서울대 공대 재료공학부 남기태 교수-한국과학기술원 최준일 교수 공동 연구팀, 카이랄 나노입자를 이용한 새로운 가시광 통신 암호화 기술 개발

- 복제 불가능한 나노입자 활용해 군사 통신 및 기능성 디스플레이 실용화 토대 마련
- 최고 권위 다학제 학술지 Nature Communications 논문 게재


▲ (왼쪽부터) 서울대학교 재료공학부 한정현 학생 (공동 제1저자), 한국과학기술원 전기및전자공학부 한건호 학생 (공동 제1저자), 서울대학교 재료공학부 지아웨이 류 박사 (공동 제1저자)

서울대학교 공과대학은 재료공학부 남기태 교수와 한국과학기술원(KAIST) 최준일 교수의 공동 연구팀이 카이랄 나노입자를 이용해 보안성이 높은 가시광 통신 암호화 기술을 새로 개발했다고 밝혔다.

망망대해 어둠 속 길잡이가 되어주는 것은 등대가 비추는 한 줄기 빛이다. 이처럼 빛을 이용한 정보 전달은 인류 역사를 가능케 한 중요한 통신 방식이었다. 최근에는 높은 주파수와 직진성을 갖는 가시광에 기반한 차세대 통신 기술이 주목받고 있는데, 조명 장치와의 결합이 가능할 뿐 아니라 기존 통신망에 의한 전자기파 오염 우려가 없기 때문이다. 이처럼 높은 보안성과 빠른 전송 속도가 강점인 가시광 통신은 국소 통신 체제, 특히 군사 작전 현장의 차량, 드론 및 작전 인원 간 통신 체제에 적합하다는 평가를 받고 있다.    

빛은 세기와 파장(색상) 이외에도 편광을 통해 방대한 양의 정보를 수송한다. 예컨대 편광 필터를 사용한 3D 영화는 각각 다른 편광의 영상 두 편을 관객의 양안에 제공하여 입체감을 느끼게 한다. 최근에는 가시광 통신의 보안성과 성능을 향상시키는 시도가 이뤄지고 있는데, 그 일환으로 편광과 관련된 기술, 예컨대 편광의 중첩 특성에 기반한 양자정보통신 기술 등이 도입되고 있다.

서울대-카이스트 공동 연구팀은 이러한 빛의 편광이 나노 물질과의 상호작용을 통해 큰 폭으로 변조될 수 있다는 점에 착안해 이번 연구에서 신소재 기반의 신개념 가시광 통신 암호화 기술을 개발했다. 이 기술의 핵심은 거울로 볼 때에는 대칭구조를 이루고 있지만 겹쳐지지 않는 특성, 즉 카이랄성(chiral性)을 갖는 나노 물질이 편광의 축을 기울이거나 축의 회전성을 큰 폭으로 조정할 수 있다는 점이다. 이미 2018년과 2022년 두 차례에 걸쳐 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 ‘세계 최고 수준의 편광 제어 성능을 갖는 카이랄 나노입자의 합성법과 광학 소자화’에 관한 논문을 게재한 바 있는 연구팀은 이 연구 성과를 기반으로 이번에는 나노입자에 대한 정보 없이는 복제 및 탈취가 불가능한 가시광 통신 암호화 기술을 제시한 것이다.

이 기술에 이용되는 카이랄 나노입자는 단백질, DNA 등 바이오 분자의 카이랄성을 나노입자의 결정면에 이식시켜 그 구조를 뒤트는 방식으로 만들어진다. 즉, 나노입자의 합성 과정에 사용되는 바이오 분자의 완전한 서열 정보 없이는 그 광학적 성질을 모사할 수 없기 때문에 카이랄 나노입자는 가시광 통신에 있어 마치 지문이나 복제가 불가능한 열쇠처럼 기능한다. 따라서 복사 불가능한 나노입자 실물을 보유하고 있는 수신자만이 올바른 정보를 수신할 수 있다. 이 암호화 기술이 드론 등을 운용하는 군사 현장의 포인트-투-포인트 보안 통신 체제에서 특히 활용도가 높으리라 기대를 모으는 이유다.

또한 연구팀은 이번 연구에서 암호화된 편광 정보를 송신할 수 있는 시공간적 편광 제어 소자도 개발했다. 에너지 효율이 높고 편광 빛을 발광하는 양자 나노 막대와, 이 빛에 회전성을 부여하는 나노 와이어 물질을 혼합해 3차원 인쇄함으로써 수백 마이크로미터의 공간적 해상도 및 수 나노초의 시간적 해상도, 즉 모든 편광 상태를 제약 없이 표현할 수 있는 픽셀의 편광 제어 소자를 제작해낸 것이다. 송신단은 이 소자를 통해 나노입자의 편광 제어 특성에 적합한 형태로 편광 정보를 암호화하여 송출할 수 있다. 이 기술은 향후 폼팩터 프리(Form-factor free)하게 시공간적 편광을 제어하는 소자 양산 원천 기술로도 확대될 수 있다는 평가다.

남기태 서울대 재료공학부 교수는 “신소재 기술과 통신 기술을 적극적으로 결합한 연구가 세계 최초이자 유일의 가시광 통신 암호화 기술을 개발하는 데 주효했다”며 “해당 기술이 국방력 증진에 기여할 뿐 아니라 디스플레이 등 산업 분야에서 빠르게 상용화될 수 있을 것으로 전망된다”고 전했다. 최준일 카이스트 전기및전자공학부 교수는 “재료공학과 전기공학 전공자의 공동 연구로 이런 훌륭한 연구 성과를 도출할 수 있었다”며 “앞으로 나노입자 기반의 가시광 통신 기술을 더욱 발전시켜 도청이 원천적으로 불가능한 통신 기술을 개발하고자 한다”고 밝혔다. 또한 공동 제1저자로 연구에 참여한 한정현 학생은 “이번에 개발한 암호화 시스템이 편광에 기반한 광학 정보 전달에 있어 큰 확장성과 파급력을 갖춘 플랫폼으로 작용할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

해당 연구는 국방과학연구소 미래도전국방기술개발사업, 한국연구재단 기초연구실지원사업, 그리고 LG 디스플레이의 민간지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 그 중요성을 인정받은 연구성과는 지난 9월 27일 최고 권위의 다학제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

▲ 카이랄 나노입자를 이용한 신개념의 편광 기반 가시광 통신 암호화 시스템의 개념도 (© Nature Communications)


[참고자료]
“Spatiotemporally modulated full-polarized light emission for multiplexed optical encryption”, Nature Communications
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52358-7

[문의]
서울대학교 재료공학부 생체분자나노재료연구실 한정현 연구원 / 02-880-8305 / hanjh@snu.ac.kr