随机数生成装置及其生成方法与流程

1.本发明涉及随机数生成装置及其生成方法，具体地涉及基于空间的无规律的粗糙度来生成随机数的随机数生成装置及其生成方法。


背景技术：

2.个人安全日益变得重要。因为每个人的日常生活的基本信息存储在便携式电子设备中，通过网络邮件接收账单等，通过公共机构证书访问重要个人信息，通过otp存取账户的钱。
3.随着进入第四次工业时代，安全的重要性预计进一步增大。因此，作为安全的核心要素的随机数的重要性也在增大。根据维基百科，随机数(不可预测的随机的数字排列；random number)是指在定义的范围内随机抽取的数，并且随机数是任何人都不能确定接下来出现的值。
4.安全性是通信中的重要要素，在第四次工业时代物联网(internet of thi ngs)将大幅增加，因此，与过去相比对随机数的需求会大幅度增加。
5.为了维护安全系统的安全体系必须需要随机数，到目前为止，利用计算机软件生成的伪(假)随机数来构建安全体系。由于这种伪随机数方式具有能够非常容易且快速生成随机数的优点，因此，已被引入到大多数随机数生成装置及系统中。
6.但是，设置为伪随机数的安全体系由于不久的将来计算机性能的快速发展(例如，超级计算机的出现等)，很容易从外部预测及审查生成的随机数，从而具有很容易被黑客入侵的缺点。
7.为了克服这种限制并确保第四次工业时代的安全，最近世界各地的研究人员和开发人员正在不断开发一种物理(真实)随机数生成装置，以便在任何人都无法预测的物理现象中生成随机数。


技术实现要素：

8.要解决的技术问题
9.本发明的目的在于，提供基于无规律的表面粗糙度来生成随机数的随机数生成装置及其生成方法。
10.本发明的再一目的在于，提供生成具有优秀安全性的随机数的随机数生成装置及其生成方法。
11.本发明的另一目的在于，提供具有移动性的随机数生成装置及其生成方法。
12.本发明的还有一目的在于，提供快速生成随机数的随机数生成装置及其生成方法。
13.本发明的又一目的在于，提供生成质量完整性优秀的随机数的随机数生成装置及其生成方法。
14.本发明要解决的技术问题不限于上述技术问题。
15.解决问题的技术方案
16.本发明一实施例的随机数生成装置可包括：电信号生成部，基于对象体的表面粗糙度，生成依赖于上述对象体的表面粗糙度的电信号；以及随机数生成部，基于在上述电信号生成部中生成的电信号，生成随机数(random number)。
17.根据一实施例，上述电信号生成部可根据依赖于上述对象体表面粗超度的接触型输入生成相互不同的电信号。
18.根据一实施例，上述电信号生成部可根据上述接触型输入的笔划方向(stroke direction)生成相互不同的电信号。
19.根据一实施例，上述电信号生成部可根据上述对象体的接触压力，生成相互不同的电信号。
20.根据一实施例，上述电信号生成部可便携。
21.根据一实施例，上述电信号生成部可包括至少一个表面粗糙度传感器，上述表面粗糙度传感器由形成有根据上述对象体的接触输入而变形的多个填充物并具有柔性的第一基板、与上述第一基板相向的第二基板，以及设置在上述第一基板与上述第二基板之间的可变电阻层。
22.根据一实施例，当上述填充物变形的情况下，上述可变电阻层的电阻可能下降。
23.根据一实施例，上述至少一个表面粗糙度传感器可沿着上述电信号的生成部的面方向以阵列形式提供。
24.根据一实施例，上述电信号生成部可包括表面粗糙度传感器，上述表面粗糙度传感器形成有朝向对象面发射光的发光部及接受所发射的上述光被对象面所反射的光的受光部。
25.本发明一实施例的随机数生成方法可包括：电信号生成步骤，生成依赖于对象体的表面粗糙度的电信号；以及随机数生成步骤，基于在上述电信号生成部中生成的电信号，生成随机数。
26.发明的有益效果
27.本发明一实施例的随机数生成装置及其生成方法，可基于无规律的表面粗糙度来生成随机数。
