전압폭을 표시함)와 도달시간을 갖는 경우는 없다는 것이다.

시간이 지남에 따라 클레이 지문의 특성 변화에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 17은 생체 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값과 클레이 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값의 시간에 따른 변화를 도시한 것이다. 편의상 생체 지문에서 측정한 저항값과 캐패시터값은 변하지 않는 상수로 취급하였으며, 실질적으로 동일한 생체의 경우 거의 일정하므로 타당성이 있는 가설이다. Cr은 생체에서 측정한 캐패시터값, Rr은 생체에서 측정한 저항값, Cc(t)는 클레이 위조 지문에서 측정한 시간에 따라 변하는 캐패시터값 및 Rc(t)는 클레이 위조 지문에서 측정한 시간에 따라 변하는 저항값을 나타낸다. 도 17에서 세로축은 생체 지문에서 측정한 저항값(Rr) 및 클레이 지문에서 측정한 저항값( Rc(t) )의 상대적인 변화와 생체 지문에서 측정한 캐패시터값(Cr)과 클레이 지문에서 측정한 캐패시터값( Cc(t) )의 상대적인 변화를 나타내기 위한 축이다.

수학식 2에 따르면 위상은 -arctan( 2πfRc(t)Cc(t) )의 관계식을 만족하므로 수학식 4와 같은 경우가 발생된다. 즉, 특정 주파수(또는 위상)에서 생체 지문에 의한 캐패시터와 저항의 곱은 시간에 따라 변하는 클레이 위조 지문의 캐패시터와 저항의 곱이 동일한 값을 갖는 경우가 발생된다.

도 12의 그래프에서 위상이 -10°에서 이러한 현상이 나타난다. 위상이 동일하게 유지되는 구간(도 17의 ① 지점)에서는 도 17로부터 파악할 수 있는 바와 같이 수학식 5와 같은 관계가 형성되므로 결국 측정전압폭은 수학식 6의 관계를 만족하여 상호 구분이 가능한 것이다. 이를 도 1에서 설명하면 측정전압폭은 전압이 가해진 후 일정시간이 지나서 전압상승이 거의 없는 상황으로 다시 말하면 Cr 커패시터에 충전이 충분히 된 상황으로 볼 수 있으며 이 경우 Cr은 전류가 흐르지 않는 오픈회로로 볼 수 있으며 그러므로 도 1에서 참조기호 '101'에서의 전압은 Rr/(Re+Rr)로 분배된다. 그러므로 등가회로 저항이 작으면 측정전압폭도 작게 된다. 이러한 현상은 도 12 내지 도 14의 그래프로부터 확인할 수 있다.

도 17에 도시된 바와 같이 특정 시각에 클레이 지문에서 측정한 저항값(Rc(t))과 생체 지문에서 측정한 저항값(Rr)이 일치하는 지점(② 지점)이 발생된다. 그러므로 클레이 지문에서 측정한 측정전압최고치와 생체 지문에서 측정한 측정전압폭이 동일한 지점이 발생하게 된다. 도 12의 그래프에서 측정전압폭이 3,300~3,600(실제 전압값으로 2.66V ~ 2.90V)의 범위를 갖는 경우가 이에 해당한다. 그런데 이 경우에는 도 17에 도시된 바와 같이 수학식 7의 관계를 만족하므로 해당 구간에서 위상이 수학식 8을 만족하는 특성을 보이므로 상호 구분이 가능한 것이다. 이러한 현상은 도 12 내지 도 14의 그래프로부터 확인 가능하다.

