광학 기반 실리콘 난수 나노구조를 이용한 저비용 인증 기술

초록

본 논문은 전자현미경 대신 공초점 레이저 현미경을 활용해 실리콘 난수 나노구조의 3차원 높이 정보를 정밀하게 측정하고, 이를 기반으로 위조 방지와 신원 인증이 가능한 저비용 나노 아티팩트 메트릭스를 제안한다. 높이 측정의 수 나노미터 수준 정밀도가 FMR·FNMR 성능을 좌우함을 실험적으로 확인했으며, 복제 시도에 대비한 통계적 ‘라이브니스 검증’ 방식을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 기존에 고가의 진공 기반 장비(SEM)로만 구현 가능했던 나노 아티팩트 메트릭스를 광학적으로 대체할 수 있음을 입증한다. 핵심은 전자빔 리소그래피 후 리소스 붕괴 현상을 이용해 100 nm × 100 nm × 100 nm 크기의 기둥을 무작위로 붕괴시켜 20 µm × 20 µm 영역에 복잡한 3D 형태를 만든 뒤, 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Microscope, CLM)으로 높이 데이터를 125 nm × 125 nm 픽셀 단위로 수집한다. 여기서 중요한 점은 CLM이 가로·세로 해상도는 회절 한계에 제한되지만, 높이 방향에서는 1 nm 수준의 정밀도를 제공한다는 점이다. 연구팀은 100개의 서로 다른 디바이스를 제작하고, 각 디바이스를 10회씩 반복 측정해 Pearson 상관계수 기반의 유사도 R을 계산하였다. 임계값을 조정함으로써 False Match Rate(FMR)와 False Non‑Match Rate(FNMR)를 각각 0.1 이하와 0.2 이하로 낮출 수 있었으며, 이는 인증 시스템에서 요구되는 높은 구분성을 만족한다.

또한, 측정 데이터를 1 nm, 10 nm, 100 nm 정밀도로 강제로 낮추어 보았을 때, 100 nm 수준에서는 FNMR이 급격히 악화되는 것을 확인했다. 이는 나노미터 수준의 높이 변동이 인증 성능의 핵심 요소임을 명확히 보여준다.

복제 공격에 대비해 연구팀은 원본 디바이스의 높이 히스토그램을 기반으로 5개의 클론을 제작하였다. 클론은 이진화된 높이 패턴을 e‑beam 리소그래피와 AFM 검증을 통해 구현했지만, 광학 측정에서는 회절·산란 효과로 인해 연속적인 높이 프로파일이 관측되었다. 통계적으로 진짜 디바이스는 거의 정규분포를 보이는 반면, 클론은 비대칭(skewed) 분포를 나타냈으며, 히스토그램 간 Pearson 상관도(R) 역시 명확히 구분되었다. 임계값을 0.2~0.27 사이에 설정하면 진짜와 클론을 효과적으로 구분할 수 있었다.

이러한 ‘라이브니스 검증’ 접근법은 바이오메트릭스에서 살아있는 조직을 판별하듯, 물리적 난수 구조의 통계적 특성을 이용해 위조를 탐지한다는 점에서 혁신적이다. 최종적으로, 저비용·진공‑프리 환경에서도 충분한 보안성을 확보할 수 있음을 실험적으로 증명했으며, 향후 대량 생산 및 실시간 인증 시스템에 적용 가능성을 제시한다.