28.根据本发明一实施例的随机数生成装置及随机数生成方法生成的随机数可具有优秀的安全性。
29.本发明一实施例的随机数生成装置可具有便携性和/或移动性。
30.本发明一实施例的随机数生成装置及其生成方法可以高速(1gbps以上的速度)生成随机数。
31.本发明一实施例的随机数生成装置及其生成方法可以生成高质量的随机数。
附图说明
32.图1为用于说明本发明一实施例的随机数生成装置的框图；
33.图2为用于说明本发明一实施例的随机数生成装置的图；
34.图3及图4为用于说明本发明一实施例的电信号生成部的图；
35.图5为用于说明本发明一实施例的随机数生成部的图；
36.图6为用于说明本发明一实施例的随机数生成方法的图；
37.图7至图12为用于说明本发明一实施例的随机数生成方法的具体图；
38.图13至图17为示出本发明一实施例的随机数生成装置的制造例及使用例；
39.图18至图20为用于说明发明变形例的电信号生成部的图。
具体实施方式
40.以下，参照附图，详细说明本发明的具体实施例。但是，本发明的技术思想不限于在这里描述的实施例并且可以以其他方式实现。相反，这里介绍的实施例是为了使所公开的内容彻底并完整并且将本发明精神充分传递给本领域的技术人员而提供的。
41.在本说明书中，记载为一结构要素在另一结构要素上的情况下，意味着该结构要素可以直接形成在另一结构要素或者可以在它们之间插入“第三”结构要素。并且，为了有效描述技术内容，在附图中夸张地示出形状和尺寸。
42.并且，本说明书的多个实施例中“第一”、“第二”、“第三”等术语是为了记载多种结构要素而使用的，但是上述结构要素并不受上述术语的限定。上述术语仅用于区分一结构要素与另一结构要素。因此，在一实施例中被称为“第一结构要素”而在另一实施例中也可以被称为“第二结构要素”。在这里描述并图示的各个实施例还包括其补充实施例。在本说明书中，“和/或”用于表示包括前后列出的结构要素中至少一个。
43.在本说明书中，“包括”或“具有”等术语意在指定说明书中所记载的特征、数字、步骤、结构要素、部件或这些组合的存在，而不得理解为预先排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、结构要素、部件或这些组合的存在或附加可能性。
44.并且，在本发明的以下描述中，如果确定相关公知功能或结构的详细说明可能不必要的混淆本发明的主旨，将省略其详细说明。
45.图1为用于说明本发明一实施例的随机数生成装置的框图。
46.参照图1，本发明一实施例的随机数生成装置可包括电信号生成部110，基于无规律的表面粗糙度，生成依赖于上述对象体的表面粗糙度的电信号。
47.上述电信号生成部110可以通过与对象体接触或非接触的方式生成依赖于表面粗糙度的电信号。这里说的粗糙度可以理解为包括在电信号生成部110中设置的表面粗糙度和/或对象体自身表面粗糙度中至少一个的概念。
48.上述电信号生成部110为接触型电信号生成部的情况下，可通过不仅考虑表面的粗糙度，还要考虑接触压力、笔划方向来生成电信号。例如，即使以相同的压力进行物理接触，表面粗糙度不同的对象体可能生成不同的电信号。又例如，即使对表面粗糙度相同的对象体进行接触，也可以根据接触压力生成不同的电信号。又例如，即使对具有相同表面粗糙度的对象体以相同的压力进行接触，也可以根据笔划方向生成不同的电信号。这里说的笔划方向可以是指从接触开始点到接触结束点的接触方向的变化。
49.上述随机数生成部180可以基于在上述电信号生成部110中生成的电信号，生成随机数。即，上述随机数生成部180可以将基于在上述电信号生成部110中无规律的表面粗糙度生成的无规律的电信号转换为随机数。
50.以下，更详细地描述各个结构。
51.图2为用于说明本发明一实施例的随机数生成装置的图，图3及图4为用于说明本
发明一实施例的电信号生成部的图。
