WO2018190562A1 - 생체 인증장치 및 생체 인증방법 - Google Patents

생체 인증장치 및 생체 인증방법 Download PDF

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WO2018190562A1
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measured voltage
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정기훈
정성훈
이섬규
박정우
박채완
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    • G06V40/1394—Detecting the live character of the finger, i.e. distinguishing from a fake or cadaver finger using acquisition arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a biometric authentication device and a biometric authentication method, and more particularly, to a biometric authentication device and a biometric authentication method for applying a square wave having a single period and performing biometric authentication using a measured voltage peak and arrival time. .
  • Small information devices such as mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants) require high security due to high specifications, and as communication speeds increase, information is stored on servers located remotely and networked. Increasingly, the frequency of accessing them is increasing. Access to information that requires this security requires authentication on small information devices. Areas that require a high level of security include financial transactions such as smart banking and electronic wallets.
  • a method of securing security in a small information device As a method of securing security in a small information device, a method of performing personal authentication using a password or ID card is used.
  • passwords and ID cards have a relatively high risk of being stolen and require stronger personal authentication (authentication that the user of the device is a registered user) in fields such as financial transactions.
  • biometric information biometrics information
  • fingerprints are mainly used because of convenience.
  • the fingerprint has a problem that authentication is easily penetrated by a fake fingerprint made of silicon or gummi.
  • a proposal to use various biometric information using iris, blood flow or impedance, and some biometric information has been technically implemented but has not yet been commercially distributed for economic reasons.
  • Non-Patent Document 1 a technique of applying a power source having a plurality of frequencies to a living body and using the characteristic of changing the impedance magnitude and phase of the living body according to the frequency change is presented.
  • the biometric authentication technique using the impedance known so far can be used for biometric authentication by applying a voltage while varying the frequency to the living body and measuring the impedance magnitude and phase of the living body according to the frequency change.
  • a circuit for applying input power having a plurality of frequencies should be provided, and (2) measuring the magnitude and phase of the living body's impedance according to each frequency. There was a problem that a circuit should be provided.
  • An object of the present invention is to provide a biometric authentication device and a biometric authentication method for performing biometric authentication using impedance without having a circuit for applying input power having a plurality of frequencies. .
  • an object of the present invention is to provide a biometric authentication device and a biometric authentication method for performing biometric authentication using impedance without having a circuit for measuring the impedance magnitude and phase of a biometric according to the frequency of each input power source.
  • a biometric authentication device and a biometric device which apply a square wave input power source having a single period to a living body, calculate an arrival time and a measured voltage width using the voltage response of the living body, and perform biometric authentication therefrom.
  • the purpose is to present the authentication method.
  • a biometric authentication device for authenticating a living body using impedance of a specific part of a living body, the first electrode comprising: a second electrode spaced apart from each other while being electrically insulated from the first electrode; A driving unit for applying a square wave having a single period to one electrode, and a measured voltage maximum value that is the highest value of the voltage detected by the first electrode while the voltage measured by the first electrode is stabilized and a measured voltage minimum value where the detected voltage is the lowest value.
  • a sensing unit and a sensing unit configured to output an arrival time, the time required for the detected voltage to reach a specific range of the measured voltage width obtained by the difference between the measured voltage maximum value and the measured voltage minimum value from the measured voltage minimum value. Characterized in that it comprises a signal processing unit for determining whether the living body using the measured voltage width and the arrival time input from the unit It can be achieved by the biometric device.
  • the stabilized state refers to a state in which the measured voltage maximum value and the measured voltage minimum value detected by the first electrode are kept constant by the square wave applied to the first electrode for at least two neighboring cycles.
  • such a biometric authentication device may further include an additional resistor Re connected to one end of the biometric device, and the other end to the first electrode, and the second electrode may be connected to the ground.
  • the single period of the square wave is preferably any one period selected from 0.067ms ⁇ 2.00ms period, more preferably the single period is any one selected from 0.067ms ⁇ 1.42ms period.
  • the sensing unit constituting the biometric authentication device of the present invention includes an AD converter for converting an analog voltage input from the first electrode into a digital voltage, and a minimum (measured voltage minimum) and maximum value of the voltage input from the AD converter for a predetermined period.
  • the arrival time (Tr) is calculated by using the highest and lowest voltage detection unit that detects the (measured voltage maximum value) and the measured voltage minimum and the measured voltage maximum input from the highest and lowest voltage detection unit, which change according to the time input from the AD converter. It is good to configure to include the arrival time calculation unit.
  • the duration of the square wave applied through the additional resistor Re preferably has a range in which the voltage measured at the first electrode does not reach the saturation stage.
  • Still another object of the present invention is a biometric authentication method for determining whether an object placed on a first electrode and a second electrode is a living body, the first step of applying a square wave having a single period to the first electrode;
  • a biometric authentication method comprising a third step of calculating an arrival time, which is the time required for the voltage measured at one electrode to reach a predetermined range of the minimum value (the measured voltage minimum value) to the maximum value (the measured voltage maximum value) of the measured voltage.
  • the biometric authentication method is a step performed between the first step and the third step.
  • the biometric authentication method measures a voltage of the first electrode for at least one period and obtains a minimum value (measured voltage minimum) of the measured voltage and a second value for obtaining the measured voltage maximum. It is better to include more steps.
  • a step performed after the third step it is further preferable to further include a fourth step of authenticating whether or not the living body using the measured voltage width and the arrival time.
