성균관대 김태성 교수팀 , 차세대 양자 암호화 기술 개발

[이뉴스투데이 수도권1취재본부 권오경 기자] 성균관대학교(총장 유지범) 기계공학과 김태성 교수 연구팀은 "권석준 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 반데르발스 위상 절연체 내 무작위적으로 발현된 격자 대칭 붕괴 특성을 규명하고, 이를 기반으로 차세대 양자 암호화 기술인 Physically Unclonable Function(이하 PUF)을 개발했다"고 밝혔다.

4차 산업 혁명과 인공지능(Artificial Intelligence) 기술의 발전으로 사물 인터넷(Internet of Things) 해킹 사례가 증가하고 있으며, 이는 스마트폰 등 일상 디바이스의 해킹으로 인한 개인정보 유출 위험을 초래하고 있다.

이러한 상황에서 하드웨어 기반의 보안 소자인 PUF는 반도체 제조 공정에서 발생하는 무작위 물리적 변동성을 활용해 물리적으로 복제 불가능한 고유 인식 키를 생성할 수 있다.

PUF는 소형화된 기기에서도 쉽게 구현 가능하여 IoT 기기의 해킹 방지에 적합하다.

그러나 기존 PUF 소자는 보안 성능을 높이기 위해 보안 키 생성 조합 수를 늘려야 하며, 이는 PUF 하드웨어 구조 변경을 요구하는 한계가 있었다.

연구팀은 반데르발스 위상 절연체의 특성에 주목해 기존 PUF 소자의 한계를 극복했다.

위상 절연체는 격자 구조의 역전 대칭성(Inversion Symmetry)에 의한 위상학적 보호를 기반으로 내부는 절연 특성을 가지며, 표면에서는 전기 전도성을 갖는 물질로 최근 양자 컴퓨팅 연구에 활용되고 있다.

연구진은 저온 플라즈마 공정을 통해 최상단층을 황화(Sulfurization)시키며 원자 단위에서 무작위적인 역전 대칭성 붕괴를 유도했다.

이는 무작위한 강유전 분극 분포를 나타내, 외부 전력 없이 자가전력으로 작동 가능한 나노미터(nm) 수준의 고보안성 PUF 소자를 구현하는 데 성공했다.

분석 결과, 해당 PUF의 보안 성능에서 0과 1로 구성된 난수 배열 중 ‘1’이 발생할 확률이 약 50.12%로 계산돼 암호화에 최적의 무작위성을 확보했다.

또한, 연구팀은 평면외 강유전 도메인 및 PUF의 크기 조절 가능성을 검증했으며, 저온 플라즈마 공정이 대면적 합성이 가능하다는 점에서 상용화 및 양산에도 적합함을 확인했다.

김태성 교수는 “반데르발스 위상 절연체의 격자 대칭 붕괴 특성을 활용한 차세대 양자 암호화 기술은 단일 플라즈마 공정으로 자가전력과 고보안성을 동시에 확보할 수 있다”며, “이 기술이 차세대 인공지능 및 양자 보안 플랫폼에 중요한 기반이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단, 서울대학교 박정원 교수 연구팀, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여했으며, 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 진행됐다.
연구 성과는 재료 과학 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.6, JCR 상위 1% 이내)에 2월 19일 온라인 게재됐다.