52.参照图2，本发明一实施例的电信号生成部110可以由多个表面粗糙度传感器120的阵列形成。例如，表面粗糙度传感器120可在x方向排列4个，在y方向排列4个。这是为了便于说明，阵列的方向及数量不限于此。并且，以下为了便于说明，以图2中a所示的区域中的表面粗糙度传感器为例说明，但本发明不限于此。
53.上述表面粗糙度传感器120可以是指与对象体以接触的方式测量表面粗糙度的传感器。为了进一步详细说明，参照图3，上述表面粗糙度传感器120可包括第一基板130、可变电阻层132、第二基板140及填充物142中至少一个。以下描述各个结构。
54.上述第一基板130可以用作支撑基板。上述第一基板130可以由刚性材料或柔性材料制成。例如，上述第一基板130可以由聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，pet)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)制成。
55.在上述第一基板130上可以设置可变电阻层132。
56.上述可变电阻层132可由电阻根据施加的压力而变化的材料制成。例如，上述可变电阻层132可以由包括规定空隙(void)的传导性材料制成。在此情况下，当施加对象体的接触压力时，由于空隙减少并传导性材料间的接触面积增加，因此可变电阻层132的电阻会下降。为此，上述可变电阻层132可以由石墨烯制成。
57.在上述可变电阻层132上可以设置第二基板140。在上述第二基板140上可以设置多个填充物142。即，第一基板130、可变电阻层132、第二基板140及填充物142可在图3的z轴方向上依次叠加。
58.上述填充物142可以具有微米或纳米单位的宽度，并可以具有从上述第二基板140的表面沿着z轴方向以规定高度突出的形状。在与对象体接触的情况下，上述填充物142可根据对象体的表面粗糙度、接触压力、笔画方向中任一因素发生物理变形。为此，上述填充物142可以包括具有规定弹性的材料，例如，pet、pdms中的至少一种。
59.根据一例，上述填充物142间的间距可以是几微米，例如1um。上述填充物142间的间距变得越窄，越能提高分辨率。
60.根据一例，上述填充物142可以与上述第二基板140形成为一体。
61.上述第二基板140可以与上述填充物142的物理变形相联动并一起变形。为此，上述第二基板140也可以包括pet、pdms中的至少一种材料来制成。在上述第二基板140发生物理变形的情况下，上述第一基板130与上述第二基板140之间设置的可变电阻层132也可以变形。即，对象体的接触输入经过填充物142和第二基板140传递到可变电阻层132，因此，可变电阻层132的电阻可以发生变化。
62.根据一例，可以在上述第二基板140上设置多个上述填充物142，并且可以以各个弹性系数不同的方式设置宽度、高度和/或形状。例如，越往x轴方向走，填充物142的宽度越厚。由此，即使存在具有相同表面粗糙度及相同接触压力的接触输入，可变电阻层132的电阻也可能不同。
63.上述可变电阻层132的电阻变化可由路由器122及连接在路由器122的电极124来测定。参照图2及图4进行更详细的说明，在与可变电阻层132相同电平可以设置路由器122及电极124。上述路由器122的一端可以与上述可变电阻层132的两端电连接，上述路由器122的另一端可以与上述电极124电连接。因此，可通过上述电极124来测定根据对象体的接
触输入的可变电阻层132的电阻变化。
64.根据一例，上述路由器122及上述电极124也可以由石墨烯制成。但是，上述路由器122及上述电极124可控制宽度、厚度、石墨烯浓度来具有比上述可变电阻层132更高的导电性。
