TARIFNAME BIR FIZIKSEL OLARAK KLONLANAMAYAN FONKSIYON OLUSTURMA SISTEMI VE YÖNTEMI Teknik Alan Bu bulus, fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyon olusturma sistemi ve yöntemi ile ilgilidir. Bulusun Öncesi Günümüzde ürün sahteciliginin önlenmesi için en sik basvurulan yol ürünler üzerine bir güvenlik etiketi yerlestirilmesidir. Güvenlik etiketleri çogunlukla deterministik islemler ile farkli nanomalzemelerin geometrik sekillerde veya barkod formunda bir desen olusturulmasi temeline dayanmaktadir. Güvenlik etiketleri dogalari itibari ile taklit edilmeye müsaittir. Nanoteknoloj inin gelisimi ile beraber nanomalzeineler kolay üretilebilir hale gelmis ve nanomalzemelerin sahtelerinin üretilebilmesi de ayni ölçüde kolaylasmistir. Çesitli baski tekniklerini esas alan güvenlik etiketleri ise artik görevini yerine getiremeyecek seviyelerde korsan üreticiler tarafindan taklit edilebilmektedir. Bahsedilen problemin çözümüne yönelik çesitli çalismalar yapilmis ve 2000'li yillarin basinda matematiksel olarak tek yönlü fonksiyonlardan esinlenilerek fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyonlar (FKF) (FKF: physically unelonable functions) gelistirilmistir. FKF olusumu sirasinda benzersiz bir fiziksel yapiya sahip olan, bir tanimlayici olarak hizmet eden, bir "dijital parmak izi" olarak kullanilabilen fiziksel bir nesnedir. FKF ilk olarak polimer bir matris içerisinde rastgele bir sekilde dagilmis partiküllerin lazer yardimiyla saçilmasi ile gerçeklestirilmistir. Sonraki çalismalarda ise kolloidal nanomalzemelerin düsük konsantrasyonlarda yüzeyde biriktirilmesi, plazmonik jellerin katlanmasij polimer filmler içerisinde isima yapan lantanit ile katkilandirilmis zeolitler, karbon nanotüplerin kendiliginden düzenlenmesi ve iki boyutlu malzemelerin kendiliginden buhar biriktirmesi gibi çesitli yaklasimlar ile FKF üretimine yönelik çalismalar gerçeklestirilmistir. Bununla birlikte rastgele klonlanamayan dentritik metal yapilarin kati veya sivi 3506139 elektrolitler ile yüzey üzerinde elektroliz ile dogrudan olusturulmasi gerçeklestirilmis FKF çalismalari mevcuttur. Olusturulan rastgele sekil yönelim ve boyuta sahip bu dentritik metalik yapilar entegre edilmis devreler ile bir KFK anahtarlari olusturulabilmektedir. Baska bir çalismada nanomalzeme tabanli fiziksel olarak klonlanamayan aygitlar gerçeklestirilmesine yönelik çalisilmistir. Burada genel bir elektrot altina yerlestirilen FKF tabakasi içerisinde nanomalzemeler rastgele olarak konumlandirilir. Bu rastgele dagilmis nanomalzemeler elektrotlardan gelen sinyalleri özellestirir. Özellesmis bu sinyaller bir entegre devre ile FKF anahtarlari olarak okunabilmektedir. FKF üretiminde kullanilmak üzere gelistirilen yariiletken aygitlarda gelistirilmistir. Aygit içerisinde FKF amaciyla fiziksel bir yapi bulunmaktadir. Bu yapi kursun çinko titanat ve bunun üzerine biriktirilmis silisyum içeren dielektrik bir tabakayi içermektedir. Dielektrik tabaka pürüzlü bir yüzeye sahiptir. Bu pürüzlii yüzey üzerine iletken bir tabakanin biriktirilmesi ile rastgele degerlere sahip bir resistör üretilmistir. Bir baska çalismada üzerinde deterministik olarak belirlenmis pürüzler bulunan bir yüzey üzerine partiküllerin tuzaklanmasi ve elde edilen rastgele desenlerin FKF üretiminde kullanilmasi esas alinmistir. Bir baska çalismada rastgele kodlarin üretimi için üzerinde delikler içeren mekanik bir düzenek kullanilmaktadir. Görülecegi üzere FKF"nin çok farkli yollar ile üretilebilmesi mümkündür. FKF'ler sahteciligin önlenmesi ve kimlik dogrulama basta olmak üzere oldukça genis bir kullanim alanina sahiptir. Ulusal ve uluslararasi topluin sagligi, ekonomi, kültürel miras ve