동형암호 기술의 현재 동향과 응용 사례 분석

1. 요약

• 이 리포트는 동형암호 기술의 현재 동향과 주요 응용 사례를 분석합니다. 동형암호의 기본 개념 및 역사, 주요 기술적 특징과 현재의 실제 응용 사례를 다룹니다. 동형암호는 데이터를 암호화된 상태에서 연산할 수 있는 혁신적인 암호화 기술로, 의료와 금융 분야에서 개인정보 보호와 데이터 분석의 균형을 맞추기 위해 사용되고 있습니다. 특히 서울아산병원은 크립토랩과 협력하여 수술 후 사망률 예측 모델을 개발하였으며, 삼성SDS는 신용평가 분석 서비스를 통해 금융 분야에서의 응용 가능성을 입증했습니다. 하지만 성능 문제와 암호문 크기의 증가 등 기술적 과제가 여전히 남아 있습니다.

2. 동형암호의 개념 및 역사

• 2-1. 동형암호 정의

• 동형암호(同型暗號, Homomorphic Encryption, HE)는 데이터를 암호화된 상태에서 연산할 수 있는 암호화 방법입니다. 암호문들을 이용한 연산의 결과는 새로운 암호문이 되며, 이를 복호화하여 얻은 평문은 암호화하기 전 원래 데이터의 연산 결과와 같습니다. 동형암호는 개인정보를 안전하게 보호한 채로 외부 매체에 저장 및 계산하는 목적으로 활용됩니다. 예를 들어, 데이터를 암호화한 채로 상업용 클라우드 서비스에 외주를 맡겨 암호화된 채로 데이터 처리를 할 수 있습니다.

• 2-2. 동형암호의 최초 제안과 발전 경로

• 동형암호라는 개념은 1978년에 Rivest, Adleman, Dertouzos가 공동으로 저술한 논문인 RAD78에서 처음 제안되었습니다. 그들은 이 논문에서 동형암호의 개념을 소개하고 몇 가지 후보 스킴과 한 가지의 응용을 제시하였습니다. 이러한 개념은 데이터베이스를 운영하기 어려운 소규모 대부업자가 외부 업체에 데이터의 저장을 위탁하고 이를 보호하면서 필요한 계산 결과를 수행하고자 할 때 동형암호를 사용하는 시나리오와 관련이 있습니다.

• 2-3. 부분동형암호와 완전동형암호의 차이

• 부분동형암호는 특정 연산(예: 덧셈 또는 곱셈)만을 지원하는 반면, 완전동형암호는 임의의 연산을 지원합니다. 예를 들어, RSA 암호는 곱셈 연산을 암호화한 상태에서 수행할 수 있으므로 부분동형암호의 일종입니다. 최초의 정수 덧셈을 보존하는 암호는 1998년에 발표된 Okamoto-Uchiyama이며, 이를 개선한 Paillier 스킴이 1999년에 발표되었습니다. 이와 같은 발전은 동형암호의 가능성을 확장시키는 데 큰 기여를 하였습니다.

3. 동형암호의 주요 특성과 기술적 도전

• 3-1. 암호화된 상태에서 연산의 가능성

• 동형암호는 암호화된 데이터 상태에서 연산을 수행할 수 있는 암호화 방법입니다. 암호문을 이용한 연산의 결과는 다시 새로운 암호문이 되며, 이 암호문을 복호화하면 원래 데이터의 연산 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에, 암호화된 데이터를 안전하게 보호하면서 외부 매체에서 저장 및 계산할 수 있는 가능성이 열립니다. 특히, 의료 분야와 같은 개인정보 보호에 대한 규제가 강한 분야에서 동형암호는 데이터 공유의 장벽을 극복하고 새로운 서비스를 개발하는 데 도움을 줍니다.

