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전기 광학 기술을 활용한 전자파 및 6G 통신용 전기장 프로브 및 시스템설계 제작 방법

세계 최초로 시작된 한국의 5G 서비스는 3.5 GHz 대역을 상용화했으나, 높은 품질에 대한 소비자들의 기대에는 미치지 못했습니다. 진정한 성능을 발휘할 28 GHz 대역은 경제성 문제로 기지국 확보에 어려움을 겪었기 때문입니다. 이러한 한계를 극복하고자 등장한 6G는 5G보다 진화된 안테나 기술을 활용해 더 넓은 커버리지와 다수의 사용자를 동시에 수용하는 것을 목표로 합니다. 현재 6G는 5G의 저대역과 28 GHz 사이의 어퍼 미드 밴드에서 운용될 예정이며, 이에 따라 기존과는 다른 차세대 측정 기술의 필요성이 대두되었습니다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 기존 금속 기반 센서의 한계를 뛰어넘는 광·전자파 융합 방식의 안테나 측정 장비를 개발했습니다. 기존 금속 센서는 안테나와의 상호 간섭 현상으로 인해 초근접장에서의 정확한 측정이 어려웠으나, 이번 기술은 한 파장 이내의 초근접장부터 수십 파장의 원거리장까지 모든 영역을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 좁쌀 크기의 초소형 유전체 센서를 활용해 금속 센서의 장점과 광학 센서의 고감도 특성을 동시에 확보하였으며, 이를 통해 값비싼 대형 시설 없이도 안테나의 성능을 정밀하게 실측하고 예측하는 것이 가능해졌습니다. 6G 통신에서는 수천 개의 안테나를 조합해 사용하므로 측정 시간 단축이 핵심 과제입니다. 연구진은 안테나 주변의 모든 영역을 스캔하는 대신 필요한 지점만 측정하여 전체 성능을 추정하는 획기적인 기술을 제시했습니다. 현재 6G 측정 장비 분야의 연구가 부족한 상황에서 이루어진 이번 국산화 성과는 기술 이전을 통해 본격적인 상용화 단계에 접어들었습니다. 이 기술은 이동통신을 넘어 EMP 방호 시설 평가와 반도체 선로 분석 등 기존 기술의 난제를 극복하고 정밀 측정 능력을 확장하는 새로운 솔루션으로 자리매김할 전망입니다.

한국표준과학연구원KRISS 사업화 유망 기술

융합
공학·기술

[KRISS 표준백과사전] 제3화 소리 없는 폭탄! EMP탄을 막아줄 측정 기술!

서울의 밤하늘이 순식간에 어둠으로 뒤덮이고 모든 통신망과 금융 시스템이 마비되는 상황을 상상해 보십시오. 이는 소리 없는 폭탄이라 불리는 EMP(전자기 펄스) 공격의 결과일 수 있습니다. EMP는 상공에서 핵무기 등을 이용해 인공적으로 발생시키는 강력한 전자기파 펄스를 말합니다. 이 에너지가 전자기기의 금속 도체에 도달하면 순간적으로 강력한 전류로 변하여 내부 회로를 완전히 파괴합니다. 모든 사회 기반 시설이 자동 전산화된 현대 사회에서 EMP는 국가 전체를 마비시키는 치명적인 위협입니다. IT 강국으로 손꼽히는 우리나라는 대부분의 공공 인프라가 첨단 정보통신 체계로 운영되고 있어 EMP 공격에 특히 취약한 구조를 가지고 있습니다. 하지만 EMP 방어 기술은 미국과 러시아 등 주요 강대국들이 최고 등급의 군사 기밀로 관리하고 있어 기술을 습득하기가 매우 어렵습니다. 그동안 국내 산업 현장과 국방 분야에서 사용되는 고가의 EMP 시스템은 대부분 수입에 의존해 왔으며, 이는 국가 안보와 직결된 핵심 장비를 독자적으로 관리하지 못한다는 아쉬움을 남겼습니다. 이러한 기술적 공백을 메우기 위해 한국표준과학연구원(KRISS) 연구팀은 불굴의 집념으로 초고출력 전자파 펄스 측정 기술을 독자 개발하는 데 성공했습니다. 연구팀은 수년간 국방과학연구소와 공동 연구를 진행하며 확보한 초고속 펄스 파형 측정 표준 데이터와 5G 기지국용 고출력 전자파 측정 기술을 결합했습니다. 이번 성과는 외산 장비에 의존하던 기존의 한계를 극복하고, 우리나라만의 독자적인 EMP 탐지 및 차폐 기술을 구축할 수 있는 튼튼한 토대를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 이번 기술의 핵심은 기존의 금속 센서 대신 비금속 소재인 크리스탈로 제작한 1 mm³ 크기의 초소형 센서에 있습니다. 이 센서는 크기가 매우 작고 가벼워 드론과 같은 이동형 장비에 탑재하기 유리하며, 비금속 재질이라 고출력 전자파가 발생하는 신호원 내부에도 직접 삽입할 수 있습니다. 이는 기존 측정 방식보다 훨씬 뛰어난 정확성과 성능을 자랑하며, 강력한 전자파 환경에서도 간섭 없이 정밀한 데이터를 수집할 수 있게 해줍니다. 이러한 혁신적인 설계는 EMP 방어 체계의 효율성을 극적으로 높여줍니다. 초고출력 전자파 측정 기술은 군사적 용도를 넘어 우리 일상의 다양한 영역으로 그 쓰임새를 확장하고 있습니다. 반도체 제조의 핵심인 식각 장비를 극한 환경에서 정밀 진단하거나, 실시간 전력 모니터링 시스템에 적용해 화재와 정전을 예방하는 데 활용될 수 있습니다. 과거 인터넷이나 GPS가 군사 목적으로 시작해 현재는 없어서는 안 될 생활 필수 기술이 된 것처럼, 이번 연구 성과 역시 공공 인프라의 안전을 보장하고 민간 산업의 경쟁력을 강화하는 무한한 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.

