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5G 성능, 머리카락 두께 센서가 알려준다

표준연 전자기표준센터 연구팀, '5G 성능 측정시스템' 개발
광섬유에 달린 0.05㎜ 초소형 센서, 0.1㎜ 이내 거리서 안테나 구별해 측정
10년 넘게 전자파 표준을 연구한 국내 연구진이 5G 성능 판별 기술을 선보였다.

한국표준과학연구원(원장 박상열)은 전자기표준센터 홍영표·이동준·강노원 박사팀이 신개념 5G(5세대 이동통신) 안테나 성능 측정시스템을 개발했다고 18일 밝혔다. 
 
스마트폰에만 최적화된 4G 통신망과 달리, 5G 통신망은 자율주행·사물인터넷·가상현실 기술 등 활용 범위가 넓다. 

하지만, 5G의 품질을 평가하려면 기존과 다른 측정기술이 필요한 상황이다. 5G에는 측정 단자가 빠지고 여러 개 안테나를 동시에 사용하는 빔포밍 기술 등이 사용되기 때문이다. 이러한 수요에 대응하고자 최근 해외 유명 제조사들이 측정 방식을 제시하고 있지만, 아직 세계적으로 확립된 기준은 없다.

연구팀이 개발한 광섬유 기반 초소형 센서. (왼쪽)빨간색 원 안에 매우 가느다란 센서가 있다. (오른쪽)해당 센서로 6㎛ 초미세선로를 측정하는 모습. <사진=표준연 제공> 연구팀이 개발한 광섬유 기반 초소형 센서. (왼쪽)빨간색 원 안에 매우 가느다란 센서가 있다. (오른쪽)해당 센서로 6㎛ 초미세선로를 측정하는 모습. <사진=표준연 제공>

연구팀은 광섬유 끝에 가로·세로 0.2㎜, 두께 0.05㎜인 광학 결정을 결합해 '초소형 센서'를 만들었다. 머리카락만큼 얇은 이 센서는 마이크로미터(㎛)급 미세 선로를 구별할 수 있어 입·출력이 제각각인 수많은 안테나를 정확하게 구분해 측정한다.

연구팀은 센서를 운용하는 '광학 계측시스템'의 크기도 컴퓨터 본체 정도로 일체화했다. 이 시스템을 사용하면 공간 제약 없이 0.1㎜ 이내 거리에서 안테나를 분석할 수 있다.
 
연구팀이 개발한 시스템은 안테나 크기에도 영향을 받지 않아 거의 모든 통신 성능 평가에 활용될 수 있다. 5G 통신시스템은 기지국과 단말기에 내장된 각 안테나가 신호를 주고받으며 작동한다. 넓은 대역 주파수를 사용하는 5G 특성 때문에 안테나의 크기와 모양이 다양하다. 
 
연구팀에 따르면, 5G 정밀 측정시스템은 현재 인프라 구축에 한창인 5G 산업에 바로 적용될 수 있다. 안테나가 100여 개 들어가는 대형 기지국은 물론, 스마트폰과 같이 안테나가 내장된 단말기의 양산 단계에서도 사용될 수 있다.


기존 센서(왼쪽)와 연구팀이 개발한 초소형 센서의 측정방식 차이를 보여주는 그림. 기존 센서는 크기가 수 ㎝에서 수십 ㎝로 커서, 측정 시 안테나의 성능을 왜곡시킨다. 따라서 안테나와 일정한 거리를 두고 측정해야 한다. 연구팀이 개발한 초소형 센서는 머리카락 수준으로 안테나의 성능을 거의 왜곡하지 않는다. 또한 매우 0.1㎜ 거리에서 정밀하게 측정할 수 있다. <그림=표준연 제공>기존 센서(왼쪽)와 연구팀이 개발한 초소형 센서의 측정방식 차이를 보여주는 그림. 기존 센서는 크기가 수 ㎝에서 수십 ㎝로 커서, 측정 시 안테나의 성능을 왜곡시킨다. 따라서 안테나와 일정한 거리를 두고 측정해야 한다. 연구팀이 개발한 초소형 센서는 머리카락 수준으로 안테나의 성능을 거의 왜곡하지 않는다. 또한 매우 0.1㎜ 거리에서 정밀하게 측정할 수 있다. <그림=표준연 제공>

이번 연구는 신개념 측정기술이 필요한 산업계에서 표준연의 연구에 관심을 두면서 시작됐다. 연구팀은 2017년 삼성전자 생산기술연구소, 2018년 삼성전자 글로벌기술센터와 연구를 수행했다. 홍영표 박사는 "최적화 작업을 거쳐 실제 보급까지 된 의미 있는 사례"라며 "양산을 목표로 하는 기술사업화의 길도 열렸다고 볼 수 있다"고 말했다.
 
이 과제가 성공적으로 마무리되자, 이어서 삼성전자의 다른 두 사업부가 새로운 과제를 제안했다. 네트워크 사업부는 양산용 5G 기지국 안테나 측정 과제를, 무선 사업부는 5G 스마트폰 평가를 위한 표준연의 측정시스템을 턴키(turn key) 공급 방식으로 요청했다. 
 
홍 박사는 "삼성전자 여러 사업부에서 이번 기술 관련 연구를 제안받아 과제를 수행 중"이라며 "5G에서 활용하는 6GHz 이하와 밀리미터파 주파수 대역 이동통신시스템의 평가에 널리 활용될 것"이라고 밝혔다.
 
연구팀은 기술이전을 통해 상용화에 나설 예정이다. 연구 결과는 광학 분야 학술지 옵틱스 레터스(Optics Letters)와 센서스(Sensors) 6월호에 실렸다. 

강노원 박사는 "10년 이상 연구한 전자파 측정표준이 5G 산업에 적용돼 탄생한 기술"이라며 "우리나라 5G 기술이 세계 최고 수준에 도달하도록 노력하겠다"고 말했다.

표준연 전자기표준센터 연구팀. (왼쪽부터)이동준 책임연구원, 강노원 책임연구원, 홍영표 선임연구원. <사진=표준연 제공>표준연 전자기표준센터 연구팀. (왼쪽부터)이동준 책임연구원, 강노원 책임연구원, 홍영표 선임연구원. <사진=표준연 제공>
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