  • the biometric authentication method it is preferable to apply a square wave having a single period to the first electrode through the additional resistor Re, and connect the second electrode to the ground.
  • the single period used for the biometric authentication of the present invention is preferably any one period selected from 0.067ms to 2.00ms period, more preferably 0.067ms to 1.42ms period.
  • the duration of the applied square wave preferably has a range in which the voltage measured at the first electrode does not reach the saturation stage.
  • a circuit for sequentially applying input power having a plurality of frequencies to the input electrode and measuring the magnitude and phase of the impedance applied to the living body according to each frequency input should be provided.
  • Such a circuit was a complex obstacle to implement so that it can be practically used in small portable devices such as smart phones.
  • the biometric authentication device applies a power having a single frequency to the input electrode within a time (preferably within 0.1 seconds) within 1 second with a specific part of the living body fixed between the two electrodes, Biometric authentication by measuring the measured voltage width, which is the difference between the measured voltage peak and the measured voltage minimum measured in the sensing electrode, and the time required for the measured voltage to rise from the voltage minimum to a certain range of the measured voltage width.
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a biometric authentication device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an embodiment of a sensing unit according to the present invention.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing output voltage waveforms measured at a first electrode when a square wave having different periods T1 and T2 and having a duty ratio of 50% is applied.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing one output waveform shown in FIG. 3B again.
  • FIG. 5 is a block diagram of a biometric authentication device according to the present invention.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram when a finger is placed on a panel portion of the biometric authentication device shown in FIG.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a biometric authentication device according to an embodiment of the present invention in which a panel portion includes a first electrode and a second electrode having a rectangular shape.
  • FIG. 8 is a block diagram of a biometric authentication device according to an embodiment of the present invention having a panel portion including most electrodes as electrodes for fingerprint sensing and electrodes for sensing a portion of impedance.
  • FIG. 9 is a plan view of the electrode shape used in the experiment according to the present invention.
  • FIG. 10 is an example of a square wave applied to an additional resistor Re in the circuit shown in FIG. 1.
  • FIG. 10 is an example of a square wave applied to an additional resistor Re in the circuit shown in FIG. 1.
  • FIG. 11 is a tan- 1 graph and a tangent line at the origin
  • 12A and 12B illustrate a measured voltage peak and phase detected at a first electrode over time when a square wave having a 1000 Hz period, a duty ratio of 50%, and a maximum voltage of 3.3 V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • 13A and 13B illustrate a measurement voltage peak and phase detected by a first electrode over time when a square wave having a period of 5,000 Hz, a duty ratio of 50%, and a maximum voltage of 3.3V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • FIG. 14A and 14B show a measured voltage peak and phase detected at a first electrode with time when a square wave having a 10,000 Hz period and a duty ratio of 50% and a maximum voltage of 3.3 V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • FIG. 15 is a graph showing experimental results of FIGS. 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, and 14B all at once on a three-dimensional graph.
  • FIG. 16 is a graph grouping states of FIGS. 12A and 12B; FIG.
  • FIG. 17 is a graph showing the change over time of the resistance value and the capacitor value measured in the biometric fingerprint and the resistance value and the capacitor value measured in the clay fingerprint.
  • AD converter 320 the highest and lowest voltage detector
  • signal processing unit 550 control and signal processing unit
  • a description will be mainly made of a finger fingerprint among body parts, but it should be understood that the present invention can be applied to other body parts besides a finger fingerprint.
  • the description of the present invention for a finger fingerprint is because a fake fingerprint for a corresponding region can be easily manufactured with various materials.
  • fake fingerprints can be made from a variety of materials, such as glue, gelatin, silicone, and clay.
  • the inventors of the present invention sequentially apply input power having a plurality of frequencies to the fake fingerprints and biometric fingerprints of various materials, and measure the magnitude and phase of the impedance accordingly. From this, various experiments were carried out to determine whether biological and fake fingerprints can be distinguished.
  • the present invention focuses on a biometric authentication method or a biometric authentication device capable of distinguishing a fake fingerprint and a biometric fingerprint made of clay material of various dry states showing the characteristics similar to those of a living body.
  • the information about the impedance obtained in the biometric authentication device according to the present invention can also be used for fingerprint recognition.
  • the ridge and the valley of the subject are sensed using the biometric device presented in the present invention, the ridge touches directly between the electrodes provided in the biometric device without a separate medium, whereas in the case of the valley, there is air between the skin and the sensor.
  • the arrival time for the impedance and the measured voltage width are different.
  • the ridge and the valley are obtained by using the arrival time and the measured voltage width for the impedance, and thinned, and the characteristic values including the split points or the collected points from the thinned information are obtained, and the obtained characteristic values are registered in advance.
  • Fingerprint recognition is possible by comparing with the characteristic value. Comparing the biometric authentication device and the conventional fingerprint sensor according to the present invention, only the step of acquiring ridge and valley information is different, and the remaining data processing methods can be used as it is in the conventional fingerprint recognition.
  • the biometric authentication device presented in the present invention can also be used for biometrics using fine sweat. Measure the arrival time and measured voltage width of impedance at t0 time and t1 time (the more time is better), and detect the sweat perspiration by using the difference between the arrival time and measured voltage width of impedance at both time. It forms perspiration data including the location of the detected fine sweat, and uses the perspiration data to be used for authentication as to whether it is a living body or for personal identification of the subject. In the case of fine sweating, the skin has a different moisture content than the skin, so the impedance at the place where fine sweat is expressed and the skin where no fine sweat is expressed will be different. However, the amount may be minute to show no clear difference.