• 3-2. 대칭키와 공개키의 확장형태로서의 동형암호

• 동형암호는 대칭키 암호와 공개키 암호의 확장된 형태로 이해할 수 있습니다. 대칭키 암호와 공개키 암호는 각각 다양한 보안 장점을 지니고 있지만, 동형암호의 특성을 통해 암호화된 상태에서도 연산을 가능하게 하여 데이터 활용도를 높입니다. 이때, 동형암호는 평문 공간과 암호문 공간 사이의 준동형사상 혹은 동형사상으로 작동하는 특징을 가집니다.

• 3-3. 성능 문제: 연산 속도와 암호문 크기

• 동형암호는 여전히 성능 문제와 관련된 도전에 직면해 있습니다. 암호문 크기가 평문에 비해 크고, 암호문을 연산하는 과정에서 필요한 추가 연산 때문에 기본적으로 연산 속도가 느립니다. 이러한 성능 저하는 실질적인 활용에 제약을 줄 수 있으며, 특히 금융과 의료 등 데이터 활용의 부가 가치가 높은 분야에서 이러한 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 따라서, 동형암호의 성능을 개선하는 연구가 계속 진행되고 있습니다.

4. 동형암호의 응용 사례

• 4-1. 의료 분야에서의 동형암호 적용

• 동형암호는 개인정보를 안전하게 보호하면서도 데이터를 분석할 수 있는 기술로, 의료 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 동형암호를 활용한 여러 연구와 사례가 있으며, 그 중 하나는 서울아산병원 연구진에 의해 개발된 인공지능 예측 모델입니다. 이 모델은 수술 후 30일 이내의 사망률을 예측하는 데 동형암호 기술을 사용하였으며, 이를 통해 개인의 의료기록을 안전하게 보호하면서도 대규모 다기관 임상 연구를 가능하게 합니다. 또한, 서울아산병원과 함께 진행된 연구에서는 동형암호를 적용한 다기관 예측 모델이 단일 기관 데이터 모델보다 더 높은 예측 정확도를 보였습니다. 이를 통해 의료기관 간의 데이터 공유와 안전한 연구 수행이 가능하다는 점에서 동형암호의 중요성이 강조되고 있습니다.

• 4-2. 금융 분야에서의 동형암호 적용

• 금융 분야에서도 동형암호 기술이 주목받고 있으며, 특히 고객 신용평가 분석에 적용되고 있습니다. 삼성SDS는 동형암호를 기반으로 한 암종 분석 서비스로 2020년 국제 유전체 정보 분석 보안 경진대회에서 1위를 차지하였습니다. 이 경진대회는 개인정보 보호 및 데이터 보안의 중요성이 커지는 가운데, 동형암호 기술의 실제 응용 가능성을 보여주는 좋은 사례로 평가됩니다.

• 4-3. 기타 산업 분야의 적용 사례

• 동형암호는 의료 및 금융 분야를 넘어 다른 산업에서도 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 동형암호의 적용은 데이터 분석 및 연산을 통해 개인의 정보를 안전하게 보호하면서도 유용한 정보를 도출하는 데 기여할 수 있습니다. 이는 다양한 산업에서 데이터 보안이 중요한 이슈로 부각되고 있는 만큼, 동형암호 기술의 응용 가능성이 더욱 넓어질 것으로 기대됩니다.

5. 의료 분야에서의 구체적 적용 사례

• 5-1. 서울아산병원과 크립토랩의 협력 연구

• 서울아산병원과 크립토랩은 동형암호 기술을 활용하여 개인정보 보호 기반의 다기관 예측 모델 연구를 수행했습니다. 이 연구의 제목은 '다기관 데이터를 이용한 수술 후 사망률 예측의 개인정보 보호 연구: 개발 및 사용성 연구'이며, 연구 결과는 의료 정보학 학술지인 '지미르 메디컬 인포매틱스(JMIR Medical Informatics)'에 게재되었습니다. 특히, 이 연구는 동형암호 기술을 적용하여 여러 병원과 기관의 임상 데이터를 안전하게 통합하고 분석하는 방법론을 제시하였습니다.

