방사선으로 해킹 불가능한 양자난수 만드는 1.5mm 초소형칩

[한 토막 과학상식]

2021.09.10 08:23

방사성동위원소가 방출하는 베타선을 활용해 해킹이 불가능한 난수를 만드는 1.5mm 크기의 베타 양자진성난수생성기가 개발됐다. 한국원자력연구원 제공

 

불규칙한 임의의 숫자를 뜻하는 난수는 모든 암호보안시스템의 핵심 요소다. 난수 중에서도 다음 숫자를 전혀 예측할 수 없는 진성 난수를 만들면 해킹이 불가능해진다. 이러한 진성 난수를 가로세로 1.5mm 크기 칩으로 만들 수 있는 기술이 개발됐다.

 

김종범 한국원자력연구원 동위원소연구부 책임연구원 연구팀은 박경환 한국전자통신연구원 초경량지능형반도체연구실 책임연구원과 공동으로 세계 최초로 방사성동위원소 니켈-63이 방출하는 방사선인 베타선에서 난수를 만드는 핵심회로를 작은 칩으로 만드는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

 

난수발생기는 컴퓨터와 이동통신 등 다양한 분야에서 정보를 암호화하는데 쓰인다. 아직은 별도 물리적 장치 없이 알고리즘으로 만드는 유사난수가 주로 쓰인다. 하지만 유사난수는 난수를 만드는 알고리즘이 해킹으로 해독될 수 있는 약점이 있다. 때문에 보안성을 높이기 위한 근본 대책으로 진성난수가 주목받고 있다.

 

그중 방사성동위원소가 붕괴하며 나오는 방사선이나 하나의 광자가 양자역학적으로 물리현상을 보일 때 발생하는 무작위성을 이용하는 난수가 양자 진성난수다. 하나의 광자를 이용한 신호 추출은 온도나 전원 등 외부 요인에 영향받는다. 하지만 방사성동위원소 붕괴는 외부 영향과 관계가 없어 이상적인 난수를 만들 수 있는 소재로 꼽힌다.

 

베타 양자난수발생기의 구조. 방사성동위원소가 베타 방사선을 내면 반도체 소자에서 이를 검출해 양자난수로 변환한다. 한국원자력연구원 제공

이번에 개발된 난수발생기는 니켈-63에서 나오는 베타선 신호의 간격을 이용해 진성난수를 만든다. 베타선은 매우 불규칙한 시점과 위치에서 끊임없이 방출된다. 통계학적으로 완전히 분산돼 다음 숫자를 예측할 수 없는 난수를 만들 수 있다. 베타선은 플라스틱으로 차폐할 수 있어 방사선 위험도 없다.

 

연구팀은 베타선을 만드는 니켈-63을 아주 소량 코팅하는 박막 제조기술과 잡음을 줄인 상보성금속산화막반도체(CMOS) 기술을 적용했다. 니켈-63의 양을 줄이면 베타선이 난수발생기 내부 검출 센서에만 전달된다. 에너지가 작은 베타선은 반도체 자체 소음을 줄인 저잡음 CMOS에서 측정할 수 있다. 이를 통해 연구팀은 1.5mm 크기 칩으로 양자 진성난수를 만드는 데 성공했다.

 

현재 암호시장은 전 세계적으로 약 10조 원 규모다. 유사난수가 주도하고 있지만 점차 진성난수 기반 체계로 전환하고 있다. 베타 양자난수발생기는 진성난수를 생성하면서도 크기가 작아 사물인터넷(IoT) 등에 활용될 것으로 기대된다.

 

박원석 원자력연 원장은 “이번에 개발한 베타선 양자난수 생성 기술은 원자력연과 ETRI가 보유한 핵심기술이 융합된 기술”이라며 “원자력 기술과 정보통신기술(ICT)이 접목되어 새로운 융합연구 분야를 창출한 좋은 사례”라고 말했다.

 

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

 

 

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•  조승한 기자shinjsh@donga.com
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