성균관대 김성태 교수 공동연구팀, 차세대 양자 암호화 기술 개발

성균관대학교(총장 유지범) 기계공학과 김태성 교수 연구팀이 권석준 교수 연구팀과 협력하여 차세대 양자 암호화 기술을 개발했다. 연구팀은 반데르발스 위상 절연체 내에서 무작위적으로 발생하는 격자 대칭 붕괴 특성을 규명하고, 이를 활용한 물리적으로 복제 불가능한 기능(Physically Unclonable Function, 이하 PUF) 소자를 구현했다.

4차 산업혁명의 발전과 함께 인공지능(AI:Artifical intelligence)과 사물인터넷(IoT:Internet of Things) 기술이 확산되면서 해킹과 개인정보 유출 위험도 증가하고 있다. 특히 스마트폰과 같은 개인 디바이스의 보안 위협이 커지면서 이를 보호할 새로운 보안 시스템의 필요성이 대두되고 있다. PUF는 반도체 제조 과정에서 발생하는 물리적 변동성을 활용하여 고유의 보안 키를 생성하는 하드웨어 기반 보안 기술로, 소형 기기에서도 쉽게 구현할 수 있어 IoT 기기의 보안 강화를 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

기존의 PUF 소자는 보안 성능을 높이기 위해 보안키가 생성되는 조합의 수를 늘려야 하고, 이러한 보안키 조합을 증가시키기 위해 PUF 하드웨어의 구조를 바꿔야 하는 치명적인 한계가 있었다. 이에 연구팀은 반데르발스 위상 절연체의 특성에 주목하여 기존 PUF 소자의 한계를 극복하였다. 위상 절연체(Topological Insulator)란 격자 구조의 역전 대칭성(Inversion Symmetry)에 의한 위상학적 보호를 기반으로 내부는 절연 특성을 가지며, 표면에서는 전기가 흐르는 전도 특징을 갖는 물질로 최근 양자 컴퓨팅 연구에 활발히 활용되고 있다. 

연구팀은 저온 플라즈마 공정을 통해 위상 절연체의 최상단층을 황화(Sulfurization)시켜 원자 단위에서 무작위한 역전 대칭 붕괴를 유도했다. 이 과정에서 생성된 무작위 강유전 분극 분포는 외부 전력 없이 자가 전력으로 작동 가능한 나노미터(nm) 수준의 고보안성 PUF 소자를 구현하는 데 기여했다.

연구팀이 해당 PUF 소자의 보안 성능을 분석한 결과, 0과 1로 구성된 난수 배열에서 ‘1’이 발생할 확률이 50.12%로 계산되어 암호화에 최적의 무작위성을 확보할 수 있음을 확인했다. 또한, 강유전 도메인과 PUF의 크기를 제어할 수 있음을 검증하며, 저온 플라즈마 공정을 활용한 대면적 합성이 가능함을 입증했다. 이를 통해 연구팀은 본 기술이 상용화 및 대량 생산에도 적합함을 강조했다.

김태성 교수는 “반데르발스 위상 절연체의 격자 대칭 붕괴 특성을 활용한 차세대 양자 암호화 기술은 단일 플라즈마 공정만으로 자가 전력 기반의 고보안성 암호화 성능을 확보할 수 있다”며 “이 기술이 차세대 인공지능 및 양자 보안 플랫폼 구축에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단, 서울대학교 박정원 교수 연구팀, 파크시스템스 R&D 센터와 공동으로 진행됐으며, 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었다. 연구 성과는 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.6, JCR 상위 1%)에 지난 19일 온라인 게재됐다.