• 5-2. 수술 후 30일 이내 사망률 예측 모델

• 이상욱 교수와 서준교 교수팀은 동형암호 기술을 활용하여 수술 후 30일 이내 사망률을 예측하는 인공지능 모델을 개발하였습니다. 이 모델은 기존 인공지능 모델보다 우수한 성능을 보이며, 특히 수술 후 사망률 예측에서 정확도가 더욱 향상되었습니다. 연구진은 이 모델을 통해 환자의 개인정보를 보호하면서도 유용한 의료 데이터를 활용할 수 있게 되었습니다.

• 5-3. 다기관 데이터 통합 및 분석

• 동형암호 기술은 데이터를 암호화된 상태에서도 연산할 수 있는 기능을 제공하여, 다기관 데이터의 안전한 통합 및 분석을 가능하게 합니다. 이번 연구에서는 이에 따라 중소병원이나 희귀질환 연구에 유용할 것으로 예상되는 다기관 예측 모델을 통한 임상 데이터 활용 방안을 제시하였습니다. 이 모델은 개인정보 노출 위험을 최소화하면서도 신뢰할 수 있는 분석 결과를 제공한다는 점에서 주목받고 있습니다.

6. 금융 분야에서의 동형암호 적용 사례

• 6-1. 삼성SDS의 동형암호 기반 신용평가 분석 서비스

• 삼성SDS는 동형암호 기술을 활용하여 고객의 신용평가 분석 서비스를 개발하였습니다. 이 서비스는 금융기관의 데이터 분석을 보다 안전하게 수행할 수 있도록 설계되었으며, 고객의 개인정보를 보호하면서도 높은 분석 정확도를 유지하는 것이 특징입니다. 특히, 삼성SDS는 2018년부터 동형암호 연구에 착수하여 자체 기술을 확보하고 있는 상태입니다.

• 6-2. iDASH 2020 경진대회 우승 사례

• 삼성SDS는 2020년 국제 유전체 정보분석 보안경진대회(iDASH 2020)에서 동형암호 기반 암종 분석 부문에 출전하여 1위를 차지했습니다. 해당 경진대회는 미국 국립보건원(NIH)의 후원으로 진행되며, 매년 글로벌 IT 기업 및 연구 기관들이 참여하여 보안 신기술을 평가받습니다. 삼성SDS는 암호화된 유전체 변이 데이터를 기반으로 암 종류를 예측하는 과제를 수행하였으며, 36개 팀이 참여한 대회에서 최고 수준의 분석 속도와 정확도를 기록하여 공동 1위에 선정되었습니다.

7. 동형암호 기술의 한계와 미래 전망

• 7-1. 동형암호의 성능 문제

• 동형암호는 데이터를 암호화된 상태에서도 연산할 수 있는 암호화 방법입니다. 그러나 일반적으로 암호문과 평문을 비교할 때, 동형암호는 평문에 비해 암호문의 크기가 큽니다. 이러한 특성으로 인해 동형암호의 연산 속도는 상대적으로 느립니다. 특히, 동형암호는 암호문 연산에서 추가적인 연산이 필요하기 때문에 일반적인 암호화 기술에 비해 성능에 있어 한계를 가집니다.

• 7-2. 기술적 도전과 개선 가능성

• 동형암호 기술은 암호화된 데이터로부터 연산 결과를 도출하는 혁신적인 방법이지만, 여전히 기술적 도전을 안고 있습니다. 예를 들어, 동형암호의 연산 속도를 개선하기 위한 연구가 필요합니다. 이와 함께 동형암호를 적용할 수 있는 다양한 응용 분야가 개발되고 있으며, 의료 및 금융 분야에서 개인정보 보호와 데이터 활용을 동시에 해결할 수 있는 가능성이 열리고 있습니다. 최근의 연구에서는 동형암호를 활용하여 여러 의료기관의 데이터를 안전하게 통합하고 분석하는 방법론이 제시되고 있으며, 이는 동형암호의 적용 범위를 확장하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