güvenlik konularinda oldukça önemli olan FKF teknolojisi günlük tüketim ürünlerinden spesifik öneme sahip bir takim ekipman, cihazlara ve ürünlere kadar genis bir yelpazede kullanim potansiyeli tasimaktadir. Örnek olarak etken madde kompozisyonu degistirilmis sahte ilaçlar insan sagligi açisindan risk teskil etmekte, ayni malzeme ve ekipmanla sahteleri kopyalanan yüksek maddi ve kültürel degere sahip sanat eserleri veya arkeolojik buluntular toplum refahi ve güven duygusunda tahribata yol açmaktadir. Bunun yaninda bu teknolojiler, bilgi, iletisim ve kisisel veri güvenligi, kritik öneme sahip savunma, ekonomi dinamikleri için büyük önem arz etmektedir. Her ne kadar genis bir kullanim potansiyeline sahip olsa da FKF temelli güvenlik etiketleri ile yapilan çalismalar sinirli sayida malzemeye uygulanabilir niteliktedir. Etiketlemede kullanilan malzemenin sinirli olmasi teyit mekanizmalarini kisitladigi gibi, sifreleme kapasitesini de azaltmaktadir. FKF yapilarinin olusturulmasi için genellikle spesifik kimyasal ve mekanik kosullar, etkilesime girmesi için spesifik modifikasyonlarla muamele görmüs sinirli sayida yüzey-malzeme çesitlerine ihtiyaç duyulmaktadir. Yine belirli bir polimer matris içerisine nanomalzemelerin dagitilmasini esas alan yaklasimlar ile üretilen FKF'lerin ürün üzerine entegrasyonunda güçlükler bulunmaktadir. Dolayisiyla farkli nanomalzemeler ile entegre olabilen, tamamen stokastik proseslere dayali, rastgele desenleri karmasik bir altyapiya ihtiyaç duymadan kolayca üretilmesine elverisli, gerektiginde deterministik barkodlama prosesleri ile entegre edilebilen bir FKF platformuna teknikte ihtiyaç duyulmaktadir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amacina ulasmak için gerçeklestirilen "Bir Fiziksel Olarak Klonlanamayan Fonksiyon Olusturma Sistemi ve Yöntemi" ekli sekillerde gösterilmis olup; bu sekillerden: Sekill- Elektrospreyleme ile rastgele desenlerin üretimi ve FKF olarak kullaniminda, elektrospreyleme ile elde edilmis P2VP rastgele yapilarinin SEM görüntüsüdür. SekilZ- Elektrospreyleme yönteminden gelen elektrohidrodinamik kararsizliklar neticesinde üretilmis farkli rastgele dagilimli polimer yapilarinin soldan saga dogru sirasiyla optik mikroskop, SEM görüntüleri ve yapilarin ortalaina çap dagilimini gösteren istatistiksel histogram grafikleri. a. PS35K10%-DCM : Diklorometan içerisinde %10 konsantrasyonda hazirlanmis 35 kg/mol molekül agirliginda PEO çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (1 ml/h) . P8280K5%-CHF : Kloroform içerisinde %10 konsantrasyonda hazirlanmis 280 kg/mol molekül agirliginda PS çözeltisinden elektrospreylerne ile elde edilen FKF yapilari (1 rnl/h) PMMA120K10%-DCM : Diklorometan içerisinde %10 konsantrasyonda hazirlanmis 120 kg/mol molekül agirliginda PMMA çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (1 ml/h) . PMMA120K10%-CHF : Kloroform içerisinde %10 konsantrasyonda hazirlanmis 120 kg/mol molekül agirliginda PMMA çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen PKF yapilari PVP1300K3%-CHF : Kloroforin içerisinde %3 konsantrasyonda hazirlanmis 1300 kg/mol molekül agirliginda PVP çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (0,75 ml/h), PE035K3 %-DCM : Diklorometan içerisinde % 3 konsantrasyonda hazirlanmis 35 kgfmol molekül agirliginda PEO çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (1,5 ml/h) . PEO35K0.5%-CHF : Kloroform içerisinde % 0,5 konsantrasyonda hazirlanmis 1 kg/mol molekül agirliginda PEO çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (1 ml/h), . P2VP40K30%-CB/DMF : Hacimce 9/ 1 oraninda klorobenzen/dimetilformamid içerisinde % 30 konsantrasyonda hazirlanmis 40 kg/mol molekül agirliginda