- 밀리미터파 5G 단말 안테나 원천 기술 개발
과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 노정혜, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 포항공과대학교 전기전자공학과 홍원빈 교수를 선정했다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여하는 시상이다.
과기정통부와 연구재단은 홍원빈 교수가 ‘디스플레이 내장 안테나(AoD: Antenna-on-Display)’라는 새로운 개념을 제시하고, 초고주파수 대역에 최적화된 밀리미터파 5세대(5G) 이동통신 단말 안테나 원천기술을 개발해 데이터 고속도로의 핵심 인프라 구축에 기여한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.
1891년 8월 테슬라가 선보인 기계식 진동자와 전기 발진기는 ‘동기무선통신’의 수많은 가능성을 제시하고 레이더, 이동통신 등 전기전자산업을 꽃피웠다. 그로부터 140여 년이 지난 2020년 8월, 홍원빈 교수는 지금까지 이분돼 있었던 통신용 안테나와 디스플레이를 하나로 결합하여 5세대(5G) 이동통신 시대를 견인할 안테나 공학의 새로운 지평을 제시했다.
5세대(5G) 이동통신은 롱텀에볼루션(LTE)보다 속도가 20배 이상 빠르고 데이터 송수신시 조합하는 신호의 양도 10배 이상 많다. 따라서 초고대역주파수를 이용하는 고성능 안테나 개수도 3배 이상 증가해야 하지만 최근 모바일 기기는 사용자 편의를 위해 두께는 얇아지고, 디스플레이는 점점 커져 안테나 탑재 공간이 절대적으로 부족한 실정이다.
홍원빈 교수는 과거 휴대폰의 단추식 키패드가 디스플레이와 결합한 터치패널로 진화한 사례에 착안하여, 지금까지 독자적으로 발전해온 안테나와 디스플레이를 융합한 디스플레이 내장 안테나에서 해법을 찾았다.
연구팀은 디스플레이 내장 안테나 원천기술을 2016년 삼성전자 스마트워치에 적용해 기존 대비 무선통신의 전파 수신감도와 송신 신호 향상을 확인했고, 2019년 LG전자 스마트폰에 밀리미터파 5세대(5G) 이동통신 안테나를 시연하는 등 산업 적용을 통한 사회·경제적 가치 창출 가능성을 보여주었다.
또한, 국내외 산업계와 협의체를 구성해 지금까지 스마트폰, 가상현실기기 등 제품의 형상에 따라 달라졌던 안테나 형상을 통일하는 결실도 이뤘다. 일련의 연구성과는 전자전기분야 전문학술지 ‘트랜잭션 온 안테나 앤 프로파게이션(IEEE Transactions on Antennas and Propagation)’에 2017년과 2019년 두 차례 게재됐다.
전자전기공학 계열로 분류되는 안테나공학 이론은 19세기 제창된 맥스웰 방정식(Maxwell’s Equation)의 유효성을 실험적으로 입증한 하인리히 헤르츠(Hertz) 이후 지난 100여 년간 인류의 무선전파 기술에 근간이 되어왔다. 무선통신과 무선전력전송, 레이더 및 무선센서와 같이 공간상에서 정밀하게 안테나의 빔을 조향하기 위해서는 통상적으로 대배열 안테나가 요구된다. 본 연구는 휴대전화 등 소형의 디바이스가 지닌 태생적, 기술적 제약사항을 반영하여 기존의 대배열 안테나 개념을 대신할 새로운 단말향 빔조향 배열 안테나 시스템을 구현하였다. 특히 현재의 빔조향 아나로그 및 디지털 회로 아키텍처와도 호환되면서, 기존의 안테나와 공존 가능한 구조와 운영 전략을 구현함으로써 수십 개의 신규 밀리미터파 단말 안테나가 작은 공간에서 효과적으로 동작 가능하다.
OLED, LCD 디스플레이 패널 내 사람의 머리카락 보다 50~100배 수준으로 얇은 미세 전극(electrode) 표면의 전류를 제어하여 빔 조향 안테나로 구현하는 원천 기술이다. 결과적으로 기존의 터치 센서의 기능을 그대로 활용하면서, 동일 공간에 사람의 눈에 보이지 않는 대배열 안테나 구현이 가능하다. 지금까지 개별적으로 발전해온 안테나공학이론과 통신이론, 첨단소재공학, 디스플레이공학을 융합하는 연구의 독창성, 창의성을 성공적으로 발휘했다.
달리는 기차에서도, 하늘을 나는 비행기에서도 무선통신이 가능한 시대이다. 4세대 LTE보다 속도가 무려 20배나 빨라진 5세대 무선통신의 등장은 데이터 고속도로의 개통을 알렸고, 음성과 문자 정보만 주고받을 수 있었던 1, 2세대 통신은 흑백TV와 함께 박물관으로 자리를 옮겼다. 이제 차세대 무선통신의 미래는 ‘안테나’에 달렸다고 해도 과언이 아니다.
포항공과대학교 홍원빈 교수는 지난 130여 년 간 계승·발전된 안테나 이론의 한계를 극복하며 국내외 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 산학연 협력을 중시하는 그의 연구실에서 탄생한 디스플레이 내장형 안테나는 기존 안테나 개념의 패러다임을 바꾸었다는 평을 받는다. “과학과 기술은 창작 활동”이라고 이야기하는 그는 안테나 성능향상을 위해 개수를 늘려야 한다는 고정관념을 탈피함으로써 문제해결의 실마리를 찾았다.
그는 이제 불혹의 나이를 맞은 젊은 과학자이지만 실용주의 학문으로서 진리 추구와 사회 가치 창출이라는 두 가지 목표를 동시에 추구하며 이룬 학문적, 산업적 성취는 대가와 견주어도 부족함이 없다.
창작은 타고난 재능이 아닌 노력으로 얻어지는 것임을 강조하는 홍원빈 교수는 “이번 연구는 전자기학에 무선통신이론과 디스플레이공학기술을 융합해 안테나 설계 방법론을 최초로 재정립한 사례”라며 “무선통신 및 전력전송, 레이더, 전파센서 등 전파를 시공간적으로 정밀하게 제어하는 신개념 기기와 서비스 출현의 촉진제가 되기를 기대한다”고 수상소감을 밝혔다.
□ 주요 학력
o 2006. 1.~2009. 5. 美 미시간대학교(Univ. of Michigan, Ann Arbor) 전기공학과, 박사
o 2004. 9.~2005.12. 美 미시간대학교(Univ. of Michigan, Ann Arbor) 전기공학과, 석사
o 2000. 1.~2004. 5. 美 퍼듀대학교(Purdue University-West Lafayette) 전기공학과, 학사
□ 주요 경력
o 2016. 2.~현재 포항공대 전자전기공학과 조교수, 부교수, 무은재 석좌 교수
o 2019. 8.~현재 IEEE(국제전자전기공학회) 안테나 분야 SCI 저널 부편집장: Antenas and Propagation Magazine
o 2016.10.~2017. 9. IEEE(국제전자전기공학회) 5G분야 특집호 초청편집장: Transaction on Antennas and Propagation Special Issue on Antennas and Propagation Aspects of 5G Communication
o 2016. 8.~ 현재 IEEE(국제전자전기공학회)안테나 분야 SCI 저널 부편집장: Transaction on Antennas and Propagation
o 2009. 7. ~ 2016. 2 삼성전자 책임연구원, 수석연구원
□ 전문 분야
o 차세대 통신 회로 및 패키징 연구
o 안테나 이론 및 전자파 기반 회로 및 시스템 응용 연구