65.以上描述了本发明一实施例的电信号生成部110的结构。虽然以图2中a所示的电信号生成部110为例进行了描述，但是图2的其余15个电信号生成部110也可以具有对应的结构。因此，如图2所示，在中心部形成有16个电信号生成部110，在边缘部分形成有与各个电信号生成部110电连接的电极。
66.以下，描述本发明一实施例的电信号生成部110的制造方法。
67.首先，可准备第一基板130。可以在上述第一基板130上设置形成有与路由器122及电极124的形状相对应的开口的第一掩膜。并且，可准备溶解在二甲基甲酰胺(dmf，dimethylformamide)溶剂中的第一石墨烯溶液。所准备的上述第一石墨烯溶液可以通过上述第一掩膜喷涂到路由器及电极位置上。此后，可以在上述第一基板130上设置形成有与可变电阻层132的形状相对应的开口的掩膜。所准备的上述第二石墨烯溶液可以通过上述第二掩膜喷涂到可变电阻层位置上。由此，可形成路由器122、电极124、可变电阻层132。
68.另一方面，可准备第二基板140。多个微填充物142可以形成在上述第二基板140上。在上述第二基板140由pet制成的情况下，可以通过蚀刻工艺在上述第二基板140的一面形成填充物142。与此相反，在第二基板140由具有高柔性的pdms形成的情况下，通过模塑(molding)工艺在第二基板140的一面形成填充物142。
69.所准备的上述第二基板140可以与第一基板130相结合，使得上述填充物142向外部露出，在该第一基板130上形成有上述路由器122、电极124、可变电阻层132。
70.以上描述了本发明一实施例的电信号生成部110。以下，描述本发明一实施例的随机数生成部180。
71.图5为用于说明本发明一实施例的随机数生成部的图。
72.参照图5，上述随机数生成部180可通过基于上述电信号生成部110中对象体的表面粗糙度的电阻变化值来生成随机数。为此，上述随机数生成部180可设置有包括预处理部182、变换器184、信号处理部186及随机数生成器188中的至少一种。
73.上述预处理部182可以从上述电信号生成部110获得电阻变化值并消除噪声。并且，例如，上述预处理部182可以指定y轴的电阻范围，并将其标准化。
74.上述变换器184可以对上述预处理部182的模拟结果值进行数字化。
75.上述信号处理部186可以从上述变换器184的数字值中生成最低有效位(lsb，least significant bit)。
76.上述随机数生成器188可以基于来自上述信号处理部186的结果值，生成随机数(rn)。上述随机数生成器188可根据预定的随机数生成算法生成随机数(rn)。
77.以上，参照图1至图5描述了本发明一实施例的随机数生成装置100。以下，参照图6至图12来描述本发明一实施例的随机数生成方法。当然，本发明一实施例的随机数生成方法可以由所述的随机数生成装置100来实现。
78.图6为用于说明本发明一实施例的随机数生成方法的图，图7至图12为用于说明本发明一实施例的随机数生成方法的具体图。
79.参照图6，本发明一实施例的随机数生成方法包括：电信号生成步骤，生成依赖于对象体的表面粗糙度的电信号(步骤s110)；以及随机数生成步骤，基于在上述电信号生成部中生成的电信号，生成随机数(步骤s120)。
80.步骤s110
81.规定对象体可以与上述表面粗糙度传感器120接触。规定的对象体不限于该对象，以下为了便于说明，假设为手指和笔。
82.参照图7，作为手指的对象体obj1可以沿着t1方向与表面粗糙度传感器120接触。对象体的接触输入之前的可变电阻层132的厚度可以是初始厚度d1。例如，随机数生成部180可通过与上述可变电阻层132电连接的电极124定期获得上述可变电阻层132的电阻变化值。在上述可变电阻层132的厚度为d1的情况下，上述可变电阻层132的电阻可以是最大值。