P2VP çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari(1 ml/h), PEO35K3%-DCM : Diklorometan içersinde % 3 konsantrasyonda hazirlanmis 35 kg/mol molekül agirliginda PEO çözeltisinden elektrospreyleme ile elde edilen FKF yapilari (1,5 ml/h) Elektrospreyleme ile farkli sekillerde ve boyut dagiliminda rastgele yapilarin üretimi. Sirasiyla PEO, PMMA ve PVP polimer çözeltilerinden üretilmis yapilarin yukaridan asagi sirasiyla optik mikroskop, SEMgörüntüleri ve yapilarin ortalama çap dagilimini gösteren istatistiksel histogram grafikleridir. ( (a) PS35K10%-DCM, (b) PMMAl2OK]O%-DCM, (c) PVP Çözücü karakterine bagli olarak elde edilen elektrospreylenmis PMMA, PS, PVP ve PEO rastgele FKF yapilarinin karsilastirmali optik mikroskop görüntülerini gösteren matris gösterimidir. (Nanoskopik seviyeden kaba mikroskobik mertebeye kadar genis boyut dagiliminda FKF yapilarinin elektrospreyleme ile kontrollü olarak üretilebilirligi ile ilgili örnek sekilde gösterilmistir.) Nanoskopik, ince mikroskobik ve kaba mikroskobik mertebe üretilmis PEO, PVP ve PS FKF yapilarinin yukaridan asagi sirasiyla optik mikroskop, SEM görüntüleri ve yapilarin ortalama çap dagilimini gösteren istatistiksel histogram grafiklerinin gösterimidir. (Nanoskopik seviyeden kaba mikroskobik mertebeye kadar genis boyut dagiliminda FKF yapilarinin elektrospreyleme ile kontrollü olarak üretilebilirligi ile ilgili örnek sekilde gösterilmistir.) ( (a) Farkli konsantrasyondaki PS çözeltilerinden farkli besleme hizlarinda elde elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin optik mikroskop görüntülerinin ve ortalama boyut degerlerinin karsilastirilmali gösterimidir. (Besleme hizi ve polimer konsantrasyonunun FKF yapisi boyut mertebesine etkisi ve kontrol edilebilirligi ile ilgili örnek karsilastirma sekilde verilmistir.) Elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin F KF yapilari ve güvenlik sifreleri olarak kullanimina iliskin örnek polisitiren FKF"lerin karakteri ve çikarilan FKF anahtarlari a) Üst sütun: Örnek PS yapilarinin optik görüntüsü (5x) ve bu optik görüntülerin MATLAB programi ile dogrudan islenmesi ve ile elde edilen 256 bitlik ikili güvenlik barkodu ve sifresi. Alt sütun sagdan sola: 11 farkli numuneden alinan görüntünün analizi ile elde edilen essizlik orani dagilimi grafigi, seçilen bir numuneden alinan görüntünün kendi içerisindeki Hamming uzakligi dagilimi grafigi ve 11 numunenin kendi arasindaki benzerligini gösteren matris. b) ll farkli numuneden alinan optik görüntüler ve bu görüntülerden çikartilan birbirlerinden farkli 256 bitlik ikili barkodlar. Elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin FKF yapilari ve güvenlik sifreleri olarak kullanimina iliskin örnek polisitiren FKF"lerin karakteri ve çikarilan FKF anahtarlari. Üst sütun: Örnek PS yapilarinin optik görüntüsü (20X) ve bu optik görüntülerin MATLAB programi ile islenmesi ve Von Neumann indirgemesi ile elde edilen 256 bitlik ikili güvenlik barkodu ve sifresi. Alt sütun sagdan sola: 11 farkli numuneden alinan görüntünün analizi ile elde edilen essizlik orani dagilimi grafigi, seçilen bir numuneden alinan görüntünün kendi içerisindeki Hamming uzakligi dagilimi grafigi ve 11 numunenin kendi arasindaki benzerligini gösteren matris. Elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin FKF yapilari ve güvenlik sifreleri olarak kullanimina iliskin örnek polietilenoksit FKFilerin karakteri ve çikarilan FKF anahtarlari. (PE Elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin FKF yapilari ve güvenlik sifreleri olarak kullanimina iliskin örnek polimetilmetrakilat FKF'lerin karakteri ve çikarilan FKF anahtarlari. (PMMA120K10%- Elektrospreyleme ile elde