한국표준과학연구원KRISS 표준백과사전

물리학
융합
공학·기술

KIST 물질구조제어연구센터 구종민 박사 연구성과

고집적 모바일 전자기기와 통신 기술이 급격히 발전함에 따라, 기기 간의 강한 전자기 유도 현상으로 발생하는 전자파 간섭(EMI)이 심각한 문제로 떠오르고 있습니다. 이러한 현상은 기기 오작동이나 정보 손실을 초래하기에 이를 막아줄 고성능 차폐 소재의 필요성이 날로 커지고 있습니다. 기존에는 높은 전기 전도도를 가진 금속이나 탄소 소재가 주로 사용되었으나, 현대 기기들이 요구하는 경량화와 박막화, 그리고 가공의 용이성을 모두 충족하기에는 분명한 한계가 존재했습니다. 따라서 낮은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 발휘하는 새로운 차별화된 소재 개발이 필수적인 상황입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST 연구팀은 2016년 세계적인 학술지 사이언스를 통해 Ti3C2 맥신(MXene) 소재의 가능성을 처음으로 세상에 알린 바 있습니다. 이 소재는 45 마이크로미터의 얇은 두께에서도 92 데시벨(dB)이라는 놀라운 전자파 차폐 성능을 기록하며 경량 차폐 소재로서의 가치를 입증했습니다. 이는 맥신(MXene)이 가진 5,000 S/cm의 높은 전기 전도도와 특유의 2차원 층상 구조 덕분이었습니다. 이후 연구팀은 여기서 멈추지 않고 더욱 혁신적인 성능을 구현하기 위해 티타늄과 탄소, 질소의 화합물인 Ti3CN 맥신(MXene)에 주목하여 연구를 지속해 왔습니다. 새롭게 보고된 Ti3CN 맥신(MXene)은 기존 소재와 유사한 결정 구조를 가지면서도 더욱 뛰어난 용액 분산성과 유연한 코팅 능력을 자랑합니다. 연구 결과에 따르면 40 마이크로미터 두께의 Ti3CN 맥신(MXene) 필름은 현재까지 보고된 합성 물질 중 최고 수준인 116 데시벨(dB)의 전자파 간섭(EMI) 차폐 효율을 보여주었습니다. 이는 이전 모델인 Ti3C2 맥신(MXene)보다 훨씬 우수한 성능으로, 자연계에 존재하지 않는 인공 나노 소재로서 맥신(MXene)의 잠재력을 다시 한번 증명한 사례입니다. 이러한 압도적인 수치는 단순한 반사를 넘어 전자기파를 내부에 가두고 흡수하는 독특한 거동에서 비롯된 것입니다. 이토록 뛰어난 성능의 핵심은 가벼운 열처리를 통해 형성된 다공성 메타 구조에 있습니다. 조밀한 층상 구조에서 변모한 이 다공 구조 내부에 전자기파가 입사되면, 강한 다중 반사 효과와 함께 전자기파가 흡수되는 현상이 나타납니다. 향상된 전기 전도도를 바탕으로 한 다공 구조는 큰 저항 손실, 와전류(Eddy current) 손실, 분극 손실 등을 유도하여 전자기파 에너지를 효과적으로 상쇄시킵니다. 이러한 메커니즘 덕분에 Ti3CN 맥신(MXene)은 극히 얇은 두께로도 외부 전자기 간섭으로부터 기기를 완벽하게 보호할 수 있는 독보적인 전자기 흡수 특성을 갖게 되었습니다. 향후 이 기술은 5G용 초소형 스마트 기기뿐만 아니라 EMP 차폐, 스텔스 기술 등 국방 및 안보 분야에서도 광범위하게 활용될 것으로 기대됩니다. 다만 이 혁신적인 나노 소재를 상용화하기 위해서는 넘어야 할 과제가 남아 있습니다. 맥신(MXene)은 인공적으로 제조된 소재인 만큼 원료 제조부터 부품 장착까지 이어지는 안정적인 공급망 확보가 무엇보다 중요합니다. 소재의 대량 생산 시스템 구축과 효율적인 부품 제조 기술에 대한 종합적인 연구 협력이 뒷받침된다면, 조만간 우리 일상 속 전자기기들이 전자기파 간섭 없이 완벽하게 작동하는 미래가 올 것입니다.

한국과학기술연구원

화학
융합
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