기계공학과 김태성 교수 연구팀이 성균관대 권석준 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 반데르발스 위상 절연체 내 무작위적으로 발현된 격자 대칭 붕괴 특성을 규명하고, 이를 기반으로 위상 절연체 기반 차세대 양자 암호화 기술 (Physically unclonable function, 이하 PUF)을 개발했다.

4차 산업 혁명의 도래로 인한 인공 지능 (Artifical intelligence) 기술의 발달과 함께 사물 인터넷 (Internet of Things) 해킹으로 인한 피해 및 사례가 증가하고 있다. 이는 일상 속 스마트폰과 같은 디바이스 해킹으로 인한 개인 정보 유출 위험이 존재하기에 보안 시스템 개발이 시급한 상황이다. 하드웨어 기반의 보안 소자 PUF는 반도체 제조 공정에서 발생하는 무작위 물리적 변동성을 활용해 물리적으로 복제 불가능한 고유 인식 키를 생성 가능하며, 소형화된 기기에서도 쉽게 구현 가능하여 IoT 기기의 해킹 방지에 적합하다.

하지만 기존의 PUF 소자는 보안 성능을 높이기 위해, 보안 키가 생성되는 조합의 수를 늘려야 하고, 이러한 보안 키 조합을 증가시키기 위해서는 PUF 하드웨어의 구조를 바꿔야 하는 치명적인 한계가 있었다. 이에 연구팀은 반데르발스 위상절연체의 특성에 주목하여 기존 PUF 소자의 한계를 극복하였다. 위상절연체 (位相絶緣體, Topological Insulator)란 격자 구조의 역전 대칭성 (inversion symmetry)에 의한 위상학적 보호를 기반으로 내부는 절연 특성을, 표면에서는 전기가 흐르는 전도 특징을 갖는 물질로 최근 양자 컴퓨팅 연구에 활발히 활용되고 있다. 이러한 위상학적인 보호를 저온 플라즈마 공정을 통해 최상단층을 황화 (Sulfurization)시키며 원자 단위에서 무작위하게 역전 대칭성의 붕괴를 유도하였고, 이때 무작위하게 발생한 역전 비대칭성의 붕괴는 평면 외 방향의 강유전 분극을 나타냄에 따라, 외부 전력 없이 자가전력으로 작동 가능한 나노 미터 (nm) 수준의 고보안성 PUF 소자를 구현하였다.

또한, 해당 PUF의 보안 성능을 분석한 결과, 0과 1로 구성된 배열 분포 중 “1”이 발생할 확률값이 약 0.5012로 계산되어 암호화에 있어 최적의 무작위성을 확보할 수 있다는 점을 밝혔다. 더 나아가 연구팀은 플라즈마 공정 변수 제어를 통해 평면외 강유전 도메인 및 PUF의 크기를 제어할 수 있음을 압전 응답력 현미경, X-선 광전자 분광법, 투과 전자 현미경 분석 등을 통해 검증하였다. 또한, 연구에서 사용된 저온 플라즈마 공정은 대면적 합성이 가능하다는 장점이 존재함에 따라 해당 암호화 소자가 상용화 및 양산 목적으로도 적합함을 검증하였다.

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

본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, 서울대학교 박정원 교수 연구팀, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였다. 해당 성과는 한국연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며 재료 과학 분야의 세계적인 학술지인 어드밴드스 머터리얼즈 (Advanced Materials, IF: 29.6, JCR 상위 1% 이내)지에 2월 19일 온라인 개재됐다.

※ 논문명: Stochastically broken inversion symmetry of van der Waals topological insulator for nanoscale physically unclonable functions

※ 논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202419927

저온 플라즈마 공정 기반의 반데르발스 위상 절연체의 격자 대칭성 붕괴 / 플라즈마 공정 변수에 따른 확률론적 강유전 도메인 암호화 성능 및 재현성 검증