초박막 고주파 안테나 어레이: 유연한 무선 통신의 혁명

연구진이 비행기 날개를 코팅하거나, 의료용 임플란트에 신호를 전송하는 피부 패치, 또는 IoT 기기와 통신하는 벽지 형태로 방 전체를 덮을 수 있는 안테나 어레이 개발에 한 걸음 더 다가섰습니다.

대면적 전자공학 기반 기술

이 기술은 신흥 5G 및 6G 무선 네트워크의 다양한 활용을 가능하게 할 것으로 기대됩니다. 얇고 유연한 소재에 전자 회로를 제조하는 '대면적 전자공학(large-area electronics)' 방식을 기반으로 합니다. 이 접근법은 기존 실리콘 반도체의 한계를 극복합니다. 실리콘은 5G 애플리케이션에 필요한 고주파에서 동작할 수 있지만, 몇 센티미터 너비로만 제작 가능하고 저전력 기기와의 향상된 통신을 위해 필요한 대형 어레이로 조립하기 어렵습니다.

기존 방식의 한계 극복

대형화를 위해 수백 개의 마이크로칩을 개별적으로 통합하려는 시도가 있었지만, 이는 무선 시스템 차원에서 저비용·고신뢰성·확장성이 부족해 비현실적입니다. 새로운 기술은 컴퓨터 모니터나 LCD TV처럼 원래부터 대형 크기로 확장 가능합니다. 이들은 박막 트랜지스터 기술을 사용하는데, 연구팀은 이를 무선 신호용으로 적용했습니다.

위상배열 안테나 구현

연구진은 산화아연 박막 트랜지스터를 사용해 30cm 길이의 3개 안테나 열(phased array)을 제작했습니다. 위상배열 안테나는 디지털로 프로그래밍해 원하는 주파수와 방향으로 좁은 빔 신호를 전송할 수 있습니다. 어레이의 각 안테나는 이웃과 지정된 시간 지연을 두고 신호를 방출하며, 이들 간 건설적·파괴적 간섭이 집중된 전자기 빔을 형성합니다. 단일 안테나는 고정된 신호를 모든 방향으로 방송하지만, 위상배열은 빔을 전기적으로 조향해 지점 간 무선 통신을 가능하게 합니다.

다양한 응용 분야

위상배열 안테나는 레이더, 위성, 셀룰러 네트워크 등 장거리 통신 시스템에 수십 년간 사용되어 왔지만, 새 기술은 위상배열에 새로운 유연성을 부여하고 기존 시스템과 다른 무선 주파수 대역에서 동작할 수 있게 합니다.

대면적 전자공학은 박막 기술이므로 미터 단위의 유연한 기판에 회로를 구축할 수 있습니다. 모든 구성요소를 종이 한 장 같은 폼팩터의 시트에 모놀리식으로 통합할 수 있습니다. 팀은 유리 기판에 트랜지스터 등을 제작했지만, 유사한 공정으로 유연한 플라스틱에도 회로를 만들 수 있습니다.

이 안테나 시스템은 거의 어디에나 설치 가능합니다. 방 안의 벽지처럼 사용하면 온도·모션 센서 등 분산된 IoT 기기 네트워크와 빠르고 안전하며 에너지 효율적인 통신이 가능합니다. 유연한 표면 형태의 안테나는 발사 시 컴팩트했다가 궤도에서 펼쳐지는 위성에도 유리하며, 대면적은 항공기와의 장거리 통신에 이점이 있습니다.

항공기의 경우 거리가 멀어 신호 전력과 감도의 대부분이 손실됩니다. 날개는 꽤 넓은 면적이므로 단일 포인트 수신기로는 부족하지만, 신호 포착 면적을 수백·수천 배 확장하면 신호 전력을 낮추고 무선 감도를 높일 수 있습니다.