83.接着，参照图8，作为手指的对象体obj1可以按压并接触规定填充物142。由此，填充物142发生物理变形，上述填充物142的变形引起上述第二基板140的局部变形，由于第二基板140的变形，可变电阻层132的厚度可以从d1变为d2。因此，可变电阻层132的电阻会下降，这是因为电路径增加而不是石墨烯的空隙减少。在此情况下，在作为手指的对象体obj1按压并接触的接触压力发生变化的情况下，可变电阻层132的厚度可以相应地发生变化。因此，上述随机数生成部180可以识别电阻变化并生成与其相应的新随机数。
84.作为参考，虽然在图8中图示根据作为手指的对象体obj14个填充物142发生形状变化，但这是为了便于说明的，在填充物142间的间距为1um且该宽度为几微米大小的情况下，当然，面积为1mm2的对象体obj1可以使数万个填充物142变形。在此情况下，可变形的填充物142的数量和填充物142的变形程度可以根据对应于1mm2面积的表面粗糙度的指纹的形状和深度而变化。
85.另一方面，参照图9，作为笔的对象体obj2具有与手指不同的表面粗糙度，其可以沿着t2方向与表面粗糙度传感器120接触。对象体的接触输入之前的可变电阻层132的厚度可以再次为初始厚度d1。
86.接着，参照图10，作为笔的对象体obj2可以按压并接触规定的填充物142。因此，填充物142发生物理变形，上述填充物142的变形引起上述第二基板140的局部变形，由于第二基板140的变形，可变电阻层132的厚度从d1变为d3。在此情况下，可变电阻层132的厚度变化程度可以大于作为手指的对象体的厚度变化的程度。因此，即使在填充物142用笔以与手指相同的压力接触的情况下，可变电阻层132的电阻下降程度也可能不同。这是因为它们的表面粗糙度等不同。因此，可以根据用什么样的对象体来按压并接触填充物，生成相互不同的随机数。
87.另一方面，参照图11，作为手指的对象体obj1在按压并接触填充物142的情况下，可以沿着t3方向进行笔划。为了便于理解来参照图12，可以从t3a开始到t3b进行笔划。在此情况下，对应于t3a到t3b的各个表面粗糙度传感器中可以引起电阻变化。因此，随机数生成部180在各个表面粗糙度传感器中选择特定的表面粗糙度传感器，并可以通过这些表面粗糙度传感器中测定的电阻的组合来生成随机数。
88.以上描述了本发明一实施例的随机数生成方法。以下，参照图13至图17来描述制造例及使用例。
89.图13至图17为示出本发明一实施例的随机数生成装置的制造例及使用例。
90.图13为示出所制造的填充物142的照片。规模是200um。如图13所示，可以确认形成有微小尺寸的填充物。
91.图14为示出所制造的随机数生成装置的照片。如图所示，在一实施例的随机数生成装置设置有16个表面粗糙度传感器的情况下，也具有足以用一只手把持的尺寸，并具有柔性。因此，一实施例的随机数生成装置可以认为是便携的。
92.图15为示出任意对象体的表面粗糙度的照片，图16为示出通过在图15中图示的对象体来接触填充物表面的情况下出现的电极的电压变化，图17为示出基于在图16中图示的电阻变化，在随机数生成部180中生成的随机数(黑色＝1，白色＝0)
93.以上，根据所述的本发明一实施例的随机数生成装置及随机数生成方法，可基于对象体具有的固有的表面粗糙度来生成随机数。并且，对象体接触填充物的压力、笔划方向以及填充物及基板的弹性系数可以影响可变电阻层的电阻变化。因此，使用人员生成的随机数可具有优秀的安全性。这是因为无法破解使用人员所使用的对象体的表面粗糙度、接触压力、笔划方向、填充物及基板的弹性系数。因此，本发明一实施例的随机数生成装置可以提供优秀的安全性。
94.并且，根据本发明一实施例的随机数生成装置及随机数生成方法，可以依赖于空间而不是时间来生成随机数。如果只依赖于时间生成随机数，则为了提高随机数的质量或数量而不可避免需要投入更多时间。但是，根据一实施例，因为依赖于具有无规律的表面粗糙度的空间，因此，为了增加随机数的质量或数量，其可以通过增加测量空间的表面粗糙度的传感器的数量来解决。即，可以显著减少随机数的生成时间，并如上制造例所示，可以保持可便携的优点。