본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

100: 패널부 101, 101a, 101b: 제1전극
103: 제2전극 105: 지문감지전극
200: 구동부 300: 센싱부
310: AD 변환부 320: 최고최저전압검출부
330: 도달시간산출부 510: 제어부
530: 신호처리부 550: 제어 및 신호처리부

Claims

생체 특정 부위의 임피던스를 이용하여 생체 여부를 인증하는 생체 인증장치에 있어서,
제1전극과,
상기 제1전극과 전기적으로 절연 상태를 유지하면서 이격 설치되는 제2전극과,
상기 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하는 구동부와,
상기 제1전극에서 측정되는 전압이 안정화된 상태에서 상기 제1전극에서 검출된 전압의 최고치인 측정전압최고치와 검출된 전압이 최저치인 측정전압최저값을 검출하고, 상기 검출된 전압이 상기 측정전압최저값에서 상기 측정전압최고치와 상기 측정전압최저치의 차로 구해지는 측정전압폭의 특정 범위까지 도달하는 데까지 소요되는 시간인 도달시간을 출력하는 센싱부 및
상기 센싱부로부터 입력되는 상기 측정전압폭 및 상기 도달시간을 이용하여 생체 여부를 판별하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제1항에 있어서,
상기 안정화된 상태란 적어도 이웃하는 2주기 동안 상기 제1전극에 인가되는 구형파에 의해서 상기 제1전극에서 검출되는 상기 측정전압최고값과 상기 측정전압최저값이 일정하게 유지되는 상태를 의미하는 것을 특징으로 하는 생체 인증 장치.
제2항에 있어서,
일 단은 상기 구동부와 연결되고, 타 단은 상기 제1전극과 연결되는 부가 저항(Re)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2전극은 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제4항에 있어서,
상기 구형파의 듀레이션은 상기 제1전극에서 측정되는 전압이 포화상태에 도달하기 전의 값으로 구비되는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제4항에 있어서,
상기 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제6항에 있어서,
상기 단일 주기는 0.067ms ~ 1.42ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센싱부는 상기 제1전극으로부터 입력되는 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환하는 AD 변환부와,
적어도 한 주기 이상동안 상기 AD 변환부로부터 입력되는 전압을 이용하여 상기 측정전압최저치와 상기 측정전압최고치를 검출하는 최고최저전압검출부 및
상기 AD 변환부로부터 입력되는 시간에 따라 변하는 전압과 상기 최고최저전압검출부로부터 입력되는 측정전압최저치와 측정전압최고치를 이용하여, 상기 도달시간(Tr)을 산출하는 도달시간산출부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
제1전극과 제2전극 상에 놓여지는 물체가 생체 인지 여부를 판별하는 생체 인증방법에 있어서,
단일 주기를 갖는 구형파를 상기 제1전극에 인가하는 제1단계 및
상기 제1전극에서 측정되는 전압이 최저치(측정전압최저치)에서 측정되는 전압의 최고치(측정전압최고치)의 일정한 범위까지 도달하는 데까지 소요되는 시간인 도달시간을 산출하는 제3단계를 포함하는 생체 인증방법.
제9항에 있어서,
상기 제1단계와 상기 제3단계 사이에 수행되는 단계로서,
상기 제1전극에서 측정되는 전압이 안정화된 상태에서 상기 측정전압최고치와 상기 측정전압최저치를 구하는 제2단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제10항에 있어서,
상기 제3단계 이후에 수행되는 단계로서,
상기 측정전압최고치와 상기 측정전압최저치의 차인 측정전압폭과 상기 도달시간을 이용하여 생체인지 여부를 인증하는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제11항에 있어서,
상기 안정화된 상태란 적어도 이웃하는 2주기 동안 상기 제1전극에 인가되는 구형파에 의해서 상기 제1전극에서 검출되는 상기 측정전압최고값과 상기 측정전압최저값이 일정하게 유지되는 상태를 의미하는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 제1단계가 부가 저항(Re)를 통하여 상기 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제13항에 있어서,
상기 제2전극은 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제14항에 있어서,
상기 구형파의 듀레이션은 상기 제1전극에서 측정되는 전압이 포화상태에 도달하기 전의 값으로 구비되는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제9항 또는 제14항에 있어서,
상기 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
제16항에 있어서,
상기 단일 주기는 0.067ms ~ 1.42ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.