- 원자력연-ETRI 공동연구팀, 베타선기반 양자난수발생기 핵심 칩 개발 -  

- IoT용 암호보안시스템에 해킹 불가능한 진성난수 공급으로 완벽 보안 가능 -

□ 불규칙한 임의의 숫자를 의미하는 난수(Random number)는 모든 암호보안시스템의 핵심 요소로, 난수의 무작위성이 시스템의 보안 수준을 결정한다. 국내 연구진이 해킹이 원천적으로 불가능한 진성난수를 고속으로 제공하는‘소형 양자난수발생기 핵심 칩’개발에 성공해 이목을 끈다.

□ 한국원자력연구원(원장 박원석) 김종범 박사와 한국전자통신연구원(원장 김명준) 박경환 박사 공동연구팀이 세계 최초로 니켈-63 베타선으로부터 난수를 생성하는 핵심회로를 집적화해 작은 칩으로 만드는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

ㅇ 이번 기술개발은 지난 2018년 9월부터 현재까지 과학기술정보통신부 원자력기술개발사업을 통해 수행 중이다.

사진1. 1.5mm 크기의 베타 양자난수발생기 집적회로 시제품

□ 이번에 개발한 난수발생기는 방사성동위원소 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.

ㅇ 이렇듯 방사성동위원소가 붕괴하며 나오는 방사선이나 단일 광자의 양자역학적 물리현상에서 무작위 신호를 추출해 얻은 난수를 양자 진성난수라 한다. 단일 광자를 이용한 무작위 신호 추출은 온도, 전원상태 등 외부 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 하지만 방사성동위원소의 붕괴로부터 추출하는 신호는 외부 요인에 영향을 받지 않아 가장 이상적인 난수를 생성한다. 

ㅇ 특히 베타선은 에너지가 작기 때문에, 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.

□ 원자력연-ETRI 공동연구팀은 베타선원 박막 제조기술과 저잡음 CMOS※ 기술을 적용해 베타 양자난수발생기 핵심회로를 집적화함으로써 칩에 넣을 수 있는 수준으로 소형화하는 데 성공했다.

    ※ CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체

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

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

ㅇ 이번 연구결과는 세계 최초로 베타 양자난수발생기를 1.5mm 크기 칩으로 소형화한 것으로, 실용화가 가능해졌다는 점에서 의미를 갖는다.

ㅇ 공동연구팀은 앞으로 베타 양자난수발생기 칩의 성능을 극대화하고, 소형 IoT용 암호통신 시장 진출을 위해 기술 실용화를 추진할 계획이다. 

사진2. 김종범 책임연구원이 베타선 신호의 무작위성을 이용해 난수를 생성하고 있다

□ 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.

ㅇ 현재 암호시장은 유사난수 기반 체계에서 진성난수 기반 체계로 바뀌는 전환기에 있다. 암호 시장은 전 세계적으로 10조 원(국내 1,500억 원) 규모로 알려져 있는데, 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.

 이미지. 베타 양자난수발생기 완성품 구조

□ 한국원자력연구원 박원석 원장은 “이번에 개발한 베타선 양자난수 생성 기술은 원자력연구원과 한국전자통신연구원이 보유한 핵심기술이 융합된 기술로서 원자력 기술과 ICT 기술이 접목되어 새로운 융합연구 분야를 창출한 좋은 사례” 라고 밝혔다. 

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