곽준영 교수팀, 2차원 소재 기반 물리적 난수 발생기용 반도체 소자 개발
곽준영 교수
지능형반도체공학전공
2차원 hBN 소재 활용 '하드웨어 보안 소자' 구현
예측 불가능한 확률 특성으로 차세대 데이터 보안 활용 기대
지능형반도체공학전공 곽준영 교수팀이 2차원 소재인 육각형 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, hBN) 기반 임계 스위칭 멤리스터(Threshold Switching Memristor)를 활용한 보안용 난수 발생기(True Random Number Generator, TRNG)를 개발했다.
차세대 데이터 보안을 위한 하드웨어 응용 분야에서의 활용이 기대되는 이번 연구 결과는 반도체 소재 및 소자 분야 세계적 권위를 자랑하는 학술지 <Advanced Functional Materials > 3월호에 「True Random Number Generator for Robust Data Security via Intrinsic Stochasticity in a 2D hBN Threshold Switching Memristor」라는 제목으로 게재됐다.
사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 엣지 컴퓨팅 기술이 빠르게 확산됨에 따라 데이터의 저장과 전송 과정에서 개인정보와 민감 정보를 안전하게 보호하기 위한 보안 기술의 중요성은 더욱 커지고 있다. 현재 대부분의 암호화 시스템에서는 소프트웨어 기반의 의사난수 발생기(Pseudo Random Number Generator, PRNG)를 사용하고 있으나 컴퓨팅 성능과 인공지능 기술의 발전으로 인해 이러한 방식의 보안성은 점차 취약해질 수 있다는 문제가 제기됐다. 이에 연구팀은 소자 자체의 내재적 확률적 특성(intrinsic stochasticity)을 활용하여 예측이 불가능한 난수를 생성하는 하드웨어 기반 진정 난수 발생기(True Random Number Generator, TRNG) 개발에 주목하였다.
연구팀은 다층 구조의 2D hBN 소재를 활용한 휘발성 멤리스터 소자를 개발하고, 해당 소자의 확률적 동작 특성을 이용해 하드웨어 기반 진정 난수 발생기를 구현했다. 개발된 소자는 낮은 구동 전압과 높은 on/off 비율을 갖는 안정적인 임계 스위칭 특성을 보였다. 스위칭 과정에서 동일한 입력 조건에서도 출력 스파이크의 지연 시간과 진폭이 확률적으로 변동되는 특성을 확인하였으며 이를 난수 생성을 위한 엔트로피 소스로 활용하였다.
(a) 2차원 hBN 소재 기반 멤리스터를 이용한 난수 발생기 하드웨어 구현
(b) 해당 소자의 확률적 동작 특성. 디지털 비트열 생성 및 이를 이용한 2차원 바코드 패턴 예시
연구팀은 이러한 확률적 스파이크 신호를 비교기를 통해 디지털 비트열로 변환함으로써 추가적인 후처리 없이 난수를 생성할 수 있는 TRNG 회로를 구현했다. 생성된 비트열은 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 난수성 검증 테스트를 모두 통과하며 높은 수준의 무작위성을 확인했고, 이를 활용한 검증을 거치면서 데이터 암호화 응용 가능성도 확인하였다.
곽준영 교수는 “이번 연구는 2차원 소재 기반 멤리스터 소자의 확률적 동작을 활용해 하드웨어 보안 기술에 적용 가능한 새로운 난수 생성 소자의 가능성을 제시한 연구”라며 “향후 차세대 데이터 보안 시스템과 사물인터넷 기반 전자기기 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 중견연구자 지원사업, 뇌과학 선도융합기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
논문 바로 가기 : https://doi.org/10.1002/adfm.202522597