사진. 서울대학교

서울대학교 공과대학 전기·정보공학부 오정석 교수 연구팀이 안테나와 전파 방향을 제어하는 RF 반도체 스위치를 하나의 웨이퍼에서 동시에 제작하는 웨이퍼 일체형 6G 빔포밍 안테나 ‘STARE(Semiconductor-Integrated Transmit-Array Architecture)’ 기술을 개발했다.

기존에는 안테나와 RF 반도체 칩을 별도로 제작한 뒤 조립해야 했지만, 연구팀은 두 기능을 하나의 웨이퍼에서 구현하는 기술을 개발했다. 이를 통해 6G와 위성통신에서 요구되는 초고밀도 안테나를 작고 저렴하게 제작할 수 있는 기반을 마련했다. 

6G 이동통신과 위성통신에서는 다수의 안테나가 전파를 원하는 방향으로 조향하는 빔포밍 기술이 중요하다. 이에 따라 전파를 반사하거나 굴절시켜 방향을 제어하는 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)와 능동형 안테나 기술이 주목받고 있다. 하지만 기존 방식은 안테나와 전파 제어 부품을 별도로 제작하고 조립해야 해 부품과 배선, 공정이 증가하는 한계가 있었다.

반도체와 안테나는 설계 및 구조의 크기가 달라 하나의 공정으로 제작하기도 어려웠다. 반도체 소자는 나노미터 단위로 설계되는 반면 6G 안테나는 파장에 따라 밀리미터 단위 구조가 필요하며, 반도체 설계와 전자기파 설계에 사용하는 도구도 서로 달랐다. 실리콘의 높은 유전율과 전파 손실, 웨이퍼를 관통하는 연결 공정 역시 기술적 과제로 꼽혔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 STARE 구조를 개발했다. STARE는 안테나와 RF 반도체 스위치를 하나의 웨이퍼에서 동시에 제작하는 반도체 일체형 안테나 구조다. RF 반도체 스위치 구조를 최적화하고 실제 측정값을 전자기 설계에 반영하는 공동 설계법을 정립해 반도체와 안테나를 하나의 시스템으로 구현했다.

또한 웨이퍼를 관통하는 고가의 연결 공정 대신 양면 금속 구조 사이의 자기적 결합을 활용하는 구조를 적용했다. 이를 통해 에너지 손실을 줄이고 반도체 집적 구조가 외부로 돌출되지 않는 평면형 전파 조향 장치를 구현했다. 제작한 시제품을 통해 설계와 제작, 전자 제어, 실제 빔 조향까지 전 과정이 정상적으로 작동하는 것을 확인했다.

이번 기술은 6G 안테나를 반도체처럼 대량 생산할 수 있는 제조 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 금속 패턴과 내장형 스위치 위치를 설계 단계에서 함께 구성할 수 있어 사용 주파수와 설치 공간에 따라 안테나 형상과 배열을 변경할 수 있으며, 능동형 안테나와 투과형 배열 안테나, RIS 등으로도 확장할 수 있다. 후속 연구를 통해 스위치 경로를 늘리면 더욱 정밀한 다단계 위상 제어도 가능할 전망이다.

최소 공정과 돌출 부품이 없는 내장형 구조, 낮은 구동 전력, 나노초 수준의 빠른 응답 특성을 기반으로 장치의 크기와 무게, 전력, 비용을 줄이고 저지연 6G 통신용 초소형·저비용 전파 조향 장치의 양산 기반으로 활용될 것으로 기대된다.

향후에는 지상망과 비지상망 기지국, 위성 안테나, 얇은 전파 조향 패널 등에 적용될 수 있다. 또한 통신과 감지를 동시에 수행하는 ISAC(Integrated Sensing and Communication), 스마트팩토리의 군집로봇 및 자율이동체 통신 제어, 저궤도 위성 연결, 무선전력전송, AI 데이터센터의 고속 무선 연결 등으로 활용 범위가 확대될 전망이다.

오정석 교수는 “이번 연구는 안테나를 만든 뒤 가변소자를 붙이던 기존 방식에서 벗어나 반도체 스위치와 안테나를 처음부터 하나의 웨이퍼 안에서 함께 설계하고 제작한 것”이라며 “향후 파운드리와 협력해 대면적 웨이퍼와 다단계 위상 제어로 확장하고, 지상·위성 통신과 ISAC, 산업용 무선 시스템에 적용할 수 있는 범용 6G 전파 플랫폼으로 발전시키겠다”고 말했다.