[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 단 하나의 얇고 가벼운 소재로 6G 통신과 저궤도 위성, 자율주행 레이더 등 차세대 초고주파 대역 전체의 전자파 노이즈를 완벽하게 흡수할 수 있는 혁신 기술을 확보했다.
그동안 전자파 흡수 대역을 넓히면 두께가 과도하게 두꺼워지던 기존 소재의 치명적인 한계를 극복함으로써 차세대 모빌리티와 우주 통신 장비의 경량화 및 안정성을 동시에 끌어올릴 핵심 독점 기술로 주목받고 있다.
한국연구재단은 한국재료연구원(KIMS) 융복합재료연구본부 이호림·박병진 박사 연구팀이 0.5mm의 극도로 얇은 두께와 종이보다 가벼운 무게로 35GHz에서 330GHz에 이르는 초광대역 밀리미터파 전자파를 모두 흡수하는 ‘그래디언트(Gradient) 전자기 소재’를 개발했다고 25일 밝혔다.
최근 자율주행 레이더, 고성능 센서, 6G 위성통신 기술이 급부상하면서 대용량 데이터를 실시간으로 전송할 수 있는 30~300GHz 사이의 초고주파 밀리미터파 대역 활용이 급격히 증가하고 있다.
하지만 주파수가 높아질수록 기기 간 전파 간섭으로 인한 전자파 노이즈와 오작동 문제가 심각한 병목 현상으로 지목돼 왔다.
기존의 전자파 방어막들은 특정 주파수 대역만 막을 수 있는 협대역 소재에 머물렀다. 차세대 통신에 대응하기 위해 차단 범위를 넓히면 두께와 무게가 걷잡을 수 없이 늘어나 무게와 공간 제약이 극심한 위성이나 모빌리티 시스템에는 적용하기가 불가능했다.
연구팀은 전자파를 표면에서 튕겨내 반사하는 대신 기기 내부로 자연스럽게 끌어들여 소멸시키는 구조적 제어 방식에 주목했다. 핵심 아이디어는 물질의 농도나 성질이 한 방향으로 점진적으로 변하는 ‘그래디언트 구배 구조’다.
연구팀은 공기와 맞닿는 맨 윗부분은 전도도를 극도로 낮춰 전자파가 반사되지 않고 내부로 쏙 들어오게 설계했다. 그리고 안쪽 층으로 들어갈수록 전도도가 점차 높아지는 다공성 나노섬유 레이어 수십 개를 겹겹이 쌓아 올렸다.
유입된 전자파 에너지가 전도도가 높은 나노섬유 통로를 지나가면서 열에너지로 변환돼 자연스럽게 소멸하도록 유도한 것이다.
그동안 학계에서는 이 구조의 우수성을 예측했으나 물성이 미세하게 다른 수십 개의 얇은 레이어를 정밀하게 적층할 공정 기술이 없어 실험실 내 구현에 번번이 실패했다.
이에 연구팀은 온도와 습도 등 까다로운 환경 제어 변수를 극복하고 전기방사와 전기분사를 동시에 수행할 수 있는 하이브리드 장비를 자체 구축해 난제를 풀었다. 단순 시행착오가 아닌 철저한 이론적 시뮬레이션 모델을 바탕으로 물성을 설계해 0.5mm 두께, 0.23g/㎤라는 초경량·극박의 실물 소재를 뽑아내는 데 성공했다.
연구팀은 실험실 연구를 넘어 실제 60GHz 자율주행 레이더 모듈에 이 소재를 적용해 주변 노이즈를 깨끗하게 제거하는 실증 시연까지 마쳤다.
이 소재는 극도로 얇고 가벼운 특성 덕분에 최근 글로벌 우주 시장에서 주목받는 초소형 저궤도 통신위성(큐브샛)의 탑재체 간 전파 혼선 문제를 해결할 구원투수가 될 것으로 기대를 모은다.
박병진 책임연구원은 “6G 위성통신과 차세대 모빌리티가 고도화될수록 넓은 초고주파 대역을 오작동 없이 방어하는 소재 기술이 필수적”이라며 “종잇장처럼 얇으면서도 전 대역을 커버하는 이번 신소재는 전자장비의 안전성을 높이는 핵심 기틀이 될 것”이라고 설명했다.
한편 연구팀은 향후 극저온과 방사선, 진공 등 가혹한 우주 환경에서도 형태와 성능을 유지할 수 있도록 소재 내성을 대폭 보완할 계획이다.
또 최적의 그래디언트 층 구성을 인공지능(AI) 알고리즘으로 설계해 흡수 성능을 극한으로 끌어올리는 후속 연구에 박차를 가하고 있다.