edilen yapilarin FKF yapilari ve güvenlik sifreleri olarak kullanimina iliskin örnek poli(vinilprolidon) FKF°lerin karakteri ve çikarilan FKF anahtarlari. (PVP1300K3%- Elektrospreyleme ile elde edilen F KF 'lerin ve deterministik güvenlik etiketlerinin ayni platformda entegre edilmesiyle olusturulan hibrit güvenlik etiketleri. (Üstteki: ikili konvansiyonel barkod formunu verecek sekilde olusturan P2VP FKF'lerinin optik mikroskop görüntüsü, Alttaki: isima yapan molekül katkili P2VP FKF*lerinin flüoresans mikroskopu görüntüsü.) Elektrospreyleme ile üretilmis birden çok güvenlik katmanina sahip FKF°ler. ( a) Katmanli flüoresans emisyon ve emisyonun rastgele pozisyonlarda olmasi özelliginin güvenlik katmani olarak fonksiyonu Sag: ayni yüzeyde olusturulmus PS/Coum.6 ve PMMA/RhdB yapilarindan olusan FKF71erin farkli isik Iiltrelerinde elde edilen Ilüoresans görüntülerinin üst üste bindirilmesi ile elde edilen flüoresans görüntüsü ve bu görüntünün Hamming uzakligi dagilim analizi. Orta ve sol: farkli dalga boyunda isima yapan iki farkli görüntüden ikili barkodlarin olusturulmasi ve bu barkodlarin birlestirilerek kullanimi. b) Iki farkli polimer FKF yapisinin karakteristik farklari olan ortalama boyut dagiliminin ve morfolojik yapidaki bariz farkliliklarin temel alinmasi ile olusturulmus ekstra güvenlik fonksiyonu. Sag: PMMAfRhdB ve PS/Coum.6 FKF`lerinin kendi içerisindeki boyut dagilimlarinin karsilastirildigi grafik. Sol: Birbirlerinden farkli ve bariz morfoloj ik farklilik gösteren PMMA ve PS FKF yapilarinin karsilastirmali SEM ve Ilüoresans görüntüleri. c) Kimyasal yapiyi temel alan ekstra güvenlik fonksiyonu. Ikili FKF°lerin optik görüntüsünün bu FKF"lerin birbirinden farkli kimyasal parrnakizi titresimlerinin Raman haritalamasi ile karsilastirilmasi.) Raman haritalama ile FKF"lerin tespiti. a) Gümüs nanopartiküller sabitlenmis tekil P2VP yapisinin SEM görüntüsü. b) Gümüs nanopartiküller ile islevsellestirilmis P2VP F KF "ler üzerine rodaniin 6G damlatilmasi ve takibinde rodamin molekülünün karakteristik titresim bandini esas alan haritalarna ile FKFSIerin tespiti. C) Bünyesinde rodamin 6G molekülünü içeren P2VP FKFlerin dogrudan haritalanmasi ile FKF°1erin tespiti. (Elektrospreyleme ile üretilmis ve yüzeyi metal nanopartiküller ile islevsellestirilmis P2VP FKF°lerinin SERS (Yüzeyde Güçlendirilmis Raman Spektroskopisi) (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) temelli güvenlik etiketleri olarak kullanimi ile ilgili örnekler gösterilmistir) Sekillerdeki parçalar numaralandirilmis olup karsiliklari asagida verilmistir: Ort.: Ortalama Std. Sp.: Standart sapma A-D/U: Artan dielektrik sabiti/uçuculuk orani NA: Veri yok DW: Safsu DW/Eta: Hacimce 1/1 oraninda saf su/etanol karisimi DMF: Dimetilformamid DCM: Diklorometan CHF: Kloroform CB/DMF: Hacimce 9/1 oraninda klorobenzen/dimetilformamid karisimi CB: Klorobenzen PMMAIZOK: 120 kg/mol molekül agirligina sahip polimetilmetrakilat PMMA350K: 350 kg/mol molekül agirligina sahip polimetilmetrakilat PS35K: 35 kg/mol molekül agirligina sahip polistiren PSZSOK: 280 kg/mol molekül agirligina sahip polistiren PVP1300K: 1300 kg/mol molekül agirligina sahip poli(vinilprolidon) PVP360K: 360 kg/mol molekül agirligina sahip poli(vinilprolid0n) PEOSSK: 35 kg/mol molekül agirligina sahip poli(etilen oksit) Ns: Nanoskopik I-Ms: Ince mikroskobik K-Ms: Kaba mikroskobik HD: Hamming uzakligi BC: Ikili (binari) kod FL-lGK: Floresans emisyon temelli birinci güvenlik katmani M-ZGK: Morfolojik yapi temelli ikinci güvenlik katmani K-BGK: Kimyasal yapi temelli üçüncü güvenlik katmani C0um.6: Kumarin 6 molekülü Rhd.B: Rodamin B molekülü PMMA/Rhd.B: Bünyesinde Rodamin B molekülü içeren