  • the fine sweat authentication of the present invention has the advantage that it can be used for the personal identification authentication of the subject more precisely than when used alone with the conventional fingerprint authentication.
  • the position of the pores as a characteristic value of the personal authentication, and by additionally confirming that the position of the fine sweat is coincided with the position of the pores, it is possible to strengthen the identity authentication.
  • the personal recognition value that can be used for biometric authentication increases, thereby reducing the false recognition rate.
  • the size of the fingerprint sensor used in a place such as a card is getting smaller and smaller, the number of personal authentication characteristic values is reduced, thereby mitigating the problem of increasing the false recognition rate.
  • the resolution of the fingerprint sensor is good, it should be able to check and store the location of the pores when registering the fingerprint.
  • the biometric authentication device includes a driving unit 200, a panel unit 100, a sensing unit 300, a control unit 510, and a signal processing unit 530.
  • the driving unit 200 is a circuit unit for applying a square wave voltage having a predetermined period to the panel unit 100, and the panel unit 100 includes a plurality of electrodes 101 and 103 for measuring information on impedance. It is a panel provided with a human finger (other body parts to be measured, of course) is placed on the plurality of electrodes.
  • the driving unit 200 receives a square wave input voltage Vi having any one frequency selected from 500 Hz to 15,000 Hz (converted to 0.067 ms to 2 ms) for a period of 1 second or less (preferably within 0.1 seconds). ) When the frequency is greater than 15,000 Hz, the impedance magnitude and phase of the living body measured according to the frequency do not change linearly, which may cause confusion with the counterfeit. If the frequency is less than 700Hz, the impedance magnitude and phase of the living body measured according to the frequency does not change linearly, which may cause confusion with the counterfeit.However, in some living organisms, even 500Hz (2ms in cycles) smaller than 700Hz may occur. Due to the linearly changing nature, the lower limit may be used for frequencies lower than 700 Hz.
  • the time within 1 second is shorter than 1 second because it means a short time that the living body part placed between the first electrode 101 and the second electrode 103 does not move during the impedance measurement. Time is more accurate results can be obtained, preferably less than 0.1 seconds as a time that can be measured without the body's fine movement.
  • a finger is represented by an equivalent circuit Z in which a capacitor Cr and a resistor Rr are connected in parallel.
  • the plurality of electrodes 101 and 103 include a first electrode 101 and a second electrode 103 provided to be spaced apart from each other while maintaining an electrically insulated state thereof.
  • the square wave voltage supplied from the driver 200 is supplied to the first electrode 101 through the additional resistor Re.
  • the second electrode 103 is connected to the ground.
  • the second electrode 103 may be configured to be connected to the ground line through a small value of resistance as necessary.
  • the additional resistor Re is not a device providing a special function. When the impulse voltage is suddenly applied to the first electrode 101 in the driver 200, a large amount of current is instantaneously applied to the capacitor Cr constituting the bioequivalent circuit. It is added to the resistor used to prevent the flow (short).
  • the sensing unit 300 is a circuit unit electrically connected to the first electrode 101 to sense an output voltage applied to the first electrode 101 and to measure a measured voltage maximum value, a minimum value, and an arrival time.
  • the measured voltage maximum is defined as the highest voltage value measured at the first electrode 101 by a square wave input for at least one period
  • the measured voltage minimum is defined as the first electrode 101 by a square wave input for at least one period. It is defined as the lowest voltage value measured at.
  • the arrival time means the voltage measured at the first electrode 101 by a square wave input from the measured voltage minimum to the specified range (difference between the measured voltage maximum and the measured voltage minimum) (proceeding to 63% in the experiment). It means the time it takes to reach.
  • the arriving time used in the present invention generally has a broader meaning than the time constant used in the circuit.
  • the sensing unit 300 includes an AD converter 310, a lowest voltage detector 320, and an arrival time calculator 330.
  • the AD converter 310 is a circuit unit for converting and outputting an analog voltage output from the first electrode 101 into a digital voltage.
  • the highest and lowest voltage detector 320 is a circuit unit that detects a minimum (measured voltage minimum) and a maximum (measured voltage maximum) of the digital voltage input from the AD converter 310 for at least one cycle.
  • the arrival time calculation unit 330 uses the voltage that changes according to the time input from the AD converter 310 and the measured voltage lowest value and the measured voltage maximum value input from the highest and lowest voltage detector 320. Is a circuit section for outputting the arrival time Tr, which is the time required for the voltage input from the measured voltage minimum to reach "0.63 x (measured voltage maximum-measured voltage minimum)".
  • the measured voltage maximum value Vm is output from the arrival time calculator 330, but may be configured to be output from the highest voltage detector 320.
  • the controller 510 is a circuit unit for generating and applying a control signal for controlling each circuit unit according to an appropriate timing
  • the signal processor 530 is a living body using the measured voltage width and the arrival time input from the sensing unit 300. Is a circuit section for determining
  • the controller 510 and the signal processor 530 may be integrated into one circuit device or may be configured of several circuit devices.
  • the control unit 510 and the signal processing unit 530 integrated into one circuit element will be referred to as the control and signal processing unit 500 for convenience.
  • FIG. 3 is a waveform diagram illustrating output voltage waveforms measured at a first electrode when a square wave having different periods T1 and T2 and having a duty ratio of 50% is applied.
  • the square wave shown in FIG. 3 (a) is a wave having a period T1 and a duty ratio of 50%.