95.进而，本发明一实施例的随机数生成装置及其生成方法因为基于表面粗糙度，因此，可以简化装置。与此相反，以往的基于量子技术的随机数生成装置几乎没有便携性和移动性，因为装置的实现既复杂而且体积又大。与此相反，一实施例的随机数生成装置与其他技术不同，一实施例的随机数生成装置可以安装在诸如作为第四次工业革命核心的智能手机的便携式设备上。
96.以上，描述了本发明一实施例的随机数生成装置及随机数生成方法。虽然假设电信号生成部包括接触型表面粗糙度传感器，以下实施方式与其的不同之处在于包括非接触型表面粗糙度传感器。以下，主要描述不同的结构。
97.图18至图20为用于说明本发明变形例的电信号生成部的图。
98.参照图18，变形例的电信号生成部可以包括表面粗糙度传感器150、发光部152及受光部154。发光部152可以朝向对象面obj3提供发射光l1，并且受光部154可以接受从对象面obj3反射的反射光l2。
99.如果扩大作为对象面obj3的一部分的c，即使宏观上是光滑的表面，也可能是微观上具有凹凸的表面。因此，在受光部154可以接受与表面粗糙度相应的反射光l2的量。上述受光部154可基于反射光l2的量和表面粗糙度来生成电信号。
100.当然，可根据需求以阵列的形式设置变形例的表面粗糙度传感器150。
101.上述表面粗糙度传感器150中所生成的电信号可以提供给上述随机数生成部180。因此，上述随机数生成部180可以生成固有的随机数。
102.变形例的表面粗糙度传感器150可以设置在汽车中。
103.参照图19，变形例的表面粗糙度传感器150可以以朝向行驶面的方式设置在汽车的一侧。
104.由于汽车的行驶面随着汽车行驶t4而变化，因此，受光部154接受的反射光l2在行驶面的表面粗糙度中不断地发生变化。由此，随机数生成部180可以生成固有的随机数。
105.如果汽车是启动状态但处于停止状态时，汽车在启动过程中也可以生成固有的振动。因此，即使汽车处于停止的情况下，由于汽车自身生成的振动，发射光l1的方向角会发生变化。因此，受光部154接受根据表面粗糙度变化的反射光l2。由此，随机数生成部180可以生成固有的随机数。
106.参照图20，可以确认图19所示的表面粗糙度传感器150的另一变形例。参照图19来描述的表面粗糙度传感器150安装在汽车底面的一侧以获得行驶面的表面粗糙度。
107.与此相反，根据图20所示的表面粗糙度传感器150的变形例，可以设置在汽车轮胎的一侧，例如设置在汽车轮胎接地面胎面的槽中。进而，可以沿着轮胎的圆周方向设置多个表面粗糙度传感器150。如图20所示，表面粗糙度传感器150可以沿着接地面的圆周方向包括发光部152a1、152b1、152c1和受光部154a1、154b1、154c1。因此，与轮胎和行驶面接地的环境无关，始终可以获得行驶面的表面粗糙度。此外，当然可在以轮胎的宽度方向上设置多个发光部及受光部。即，如图20所示，轮胎的胎面槽还可以排列发光部152a2、152b2、152c2和受光部154a2、154b2、154c2。
108.由于表面粗糙度传感器150设置在轮胎的胎面槽，在距行驶面的距离根据轮胎的旋转最小化的环境中，可以获得行驶面的表面粗糙度。
109.以上描述的本发明的多个实施例可以应用于需要随机数的多种领域。例如，本发明的多个实施例可以应用于智能手机，也可以应用于个人医疗信息实时通信的医疗设备、自动行驶汽车、多种物联网(iot)设备、金融科技otp，区块链等。
110.以上，使用优选实施例详细说明了本发明，但本发明的保护范围不限于特定实施例，本发明的保护范围应由所附发明要求保护范围来解释。并且，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，就可在不脱离本发明的本质特征的范围内进行多种修改及变形。