• 7-3. 미래의 연구 방향과 기대

• 향후 동형암호 기술의 연구 방향은 성능 개선 및 새로운 응용 사례 개발에 중점을 둘 것으로 보입니다. 특히, 의료 및 금융 분야에서 데이터 보호와 활용 간의 균형을 맞추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 서울아산병원과 협력하여 진행된 연구에서는 동형암호를 기반으로 한 예측 모델이 단일 기관 데이터 모델보다 우수한 성능을 보여주었습니다. 이러한 연구 사례들은 앞으로의 동형암호 기술 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

8. 결론

• 동형암호 기술은 데이터를 보호하면서도 연산을 가능하게 하는 혁신적인 암호화 방법입니다. 이 리포트는 이러한 기술의 개념, 역사, 주요 기술적 특징, 그리고 다양한 실제 응용 사례를 다루었습니다. 의료와 금융 분야에서 동형암호의 잠재력은 특히 주목할 만합니다. 서울아산병원과 크립토랩의 협력 연구는 개인정보 보호를 유지하면서도 높은 예측 정확도를 제공하는 동형암호 기반 예측 모델을 개발하였고, 삼성SDS는 동형암호 기술을 활용한 금융 분석 서비스로 iDASH 경진대회에서 우승하는 성과를 거두었습니다. 그러나 동형암호는 성능 문제와 더불어 연산 속도와 암호문 크기 증가 등의 한계가 존재합니다. 향후 연구는 이러한 문제점을 해결하고, 다양한 응용 분야에서 기술을 최적화하는 방향으로 진행될 것입니다. 동형암호는 앞으로도 데이터 보호와 활용의 균형을 맞추는 중요한 역할을 할 것이며, 성능 개선과 응용 확대를 통해 실질적인 적용 가능성이 더욱 확대될 것입니다.

9. 용어집

• 9-1. 동형암호 [기술]

• 데이터가 암호화된 상태에서도 연산이 가능한 암호화 방법으로, 개인정보 보호와 데이터 분석의 균형을 맞추는 데 주목받고 있습니다.

• 9-2. 서울아산병원 [기관]

• 크립토랩과 협력하여 동형암호를 활용한 다기관 예측 모델 연구를 통해, 수술 후 30일 이내 사망률 예측 모델 등을 개발하였습니다.

• 9-3. 크립토랩 [회사]

• 동형암호 기술을 연구하는 기업으로, 서울아산병원과 함께 동형암호 기반의 예측 모델을 개발하였습니다.

• 9-4. 삼성SDS [회사]

• 동형암호 기술을 활용하여 금융 및 의료 분야에서 신용평가 분석 서비스와 중증 질환 예측 모델 등을 개발하여 상업적 응용성을 입증하였습니다.

• 9-5. iDASH 경진대회 [행사]

• 미국 국립보건원(NIH) 후원으로 매년 개최되는 유전체 정보분석 보안경진대회로, 동형암호 기술의 상용화 가능성을 검증하는 중요한 경진대회입니다.

10. 출처 문서

• 동형암호 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전https://ko.wikipedia.org/wiki/동형암호
• 삼성SDS, 유전체 정보분석 보안경진대회 1위https://chem.ebn.co.kr/news/view/1464632
• 개인정보 보호 가능한 인공지능 예측 모델 개발 < 기술/IT < HL트렌드 < 기사본문 - 헬스라이프헤럴드https://www.healthlifeherald.com/news/articleView.html?idxno=1043
• 크립토랩-서울아산병원, 국제 의료지에 동형암호 예측 모델 연구 논문 게재 < IT·산업 < 뉴스 < 기사본문 - 지티티코리아https://www.gttkorea.com/news/articleView.html?idxno=12573
• 디사일로, 데이터 활용과 보호 사이에 다리를 놓다https://www.chosun.com/economy/smb-venture/2024/09/04/H7KLSZLABBFORHJIJJDWCPO25I/