  • the voltage Vout measured at the first electrode reaches a saturated state.
  • the square wave shown in FIG. 3 (b) is a wave having a period T2 (T1> T2) and a duty ratio of 50%, indicating that the voltage Vout measured at the first electrode does not reach a saturated state. This will be described in more detail with reference to FIG. 4.
  • 4 is a diagram illustrating one output waveform shown in FIG. As shown in FIG.
  • the measured voltage maximum value Vm is defined as the maximum value of the output voltage measured at the first electrode in response to the input square wave. If the input square wave has sufficient pulse width, the voltage will rise to the maximum saturated value (Vfm), but it will rise and fall only to the measured voltage maximum value (Vm) due to the short pulse width (duration).
  • the present invention may be implemented by applying a square wave having a pulse width at which the voltage measured at the first electrode reaches saturation or applying a square wave having a state not reaching saturation. That is, the present invention is characterized by applying a square wave having a known period and duty ratio to measure the measured voltage width and the arrival time and use it for biometric authentication.
  • 5 is a block diagram of a biometric authentication device according to the present invention.
  • 5 illustrates an example in which the panel unit 100 includes two first electrodes 101a and 101b and one second electrode 103.
  • the panel unit 100 includes a first electrode and a second electrode. It can be formed that the ratio of n: 1 (where n is a natural number greater than 1).
  • a square wave input voltage Vi is applied to each of the first electrodes 101a and 101b through an additional resistor Re, and the second electrode 103 is connected to the ground state.
  • the first electrode 101a and the first electrode 101b do not need to be described separately, the first electrode 101a will be collectively referred to as the first electrode 101 for convenience of description.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram when a finger is placed on a panel portion of the biometric authentication device shown in FIG. 5. Fingers are indicated by reference numeral 600.
  • a square wave input voltage having a single frequency is applied to the first electrodes 101a and 101b through the driving unit 200, respectively, by a human finger placed between the first electrodes 101a and 101b and the second electrode 103.
  • the voltages applied to the first electrodes 101a and 101b due to the impedances Z1 and Z2 are raised while showing different shapes.
  • the electrodes provided in the panel unit may be implemented in various shapes, and do not necessarily need to match the first electrode 101 and the second electrode 103 in the same number.
  • FIG. 7 illustrates that the panel 100 includes a first electrode 101 and a second electrode 103 having a quadrangular shape, and the number of the first electrodes 101 is greater than that of the second electrode 103.
  • It is a block diagram of a biometric authentication device according to an embodiment of the present invention having a panel unit 100 implemented.
  • most electrodes are formed of a capacitive electrode for sensing a conventional fingerprint (an electrode capable of sensing a fingerprint in other ways), and only a part of the region measures impedance. It may be configured as an electrode for.
  • 8 is a block diagram of a biometric authentication device according to an embodiment of the present invention having a panel part including most electrodes as electrodes for fingerprint sensing and electrodes for sensing a portion of impedance.
  • Most of the panel unit 100 includes a fingerprint sensing electrode 105 for sensing a fingerprint, and the first electrode 101 and the second electrode 103 are provided only in a partial region.
  • the driving unit 210 deforms the driving unit shown in FIG.
  • a driving waveform in the form of a square wave having a single frequency (which can be converted into cycles) having a frequency of 500 Hz (preferably 700 Hz) to 15,000 Hz, and a fingerprint.
  • the function to provide a driving voltage for sensing should be changed to be added, and in the case of the sensing unit 310, the physical, chemical or electrical output value for fingerprint recognition as well as the measured voltage width and arrival time can be changed. Should be.
  • the driving unit 200 should apply a waveform having a period of approximately 0.067 ms or more (corresponding to a frequency of 15,000 Hz or less), and is used for fingerprint detection. In order to do this, a high frequency of several to several tens of MHz should be applied. Accordingly, when fingerprint authentication is to be performed along with biometric authentication, the control and signal processing unit 550 receives the output value of the sensing unit 310 and then performs various processes for biometric authentication using the measured voltage width and the arrival time. In addition to performing the above, the fingerprint authentication using the fingerprint characteristic value should be changed to perform together.
  • FIG. 9 is a plan view of the electrode shape used in the experiment according to the present invention.
  • FIG. 9 (a) illustrates an electrode shape in which the first electrode and the second electrode interlock with each other in an interleaved state
  • FIG. 9 (b) illustrates an electrode shape having a circular groove button
  • FIG. 9 (c) Is implemented in the shape of an electrode with an ellipse home button.
  • the length l of the first electrode and the second electrode overlapping each other is formed to be fixed at 1,5 mm, and the width w of the electrode and the first electrode 101 and the second electrode are fixed.
  • the experiment was conducted while arbitrarily changing the interval s between the (103).
  • r1 is fixed at 1.1 mm, and the width s between the first electrode 101 and the second electrode 103 with the width w of the electrode fixed at 0.5 mm.
  • the experiment was performed while arbitrarily changing.
  • r1 is 0.5 cm
  • the length of the first electrode ellipse (l) is 1 cm
  • the electrode width (w) is fixed at 0.5 mm.
  • phase and magnitude of the impedance response for each frequency should be measured.
  • various circuits for measuring the phase and magnitude of impedance have been proposed. For example, as shown in FIG. 3 of Non-Patent Document 1, a magnitude of impedance is measured using a peak detector, and a low pass filter is obtained by multiplying an input sinusoid and an output sinusoid. It can be seen that the phase of the impedance can be measured using the
  • circuits known to date have been difficult to commercialize in small devices such as smartphones due to circuit volume and complex measurement methods.
