In general, IC chip circuit which is operating a cryptographic computation tends to radiate stronger electromagnetic signal to the outside. By using a power detecter such as a loop antenna near cryptographic device, the encryption key can be identified by probing a electromagnetic signal. To implement a method against non-invasive type attack, multi dielectric slab structure on IC chip to suppress radiated electromagnetic signal was introduced. Multiple dielectric slab was implemented by suitably configured to have the Bragg reflection characteristics, and then the reflection response was computed and verified its effectiveness. As a result, the thickness of the dielectric coating was 2mm and the reflection response characteristics for the vertical incidence was achieved to be 91% level.
정보통신 기술의 발달에 힘입어 세계적인 도시화, 문서의 디지털화, 금융 보안 강화, NFC 기반 스마트카드 도입 증가 등으로 인해 보안용 칩의 도입이 절실히 요구되고 있다[1]. 그러나 보안칩의 기능을 저해하고 정보 침해 공격 또한 정교해지고 있는 추세이다. 주로 데이터 복제, 조작 및 절도 방지를 위해 사용되는 비밀 키와 암호 키를 알아내려는 정교한 도구들과 기법들이 광범위하게 사용되고 있어 스마트카드 보안에 대한 우려도 증대되고 있다[2,3].
PUF(Physically Unclonable Function)[1]는 반도체 공정 편차를 이용해 물리적으로 복제 불가능한 키를 생성하고 시스템 안정성을 높이는 차세대 보안기술이다. 이 기술을 활용하면 역설계, 반 침투형(semi-invasive) 공격 및 비침투형(non-invasive) 공격으로부터 칩을 보호할 수 있다.
비침투형 공격[4]에는 여러 가지 유형이 있으나 전력분석 공격에서 SPA(Simple Power A
비침투형 공격에 대응하기 위한 한 방법으로서 IC 칩외부로 방사되는 전자기 신호를 억압하기 위해 칩 상부에 다중 유전체 슬래브 구조를 가지도록 구성하는 방법을 도입할 수 있다[5-8]. 이 경우에는 칩 상부에 위치하는 다중 유전체 슬래브의 두께 및 상대 유전율 등의 선택에 따라 원하는 반사응답 특성을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 암호연산이 수행되는 프린트 기판 회로 위에 다중 유전체 슬래브 구조를 형성시키고 암호연산이 수행되는 과정에서 외부로 방사되는 강한 전자기 신호를 억압하기 위한 수단을 연구하였다. 다중 유전체 슬래브는 Bragg 반사특성[9]을 적절하게 구성하여 칩 외부로 방사되는 신호가 대부분 억압될 수 있도록 하였으며 다중 유전체 슬래브의 반사응답 특성을 구하여 그 유효성을 검증하였다.
먼저 비침투형 공격에 강한 유전체 코팅을 실현하기 위해 그림 1과 같이 IC 회로 기판위에
우선 다중 유전체 슬래브 구조에 대한 반사계수 특성을 계산하기 위해서 그림 2와 같은 구조를 생각한다. 여기서 상대 유전율의 차이에 의해 굴절률 에 따라 스넬의 법칙을 만족한다. 각 인터페이스 면에서의 반사계수
여기서 파동 임피던스는
식 (2)에서
그림 2의 유전체 슬래브 구조의 왼편에서 입사파가 여기되고, 이에 따라 각 인터페이스 면에서는 반사파와 투과되는 파가 생기므로 이 관계를 이용하면 반사 특성 응답은
그림 1에서 유전체 기판 위에 인쇄된 프린트 회로가 암호 연산을 수행하는 경우에는 기판 외부 방향으로 강한 전자기 신호를 방사하게 된다. 공격자의 입장에서는 기판 상부에서 이러한 신호를 루프 안테나와 같은 계측장비를 이용하여 신호를 캡처하고 역으로 회로 기판 내부에서의 연산 값(암호 키 등)을 추정하는 등의 공격 수법 등이 잘 알려져 있다.
본 연구에서 기판 위 프린트 회로에서 연산되는 과정에서 발생하는 신호를 외부로 유출되지 않도록 기판 상부를 그림 3에 나타낸 Bragg 반사 코팅을 시도함으로써 다중 유전체 슬래브를 통과하는 신호가 억압될 수 있도록 설계하였다. Bragg 반사는 굴절률의 차이에 따라 각 인터페이스 면에서 Fresnel 반사[9]가 발생하고 각 인터페이스 면에서 반사된 모든 파동들이 상호 보강간섭을 가지도록 유도할 수 있다. 그림 3에서 (
최근 스마트카드 및 NFC 통신을 이용한 보안 솔루션도입이 보편화되고 있는 점을 고려하고, 암호키가 동작하는 IC 칩은 ISM 밴드(2.4-2.48GHz)에서 주로 동작하는 것으로 가정하였다. 이 경우 신호대역의 파장 범위는 120-125mm가 되며, 각 유전체 슬래브의 굴절률에 따른 반사 응답특성을 식 (5)를 이용하여 계산한 결과를그림 4와 5에 나타내었다.
그림 4와 5의 경우는 다중 유전체 슬래브에 TE (Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic)파가 수직 또는 경사 입사하였을 때의 반사응답 특성을 나타낸다. 수직 입사(
다음 실험으로 회로 기판 상부에 이중 Bragg 반사층 (
마지막으로 인쇄 회로 기판 상부에 4중 Bragg 반사 층(
TE파가 입사한 경우에는 경사 입사를 포함하여 반사 특성이 최소 91%를 보장하는 특성을 보였다. 동일하게 TM파가 입사한 경우에도 수직 입사의 경우에는 91%의 반사특성을 보였지만, 경사 입사(
스마트카드와 같은 ISM 밴드에서 동작하는 IC 칩이연산되는 과정에서 강하게 방사되는 신호를 억압하기 위한 유전체 코팅을 다중 유전체 슬래브 구조를 통하여 실현하였다.
유전체 코팅을 구성하는 다중 유전체 슬래브의 반복 구조 특성은 Bragg 반사특성을 가지도록 형성시킴으로써 외부로 방사되는 반사응답 특성은 약 90%의 억압특성을 나타냈으며 유전체 코팅의 두께는 2mm로서 실장 가능한 수준으로서 비침투형 공격에 대한 유효한 방법으로 볼 수 있다.