플라즈몬 공명을 활용한 광학기반 물리적 복제 방지 기능

국문 초록 (Abstract)

정보 통신의 발달로 정보 보안에 대한 요구가 커졌다. 이뿐만 아니라 의약품, 전자제품 등의 불법 복제가 늘어나면서 식별된 사용자와 정품 인증에 대한 암호화 시스템이 고도화되었다. 이에 맞추어 아예 물리적인 복제가 불가능하여 안정성을 높인 보안 시스템의 구축에 이목이 집중되었고 이것이 물리적 복제 방지 기능(Physically unclonable function, PUF)이다.
PUF는 무질서한 물리적 배치나 자체적으로 내재한 무작위한 방식을 통해 사실상 복제가 불가능한 고유 식별자를 생성하는 보안 기능이다. 이로 인해 동일한 공정으로 제작하더라도 통제 불가한 공정상의 오류가 발생해 결과물에 차이가 발생하고 여기서 차별화되는 물리량을 암호화에 사용한다. 그 결과 같은 방법으로 복제를 시도하더라도 다른 결과물이 나와 복제가 불가하다는 특징을 가진다. 이뿐만 아니라 체계 내에 내장된 고유의 물리적 방식에 의해 암호화 키를 만들기 때문에 알고리즘에 의존하지 않은 비결정론적인 방식을 사용해 머신 러닝 공격에도 강한 저항성이 있다.
최근 연구에서는 광학의 파장, 편광, 투과율을 비롯한 다양한 변수를 활용해 복잡도를 높일 수 있다는 점과 비접촉 방식으로 샘플 손상 없이 빠른 측정이 가능하다는 점에 주목해 광학 기반의 PUF에 대한 연구가 늘어나고 있다.
본 연구에서는 이에 대한 방안으로 플라즈몬 기반의 PUF를 제안하였다. 무작위로 배치된 플라즈몬 구조물에서 플라즈몬 간의 결합이 일어나며 예측 불가능 형태의 빛의 산란과 간섭이 발생한다. 이에 의한 이미지를 암호화에 사용하여 무작위성이 높은 암호화 키를 생성하였다.
첫 번째로 금 나노 입자 기반 PUF에서는 기판 위에 무작위로 배치된 금 나노 입자들이 국소적 표면 플라즈몬 공명에 의해 전기 쌍극자 모드가 발생하고 강한 산란에 의한 이미지를 얻는다. 이미지로 얻은 암호화 키는 0.4981의 평균 해밍 거리 비율을 보여주어 높은 무작위성을 보였다. 두 번째로 연구한 알루미늄 필름 구멍 구조 기반 PUF는 석영 기판 위에 겹치지 않게 무작위로 구멍이 뚫린 알루미늄 필름이 있는 구조이다. 금속 표면과 구멍의 경계 끝부분에서 각각 표면 플라즈몬 공명과 국소적 표면 플라즈몬 공명이 발생하여 예측하기 어려운 이미지를 형성하였다. 성능을 확인한 결과, 평균 해밍 거리 비율과 표준편차가 각각 0.4987, 0.03113로 높은 무작위성과 좁은 분포를 가졌다. 자유도는 258bits로 물리적 비트 수인 256 bits와 유사한 값을 가져 각 비트가 독립적으로 동작하고 있음 또한 입증하였다. 추가로 실제 공정 상황을 가정해 구멍에 편차를 적용해 확인하였고 기존과 유사한 성능을 보여 실제 제작 시에도 준수한 성능을 보임을 확인했다. 마지막 연구에서는 두번째 구조의 구멍을 타원형으로 변경해 편광에 대한 반응성을 극대화해 하나의 PUF에서 편광에 따라 여러 개의 키를 얻을 수 있음을 보였다. 이 연구는 유한 미분 시간 영역 전산모사로 시행하였다. 절대적인 작은 크기 40 μm로 인해 소형 칩으로 만들기에 적합할 것으로 생각하고 공정 방식상 대량 생산이 쉽고 대형화에 유리해 크기를 키워 많은 양의 암호화 데이터를 담을 수 있다. 구조물은 이로 인해 ID 키나 정품 인증에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the development of information and communication technologies, the demand for enhanced information security has grown. In addition, the rise in illegal reproduction of pharmaceuticals and electronic devices has led to the sophistication of encryption systems for user identification and product authentication. This has driven the desire to build security systems that are physically unclonable, ensuring heightened stability and security. Such systems are referred to as Physically Unclonable Functions (PUFs).
PUFs generate unique identifiers that are virtually impossible to replicate by leveraging disordered physical arrangements or inherently random mechanisms. Even when produced under identical processes, uncontrollable manufacturing defects lead to differences in output. These unique physical properties are used in encryption. As a result, attempts to replicate the same process yield different outputs, making duplication impossible. Furthermore, because PUFs create encryption keys through the intrinsic physical mechanisms embedded within the system, they adopt a non-deterministic approach that does not rely on algorithms. As the results, those exhibit strong resistance to machine learning attacks.
Recent studies have highlighted the advantages of photonic PUFs. For example, they exhibit high complexity using a lot of variables such as wavelength, polarization, and transmittance, which enhance their functionality. Also, they can conduct fast, non-destructive measurements.
In this study, a plasmon-based PUF is proposed as a solution. Randomly arranged plasmonic structures create unpredictable scattering and interference patterns through plasmonic coupling. These patterns are used for encryption, generating highly random cryptographic keys.
At first, a gold nanoparticle-based structure PUFs was studied. They generate electric dipole mode via localized surface plasmon resonance, resulting in strong forward scattering and producing complex images. Those images are converted into encryption keys through binning and digitizing. This method achieved an average fractional Hamming distance of 0.4981, demonstrating high randomness.
In the second study, aluminum films with randomly distributed non-overlapping holes on a substrate were studied. Localized surface plasmon resonance at the hole edges and surface plasmon resonance on the metallic surface produced highly unpredictable images. Performances analysis revealed an average Hamming distance ratio and standard deviation of 0.4987 and 0.03113, which indicates high randomness and a narrow distribution. The degrees of freedom reached 258 bits. Considering the physical bit count of 256 bits, each bit operates independently. Additionally, to account for real manufacturing conditions, simulations were conducted incorporating deviations in hole diameters. The performance remained almost unchanged Hence, I expect the performance to be reliable even when producing real products.
In the final study, the hole shapes were modified to ellipses at the second structure to enhance polarization sensitivity. This adjustment allowed multiple keys to be generated from a single PUF depending on the polarization state.
This research was conducted using finite-difference time-domain (FDTD) simulations. Due to its compact size of 40 μm, the proposed structure is well-suited for miniaturized chips. Also, when considering the manufacturing process, it supports mass production and enables larger designs capable of storing substantial encryption data. These attributes make the plasmon-based PUFs promising candidates for use in ID keys and product authentication systems.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론 5
• 1. 물리적 복제 방지 기능 5
• 2. 광학 기반 물리적 복제 방지 기능과 PUF 키 구현 8
• 3. 표면 플라즈몬 공명 12
• 4. 국소적 표면 플라즈몬 공명 15
• 5. 국소적 플라즈몬들 사이의 결합 19
• Ⅲ. 물리적 복제 방지 기능 설계 21
• 1. 금 나노 입자 기반 물리적 복제 방지 기능 21
• 2. 알루미늄 필름 구멍 구조 물리적 복제 방지 기능 29
• 3. 비등방성 구멍 기반 물리적 복제 방지 기능 43
• Ⅳ. 결론 48
• 참고문헌 50
• 국문초록 56
• Abstract 58