5G망 초연결시대 전자기기 사용자의 개인 정보와 보안을 보호하는 것이 필수다.

스페인 마드리드에 위치한 비영리 연구기관 ‘IMDEA 나노사이언스(Nanocencia)’ 연구원은 보안 및 위조방지 분야에서 잠재적 응용 분야를 가진 탄소 나노튜브를 기반으로 물리적 복제불능 기술(PUF)을 구현했다.

사물인터넷(IoT) 도입에 따라 높은 수준의 전자기기 암호화와 위조방지 기술이 필요하다. 전통적으로 메시지 보호는 암호, 디지털 서명 또는 암호화와 같은 다른 시스템을 기반으로 한다. 이 암호화는 공격자가 알 수 없는 암호키를 기반으로 하지만 유감스럽게도 이러한 시스템은 멀웨어, API 공격 또는 물리적 하드웨어 공격과 같은 새로운 공격에는 취약하다.

양자 컴퓨팅이 암호 패러다임으로 발전하는 동안, 효과적인 식별을 보장하는 물리적 복제불가능 기능(physical unclonable function, PUF)이 주목받고 있다.
PUF는 사용 가능한 정보 비트로 변환 할 수 있는 고유하고 반복 불가능한 물리적 특성을 갖는 장치이다. 물리적으로 구현된 “디지털 지문”으로 마이크로 프로세서와 같은 반도체 장치의 고유한 ID로 사용된다.

시스템이나 사람을 식별하기 위해 임의의 물리적 특성을 적용한다는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 19세기 이래 지문를 사용하는 개인 식별이 그 예다. 보다 최근에는 전자 장치의 신원이 집적 회로의 ‘전자지문’인 PUF를 사용해 설정됐다.

PUF에 기반한 인증은 제조 과정의 모든 세부사항을 알고 있음에도 불구하고 복제를 거의 불가능하게 하는 본질적으로 랜덤 프로세스로 제조한 칩으로 구성된다. PUF의 다양한 물리적 특성과 측정은 나노 스케일에서 칩의 특성에 의존하며, 따라서 매우 강력한 부정 방지 및 위조방지 기술을 구성한다. 산업 수준에서 구현하려면 칩이 저비용, 확장가능해야하며 특성은 식별 가능한 기능을 통해 쉽게 측정 할 수 있어야 한다.

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엔리케 버즈리(Enrique Burzurí) 등 3명의 IMDEA Nanoscience 연구원들은 탄소 나노 튜브를 기반으로 한 독창적이고 간단한 PUF를 제안했다. 탄소 나노 튜브는 유전체 영동에 의해 임의의 접합을 형성하는 일련의 16개의 전극에 조립된다. 각 전극 쌍에는 하나 또는 여러 개의 나노튜브가 있다.

강도 – 전압 곡선의 측정은 각 PUF에 고유한 독특한 패턴을 제공, 거의 재구현 할 수 없다. 이 나노 기술은 동일한 전자 특성(도체 또는 반도체)을 갖는 탄소 나노튜브를 획득하는 어려움 등 일반적으로 문제시 되는 탄소 나노튜브 특성을 이용한다. 또한, 공극 또는 산소 기능과 같은 고유의 제조 결함은 동일한 키랄성을 갖는 2 개의 탄소 나노 튜브가 동일한 컨덕턴스를 갖지 않는다는 것을 의미한다.

이러한 단점은 PUF의 강점이다.PUF는 쉽게 복제 할 수 없지만 측정 가능한 고유한 컨덕턴스(conductance, 전기가 얼마나 잘 통하느냐 하는 정도를 나타내는 계수) 패턴 구성이 필요하다. 동일한 입력이 주어지면 두 개의 PUF가 두 개의 다른 응답을 생성한다. 탄소 나노튜브를 기반 PUF는 특정 입력에 대해 생성하는 응답 값으로 식별 할 수 있다.

PUF는 측정 가능하고 고유한 서명을 제공해야 한다. 현재 반사성 등 물리적 특성에 기초한 PUF의 몇 가지 유형이 있다. 가장 간단하고 저렴한 1 단계 리소그래피
(lithography)는 전자 회로에 쉽게 삽입 할 수 있다. 리소그래피란 집적 회로 제작 시 실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리나 확산 처리하는 기술이다.

복잡성을 증가시키기 위해 더 많은 수의 전극으로 확장 할 수 있다. 이 PUF는 스마트폰, 마이크로 컨트롤러, 스마트 센서, 액추에이터로 구현 될 수 있으며 디지털 서명으로도 사용될 수 있다.

이 연구는 엔리케 버즈리(Enrique Burzurí), 다니엘 그라나도스(Daniel Granados), 에밀리오 페레즈(Emilio M. Pérez) 등 IMDEA Nanocencia 연구원이 참여했다. 이 연구는 유럽위원회 (MSCA-IF 및 ERC), 스페인 경제 및 경쟁력 부문 및 Comunidad de Madrid의 지역 정부 및 우수 센터 센터 인 Severo Ochoa 프로그램의 공동 기금으로 수행됐다.

*관련 논문

Burzurí, D. Granados, E. M. Pérez. 단일벽 탄소 나노튜브를 기반으로하는 물리적으로 분리 할 수 없는 기능 : 고유 한 식별자를 향한 확장 가능하고 저렴한 방법 (Physically unclonable functions based on single-walled carbon nanotubes: a scalable and inexpensive method toward unique identifiers). ACS Appl. Nano Mater. 2019, DOI : 10.1021 / acsanm.9b00322