  • the present inventors have found that the phase of impedance in a certain wavelength range is linearly proportional to the arrival time of the response voltage, and the magnitude of the impedance is a value associated with the measured voltage width of the response voltage. Therefore, a method and apparatus for performing biometric authentication by measuring the measured voltage width and the arrival time instead of measuring the phase and magnitude of the impedance are presented.
  • a resistor Rr and a capacitor Cr are formed in series between input square waves, and a simplified circuit mathematically interpreting the capacitor Cr as both output terminals is mathematically analyzed.
  • the size and phase of the biometric model can be obtained from Equations 1 and 2, respectively.
  • Fingerprint classification frequency Measured voltage minimum (v) Maximum measured voltage (v) Arrival time (sec) Calculated phase Measured phase Real 100 0 4.8 0.000015 -0.539984 -0.55 Real 200 0 4.2 0.00003 -2.1589776 -1.441 Real 500 0 4.2 0.000028 -5.0270606 -3.166 Real 800 0 4.3 0.0000275 -7.8701266 -4.444 Real 1000 0 3.88 0.0000285 -10.152396 -5.025 Real 2000 0 3.72 0.0000275 -19.06388 -8.901 Real 5000 0 3.98 0.00002 -32.141908 -17.638 Real 8000 0 3.48 0.0000185 -42.920104 -22.563 Real 10000 0 2.88 0.0000165 -46.033027 -23.33 Clay 100 0 0.4 0.00125 -38.146026 -41.509 Clay 200 0 0.125 0.0008 -45.151707 -46.88 Clay
  • the fingerprint classification is a distinction between the biometric fingerprint (Real) and the fake fingerprint (Clay) made of clay
  • the frequency indicates the frequency of the applied square or sine wave, the lowest measured voltage and the highest measured voltage in FIG.
  • the measured phase represents the exact value according to the normal impedance measuring circuit
  • the calculated phase represents the phase obtained by simply applying the square wave proposed in the present invention.
  • Table 1 shows the measured voltage maximum calculated when the measured voltage minimum is 0 to easily infer the measured voltage width.
  • Table 1 shows that the phases calculated by the measurement of arrival time are different from those of the biometric fingerprint and the fake fingerprint, so that the biometric fingerprint and the fake fingerprint can be used as approximate phase values. .
  • the present inventors can distinguish a biometric fingerprint and a fake fingerprint by applying a square wave having a single period to the biometric authentication device according to the present invention shown in FIG. 1 and measuring the measured voltage width and the arrival time Tr measured at the first electrode. I found out. However, as described above, in most experiments, since the measured voltage minimum is mapped to '0', it is noted that the measured voltage width is expressed as the measured voltage maximum. This will be briefly described the authentication procedure proposed by the present invention using the biometric authentication device shown in FIG.
  • the driving unit 200 applies a square wave having a period T1 and a duty ratio of 50% to the additional resistor Re (first step).
  • the period or duty ratio may be different.
  • the square wave applied from the driver 200 is applied to the first electrode 101 through the additional resistance Re for several cycles, and after stabilization, the sensor 300 measures the minimum value (Vmin, measured voltage minimum). And the maximum value (Vm, the measured voltage maximum value) are obtained (step 2).
  • the difference (Vm-Vmin) between the measured voltage maximum value and the measured voltage minimum value is obtained from the value obtained in the second step (step 3).
  • the square wave applied in the next cycle measures the time (reach time) for the voltage measured at the first electrode 101 to reach 0.63 x (Vm-Vmin) (step 4).
  • step 5 By determining whether the two data measured using the measured voltage maximum value and the arrival time are within the data range measured in the living body, it is determined whether the living body (step 5). In practice, two steps are performed after the measured voltage is stabilized without performing two steps immediately after the first step.
  • the stabilized state refers to a state in which the measured voltage maximum value and the measured voltage minimum value detected by the first electrode are kept constant by the square wave applied to the first electrode for at least two neighboring periods.
  • the circuit needs to be stabilized before measuring the measured voltage peak and the measured voltage minimum in the second step.
  • a voltage value charged in a capacitor capacitor of a finger equivalent model formed by a finger by continuously applied square waves varies only between a constant minimum value and a maximum value, which is called a transition stage.
  • a finger is placed between the first electrode and the second electrode shown in FIG.
  • a square wave having a constant period is continuously applied, and before stabilization (that is, a transition state), the lowest value of the voltage measured at the first electrode While the maximum value is gradually increased, it can be seen that after stabilization, the lowest value and the highest value of the voltage measured at the first electrode are kept constant.
  • a square wave In order to sufficiently stabilize the circuit, a square wave must be applied to the additional resistor Re for at least a plurality of cycles. Before the circuit stabilization step, the measured voltage increases as the square wave is applied. In addition, in the case of the second step, if the square wave is applied for a single period and the measurement is performed once, the measured value may not be accurate. Therefore, the square wave is applied for a plurality of cycles and the measured voltage minimum and the measured voltage are measured for each cycle. The mean value of the highest values was used. Similarly, when measuring the arrival time in the fourth step, the square wave was applied for a plurality of cycles and the average value of the arrival times was used for each cycle.
  • FIG. 10 is an example of a square wave applied to an additional resistor Re in the circuit shown in FIG. 1.
