'해킹 원천 차단' 베타 양자난수발생기 개발

원자력연구원-전자통신연구원 공동연구팀
세계 최초 방사성동위원소 이용해 핵심칩 개발
1.5mm 칩으로 소형화에 성공해 실용화 가능해져

1.5㎜ 크기의 베타 양자난수발생기 집적회로 시제품. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 세계 최초로 방사성동위원소를 이용해 해킹이 원천적으로 불가능한 '소형 양자난수발생기 핵심 칩' 개발에 성공했다.

한국원자력연구원 김종범 박사와 한국전자통신연구원 박경환 박사 공동연구팀이 세계 최초로 베타 양자난수발생기를 1.5㎜ 크기의 칩으로 소형화에 성공, 실용화가 가능해졌다고 9일 밝혔다. 연구진은 앞으로 베타 양자난수발생기 칩의 성능을 극대화하고, 소형 사물인터넷(IoT)용 암호통신 시장 진출을 위해 기술 실용화를 추진할 계획이다.

전자통신연구원 김명준 원장은 "이 기술이 상용화 되면 모든 종류의 컴퓨터, 보안시스템, 프로세서, IoT 모듈에 탑재가 가능한 궁극의 진성난수발생기가 될 것"이라고 말했다.

연구진이 개발한 난수발생기는 니켈-63에서 나오는 베타선 신호의 간격을 이용해 난수를 생성한다. 베타선 신호는 무작위로 발생하기 때문에 통계학적으로 완벽하게 분산된 숫자, 즉 다음 숫자를 절대 예측할 수 없는 완벽한 난수를 만들 수 있다.

방사성동위원소가 붕괴하며 나오는 방사선이나 단일 광자의 양자역학적 물리현상에서 무작위 신호를 추출해 얻은 난수를 양자 진성난수라 한다.

난수발생기는 오늘날 컴퓨터, 이동통신 등 다양한 분야에서 정보를 암호화 하는데 사용되고 있다. 아직까지는 별도의 물리적 장치 없이 알고리즘으로 생성할 수 있는 유사난수가 활용된다. 하지만 유사난수는 해킹기술발전으로 난수생성 알고리즘이 해독될 수 있다는 약점을 지닌다. 이 때문에 보안성을 높이는 근본적인 해결책은 진성난수를 사용하는 것이다.

현재 암호시장은 유사난수 기반 체계에서 진성난수 기반 체계로 바뀌는 전환기에 있다. 암호 시장은 전 세계적으로 10조원, 국내 1500억원 규모다. 베타 양자난수발생기는 유사난수 기반의 암호통신 시장을 통째로 대체할 수 있는 잠재력을 지닌다. 특히, IoT에 적용할 경우 보안성을 획기적으로 높일 수 있어, 민간 및 군용 IoT에 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

베타 양자난수발생기 완성품 구조. 원자력연구원 제공

한편, 니켈-63에서 나오는 베타선은 에너지가 작아 방사선 검출 센서에 영향을 주지 않고 끊임없이 사용할 수 있어 난수를 고속으로 생성할 수 있다. 지금까지는 소형화한 검출 센서와 신호 처리 칩이 개발되지 않아 실용화가 불가능했다.

공동연구진은 베타선원 박막 제조기술과 저잡음 CMOS 기술을 적용해 베타 양자난수발생기 핵심회로를 집적화함으로써 칩에 넣을 수 있는 수준으로 소형화하는 데 성공했다.

베타선원 박막 제조기술은 아주 작은 양의 니켈-63을 코팅하는 기술이다. 이를 통해 베타선은 난수발생기 내부 검출 센서에만 전달되며, 칩 외부로는 나가지 않는다.

에너지가 작은 베타선의 신호를 잡아내기 위해서는, 신호 추출을 방해하는 반도체 자체의 잡음을 줄여야 한다. 저잡음 CMOS 기술을 활용하면 난수 생성에 필요한 신호 처리 회로를 집적화해 크기를 줄임과 동시에 노이즈를 최소화할 수 있다.

원자력연구원 박원석 원장은 "이 기술은 원자력연구원과 전자통신연구원이 보유한 핵심기술이 융합된 기술로 원자력 기술과 ICT 기술이 접목돼 새로운 융합연구 분야를 창출한 좋은 사례"라고 말했다.
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