polimetilmetrakilat FKF yapilari PS/Coum. 6: Bünyesinde Kumarin 6 molekülü içeren polistiren FKF yapilari O-l: Optik görüntü Rm-PMMA/Rhd.B: Bünyesinde Rodamin B molekülü içeren polimetilmetrakilat FKF yapilarinin Raman haritalama görüntüsü Rm-PS/Coum.6: Bünyesinde Kumarin 6 molekülü içeren polistiren FKF yapilarinin Raman haritalama görüntüsü Bulus konusu bir fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyon olusturma sistemi bir çözelti haznesi; çözelti haznesine bagli, çözelti haznesindeki çözeltinin yönlendirilmesi için bir elektrik iletken nozül; nozülün çözelti haznesindeki bir çözelti ile beslenmesini saglamasi için bir besleme birimi; nozül karsisinda yer alan, üzerine fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyonun biriktirilmesi istenen bir yüzeyin yerlesmesi için bir elektrik iletken toplayici; nozül ve toplayiciya bagli, nozül ve toplayici arasinda bir elektrik alan olusturmasi ve böylece nozüldeki çözeltinin toplayiciya dogru saçilmasini saglamak için bir güç kaynagi içerir. Fiziksel olarak klonlanainayan fonksiyon olusturma sisteminin bir uygulamasi asagidaki gibi çalismaktadir; Çözelti haznesindeki çözelti besleme birimince nozüle, baska bir deyisle nozül ucuna beslenir. Güç kaynagi vasitasiyla iletken nozül ve toplayici arasinda bir elektrik alan olusturulmustur. Üzerine fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyonun (fonksiyon yapisinin) biriktirilmesi istenen yüzey bu toplayici üzerine yerlesmistir. Bu elektrik alanin olusturdugu elektrohidrodinamik kuvvet nozülden çikan çözeltinin partiküller halinde saçilarak toplayiciya dogru ilerlemesini saglar (bu olay tarifnamede bundan sonra elektrospreyleme olarak adlandirilacaktir.) Burada nozül besleme biriminin olusturdugu kuvvet yardimi çözeltinin spreylenmesi islemi gerçeklestirmez. Nozül burada çözelti için bir çikis agzi görevi görür. Elektrik iletken yapisi sayesinde de bir elektrik alan olusturulmasini ve çözeltinin bu elektrik alanin olusturdugu elektrohidrodinamik kuvvete maruz birakilmasini saglar. Çözeltinin spreylenmesi tamamen elektrohidrodinamik kuvvetler vasitasiyla gerçeklesir. Burada nozüldeki (baska bir deyisle nozül ucundaki) çözeltinin (baska bir deyisle çözelti damlaciginin) elektrik alanin olusturdugu elektrohidrodinamik kuvvet tarafindan saçilarak spreylenmesi saglanir. Yine elektrohidrodinamik kuvvet tarafindan bu saçilmis çözelti partikül]eri/damlaciklari/tanecikleri toplayiciya dogru yönlendirilir. Elektrospreylenme sürecinde nozülden toplayiciya dogru hareket eden çözelti partikülleri dis yüzeylerinde biriken kolombik yüklerin etkisi ile birbirlerini iterek birbirleri ile etkilesimde bulunurlar. Sürekli olan bu etkilesim çözelti partiküllerinin kesin konumlarda ifade edilebilecek hesaplanabilir ve/veya tekrarlanabilir yollar izlememesi ile sonuçlanir. Nozülden toplayiciya dogru her bir partikülün yaptigi hareket bu partiküllerin kümülatif olarak birbirlerini etkilemesine bagli oldugundan kaotik bir yol olusmaktadir. Toplayici üzerinde yer alan yüzeyde çözelti partiküllerinin birikmesi sonucu tamamiyla düzensiz yapilanmalar, desenler olusur. Bahsedilen düzensizlik bu yapilarin, desenlerin bir fiziksel olarak klonlanamayan fonksiyon (FKF) olusturmasi için yeterli raslantisalliktadir. Bulusun bir uygulamasinda besleme birimi bir dogrusal aktüatör biçimindedir. Bulusun bu uygulamasinin bir varyasyonunda dogrusal aktüatör bir pnömatik piston biçimindedir. Bulusun bir uygulamasinda besleme biriini seçilmis bir besleme hizinda nozülün çözelti ile beslenmesini saglar. Bulusun bir uygulamasinda toplayici bir hareketli tambur biçimindedir. Hareketli tambur bir döner tambur olabilir. TR TR TR TR TR TR