  • (a) shows a transient state in which the circuit reaches a stabilization stage
  • (b) shows a step of measuring a measured voltage minimum and a measured voltage maximum
  • (c) shows a step of measuring the arrival time. It shows a square wave to which a waveform represented by a dotted line is input.
  • a partial enlarged view of the inside of the circle shown in (b) is separately shown below, and the waveform represented by the dotted line represents the input square wave, and the waveform represented by the solid line shows the output waveform.
  • step (a) transition stage
  • step (b) measurement of the measured voltage minimum and the measured voltage maximum
  • step (c) ach time measurement
  • square waves were applied for n2 and n3 cycles, respectively.
  • steps (b) and (c) it can be seen that the output is stable while showing the same output characteristics every cycle.
  • the measured voltage minimum value (Vmin) and the measured voltage maximum value (Vm) can be confirmed.
  • the stabilized minimum and maximum characteristics are defined as the measured voltage minimum (Vmin) and the measured voltage maximum (Vm), respectively.
  • Vmin measured voltage minimum
  • Vm measured voltage maximum
  • n1, n2, and n3 were set to 10 in the same manner for 0.1 second, and as a whole, 30 square waves were applied for 0.1 second, so the period of the applied square wave may be 300hz.
  • 0.1 second can measure stable output voltage characteristics (measurement voltage width and arrival time) by a square wave having a single frequency without moving the body while fixing a specific part of the living body between the two electrodes shown in FIG. 1. It means a preferred time.
  • 50 square waves may be appropriately distributed and used in steps (a), (b) and (c) shown in FIG. 10. For example, this means that 20 square waves are applied in the transition stage of FIG. 10 (a), 15 square waves are applied in the stage of FIG. 10 (b), and the remaining square waves are used in the stage of FIG. 10 (c). . In this case, the period of the applied square wave is calculated at 500 Hz.
  • Equation 2 a relationship as in Equation 3 can be derived.
  • Representative capacitance (Cr) of the biological finger is 10 ,
  • 12A to 14B show a square wave having a duty ratio of 50% and a maximum voltage of 3.3V, each having a different frequency at 1,000 Hz (cycle 1 ms), 5,000 Hz (cycle 0.2 ms) and 10,000 Hz (cycle 0.1 ms), respectively.
  • a graph showing the measured voltage peak and the derived calculated phase value applied to the biometric authentication device and detected at the first electrode. 12A and 12B show two graphs for the enlarged view. In FIG. 12A, phase values -70 ° to -35 ° are represented on the horizontal axis, and in FIG. 12B, phase values -35 ° to 0 ° are represented on the horizontal axis.
  • the clay marked with 'X' is the most water-rich and fake fingerprint that was first made from clay.
  • the 'Dried Clay3' marked with ' ⁇ ' indicates the clay fingerprint which has been dried for the longest time.
  • “Clay, Dried Clay1, Dried Clay2, Dried Clay3” is displayed in the order
  • “Clay” is the state that has not been dried most
  • “Dried Clay3” is the longest It is a fake fingerprint of the state.
  • the horizontal axis represents a phase
  • the vertical axis represents (a measured voltage maximum-a measured voltage minimum) detected by the first electrode.
  • the vertical axis is converted to a number between 0 and 4,095 using a 12-bit ADC (analog-to-digital converter) for easy visual verification.
  • ADC analog-to-digital converter
  • FIG. 12A and 12B illustrate a measured voltage peak and phase detected at a first electrode over time when a square wave having a 1000 Hz period, a duty ratio of 50%, and a maximum voltage of 3.3 V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • This is a graph.
  • Biometric fingerprints marked with ' ⁇ ' are displayed between -7 ° ⁇ -11 ° as phase value and between 3,300 ⁇ 3,600 (2.66V ⁇ 2.90V as actual voltage value), so they can be distinguished from other counterfeit fingerprints. It can be seen that.
  • the "Clay" of the x mark is widely distributed in the phase value between -68 ° and -3 °, and the measured voltage maximum has a value of about 100 to 350.
  • a fake fingerprint made of "Clay” and a biometric fingerprint can be distinguished.
  • the phase value is distributed between -21 ° and -3 ° and the measured voltage maximum is 1,100 to 3,900.
  • the measured voltage peak is formed at 2,000 or less, so it can be clearly distinguished from the biological fingerprint.
  • the mark has a phase value of -3 ° or more, so it can be distinguished from the biometric fingerprint only by comparing the phase values.
  • 13A and 13B illustrate a measurement voltage peak and phase detected by a first electrode over time when a square wave having a period of 5,000 Hz, a duty ratio of 50%, and a maximum voltage of 3.3V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • This is a graph. 13A and 13B are divided into two graphs for enlarged illustration.
  • phase values -70 ° to -35 ° are represented on the horizontal axis
  • phase values -35 ° to 0 ° are expressed on the horizontal axis.
  • Biometric fingerprints marked with ⁇ are displayed between -39 ° to -31 ° as phase value and between 2,800 to 3,300 as the measured voltage maximum (2.26V to 2.66V as actual voltage value), so they can be distinguished from other counterfeit fingerprints. It can be seen.
  • the "Clay" of the ⁇ mark can be seen that the measured voltage maximum has a value of about 100 ⁇ 250. Therefore, it can be seen that by comparing only the measured voltage peak value, a fake fingerprint made of "Clay” and a biometric fingerprint can be distinguished.
  • the phase value ranges from -37 ° to -11 ° and the measured voltage peak is distributed from 800 to 3,800.
  • 14A and 14B show a measured voltage peak and phase detected at a first electrode with time when a square wave having a 10,000 Hz period and a duty ratio of 50% and a maximum voltage of 3.3 V is applied to the biometric device shown in FIG. 1.
  • Is a graph. 14A and 14B show two graphs for the enlarged view.
  • phase values -70 ° to -35 ° are represented on the horizontal axis
  • phase values -35 ° to 0 ° are represented on the horizontal axis.
  • Biometric fingerprints marked with are displayed between -52 ° to -42 ° as the phase value and between 1,900 to 2,700 (1.53V to 2.18V as the actual voltage value), so they can be distinguished from other counterfeit fingerprints. It can be seen. For example, it can be seen that the "Clay" of the ⁇ mark has a value of about 100 to 200. Therefore, it can be seen that by comparing only the measured voltage peak value can be distinguished fake fingerprints made of "Clay” and biological fingerprints. ⁇ In the case of "Dried Clay1" of the mark, the phase value is distributed between -43 ° and -17 ° and the measured voltage maximum is from 700 to 3,800.
  • FIG. 15 is a graph showing experimental results of FIGS. 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, and 14B at once on a three-dimensional graph. It can be seen that the biometric fingerprint indicated by ⁇ at any frequency can be distinguished from the fake fingerprint by using the phase and the measured voltage peaks.
  • the x-axis displays the phase between 0 ° and -80 ° in 20 ° units
  • the y-axis displays the phase between 0 Hz and 10,000 Hz in 200 Hz units
  • the z-axis represents 0 to 4,000 (0 V to 3.22 V on the actual voltage).
  • the maximum measured voltage between them is expressed in 500 units.
  • 12A to 15 show phase values instead of indicating arrival times Tr.
  • FIG. 16 is a graph showing groups of the states of FIGS. 12A and 12B.
  • R is where the measurement data of the biometric fingerprint is located, and 1, 2, 3 and 4 indicate the point where the clay fake fingerprint is located according to the dry state.
  • the clay fake fingerprints are dried in the order of 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 4 as time goes by, and the measurement value on the graph changes as the capacitor value decreases and the resistance value increases.
  • the position is moved in the order of 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ 4 according to the dryness level, but it can be seen that it is located only in an area that can be clearly distinguished from the r area where the biological fingerprint is located. . It can be inferred from FIG. 16 that the clay counterfeit fingerprint does not have the same measured voltage peak value (in this case, the measured voltage width) and the arrival time even if the dry state is changed.
  • FIG. 17 illustrates the change over time of the resistance value and the capacitor value measured in the biometric fingerprint and the resistance value and the capacitor value measured in the clay fingerprint.
  • the resistance value and the capacitor value measured in the biometric fingerprint were treated as constants that do not change, which is a valid hypothesis because they are substantially constant for the same living body.
  • Cr is the capacitor value measured in vivo
  • Rr is the resistance value measured in vivo
  • Cc (t) is the capacitor value that changes according to the time measured in the clay counterfeit fingerprint
  • Rc (t) is the value measured in clay counterfeit fingerprint.
  • the resistance value changes.
  • the vertical axis represents a relative change in the resistance value Rr measured in the biometric fingerprint and the resistance value Rc (t) measured in the clay fingerprint, and the capacitor value Cr measured in the biometric fingerprint and the capacitor measured in the clay fingerprint.
  • This axis represents the relative change in the value Cc (t).
  • Equation 2 since the phase satisfies the relation of -arctan (2 ⁇ fRc (t) Cc (t)), the case of Equation 4 occurs.
  • the product of the capacitor and the resistance by the biometric fingerprint at a specific frequency (or phase) is a case where the product of the capacitor and the resistance of the clay counterfeit fingerprint, which changes with time, has the same value.
  • the measured voltage width is a situation in which there is almost no voltage increase after a certain time after the voltage is applied, that is, it is considered that the Cr capacitor is sufficiently charged, in which case Cr is an open circuit in which no current flows.
  • the voltage at reference numeral 101 in FIG. 1 is thus divided by Rr / (Re + Rr). Therefore, the smaller the equivalent circuit resistance, the smaller the measured voltage width. This phenomenon can be seen from the graphs of FIGS. 12A-14B.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • each component shown in the embodiments of the present invention are shown independently to represent different characteristic functions, and do not mean that each component is made of separate hardware or one software component unit.
  • each component is included in each component for convenience of description, and at least two of the components may be combined into one component, or one component may be divided into a plurality of components to perform a function.
  • Integrated and separate embodiments of the components are also included within the scope of the present invention without departing from the spirit of the invention.

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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
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.
[선행기술문헌]
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)
"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 12a 및 도 12b는 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 13a 및 도 13b는 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 14a 및 도 14b는 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 12a, 도 12b, 도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b의 실험 결과를 3차원 그래프 상에 한꺼번에 도시한 그래프.
도 16은 도 12a 및 도 12b의 상태를 그룹화하여 나타낸 그래프.
도 17은 생체 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값과 클레이 지문에서 측정한 저항값 및 캐패시터값의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프.
[부호의 설명]
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
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 1]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000001
[수학식 2]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000002
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.
지문 구분 주파수 측정전압 최저치(v) 측정전압 최고치(v) 도달시간 (sec) 계산된 위상 (degree) 측정된 위상 (degree)
Real 100 0 4.8 0.000015 -0.539984 -0.55
Real 200 0 4.2 0.00003 -2.1589776 -1.441
Real 500 0 4.2 0.000028 -5.0270606 -3.166
Real 800 0 4.3 0.0000275 -7.8701266 -4.444
Real 1000 0 3.88 0.0000285 -10.152396 -5.025
Real 2000 0 3.72 0.0000275 -19.06388 -8.901
Real 5000 0 3.98 0.00002 -32.141908 -17.638
Real 8000 0 3.48 0.0000185 -42.920104 -22.563
Real 10000 0 2.88 0.0000165 -46.033027 -23.33
Clay 100 0 0.4 0.00125 -38.146026 -41.509
Clay 200 0 0.125 0.0008 -45.151707 -46.88
Clay 500 0 0.104 0.000425 -53.168095 -50.53
Clay 800 0 0.116 0.00027 -53.616156 -52.256
Clay 1000 0 0.102 0.00022 -54.116836 -52.366
Clay 2000 0 0.068 0.00012 -56.449827 -53.54
Clay 5000 0 0.0384 0.000045 -54.726119 -52.326
Clay 8000 0 0.03 0.0000282 -54.798025 -48.222
Clay 10000 0 0.0268 0.0000225 -54.726119 -44.659
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. 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.
[수학식 3]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000003
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 12a 내지 도 14b는 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. 도 12a 및 도 12b는 확대 도시하기 위하여 두 개의 그래프로 분리 도시한 것이다. 도 12a에서는 가로축상으로 위상값 -70°~ -35°을 표현한 것이며 도 12b에서는 가로축상으로 위상값 -35°~ 0°를 표현한 것이다. 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 12a 내지 도 14b에 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 12a 내지 도 14b에서는 클레이 지문을 건조 상태에서 총 4단계로 구분하여 실험하였다. 그래프에서 'X'로 표시된 클레이는 수분이 가장 많이 함유된 상태로써 클레이로 처음 만들어진 상태의 위조 지문이며, '☆'로 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 12a 내지 도 14b의 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 12a 내지 도 16에 도시된 그래프에서는 측정전압최저치를 '0'값으로 매핑하였기 때문에 그래프에서 표시되는 측정전압최고치는 본 발명에서 의미하는 측정전압폭과 동일한 값으로 표시됨을 유의하기 바란다.
도 12a 및 도 12b는 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. '○'로 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 × 표식의 "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. △ 표식의 "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. □ 표식의 "Dried Clay2" 및 ☆ 표식의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -3°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 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. 도 13a 및 도 13b는 확대도시하기 위하여 두 개의 그래프로 분리 도시한 것이다. 도 13a에서는 가로축상으로 위상값 -70°~ -35°을 표현한 것이며 도 13b에서는 가로축상으로 위상값 -35°~ 0°를 표현한 것이다. ○로 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 × 표식의 "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. △ 표식의 "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. □ 표식의 "Dried Clay2" 및 ☆ 표식의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -14°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 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. 도 14a 및 도 14b는 확대 도시하기 위하여 두 개의 그래프로 분리 도시한 것이다. 도 14a에서는 가로축상으로 위상값 -70°~ -35°을 표현한 것이며 도 14b에서는 가로축상으로 위상 -35°~0°를 표현한 것이다. ○ 로 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 × 표식의 "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. △ 표식의 "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. □ 표식의 "Dried Clay2" 및 ☆ 표식의 "Dried Clay3"의 경우는 위상값이 -27°이상을 가지므로 위상값의 비교만으로 생체 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 도 12a, 도 12b, 도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b의 실험 결과를 3차원 그래프 상에 한꺼번에 도시한 그래프이다. 어느 주파수에서도 ○로 표시된 생체 지문의 경우 위상과 측정전압최고치를 이용하면 위조 지문과 구분할 수 있음을 알 수 있다. x축은 0°~ -80°사이의 위상을 20°단위로 표시하였으며, y축은 0Hz ~ 10,000Hz 사이의 위상을 200Hz 단위로 표시하였으며, z축은 0 ~ 4,000(실제 전압상으로 0V ~ 3.22V) 사이의 측정전압최고치를 500 단위로 표시한 것이다. 또한, 도 12a 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 12a 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 12a 내지 도 14b에 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 12a 및 도 12b의 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.
[수학식 4]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000004
도 12b의 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 12a 내지 도 14b의 그래프로부터 확인할 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000005
[수학식 6]
클레이 위조지문의 측정전압폭 < 생체 지문의 측정전압폭
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 12b의 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 12a 내지 도 14b의 그래프로부터 확인 가능하다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2018003961-appb-I000006
[수학식 8]
클레이 위조지문의 위상 < 생체 지문의 위상
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.

Claims (17)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제2항에 있어서,
    일 단은 상기 구동부와 연결되고, 타 단은 상기 제1전극과 연결되는 부가 저항(Re)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2전극은 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구형파의 듀레이션은 상기 제1전극에서 측정되는 전압이 포화상태에 도달하기 전의 값으로 구비되는 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단일 주기는 0.067ms ~ 1.42ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증장치.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1단계가 부가 저항(Re)를 통하여 상기 제1전극에 단일 주기를 갖는 구형파를 인가하는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2전극은 접지와 연결되는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구형파의 듀레이션은 상기 제1전극에서 측정되는 전압이 포화상태에 도달하기 전의 값으로 구비되는 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
  16. 제9항 또는 제14항에 있어서,
    상기 단일 주기는 0.067ms ~ 2.00ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단일 주기는 0.067ms ~ 1.42ms 주기에서 선택된 어느 하나의 주기인 것을 특징으로 하는 생체 인증방법.
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