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Research

초소형 전자기기의 완전한 무선 연결이 가능한 마이크로 사이즈 다중 안테나 개발

  • 조회. 217
  • 등록일. 2021.11.17
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 장재은 교수·최지웅 교수팀, 초소형 기기에 무선전력전송이 가능한

다중 안테나 시스템 개발

로봇 및 뇌-기계 연결 기술에 획기적 기여 기대돼

 

관련사진3. (앞)전병옥 DGIST 정보통신융합전공 박사과정생 (뒤)장재은 교수

 

 DGIST(총장 국양)는 정보통신융합전공 장재은 교수·최지웅 교수팀이 무선전력 및 신호 송수신용 초소형 다중 안테나 시스템을 개발 했다고 17일 밝혔다. 여러 개의 마이크로 사이즈의 소형 안테나가 간섭 없이 작동하여, 향후 마이크로 로봇 또는 뇌-기계 연결 등 최신 기술에 획기적인 발전에 기여할 것으로 기대된다.

 최근 대부분의 전자기기는 여러 편리성으로 인해 무선연결이 대세를 이루고 있다. 특히, 기기의 소형화로 인해 무선 연결의 핵심 부품인 안테나 소형화가 중요해지고 있는데, 안테나를 소형화 할수록 효율이 급격히 떨어지고, RF매칭이 어려워 기술적인 난항을 겪고 있다. 그중에서도 마이크로미터 레벨의 크기에 대한 연구는 거의 이루어지지 못한 상태이다.  

 이에 장 교수팀은 초소형 마이크로사이즈의 안테나 개발과 더불어 초소형 크기특성의 응용성을 극대화하기 위해 다수의 마이크로 안테나가 독립적으로 작동할 수 있는 기술을 개발했다. 또한 형태적으로 다른 플로팅 안테나를 적층형의 이중층으로 형성하는 기술을 개발해 안테나 간 선택성을 획기적으로 증가 시켰다. 연구팀의 개발한 마이크로 안테나는 1~7GHz에서 선택적으로 작동하며, 마이크로 사이즈 안테나 중 가장 높은 효율인 1%~7%의 전송효율을 달성했다. 또한, 기존의 복잡하면서 큰 면적을 차지하는 RF매칭회로를 제거해 전체 시스템의 구조를 극소화 했다.

 마이크로 사이즈의 안테나는 미래 사회 기술에 많이 등장하는 마이크로 로봇 개발의 필수기술이며, 최근 각광받고 있는 뇌-기계 연결기술에서 독립적인 무선 마이크로 전극 구조 등에 적용가능하다. 또한 디스플레이에서 구동 전극이 없는 무선화소 설계가 가능하여, 휘거나 하는 유연 기기에 궁극적인 안정성을 제공하는 등 다양하고 새로운 기술 창출이 가능하다.

 DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 이번 연구를 통해 개발한 초소형 마이크로 다중안테나 기술은 무선기술 분야에 새로운 핵심 기술이라며 기존 무선기기뿐만 아니라, 최근 등장하고 있는 새로운 개념의 전가기기가 실용화 될 수 있게 할 것으로 기대된다.”고 말했다.

 한편, 이번 연구의 성과는 관련 분야 최우수 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 온라인 게재됐다.

 

 

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연구결과개요

Miniaturized self-resonant micro coil array with a floating structure for wireless multi-channel transmission

Byoung Ok Jun, Han-Joon Kim, Su Jin Heo, Jonghyeun Kim, Jae Hoon Yang, Seunguk Kim, Kyungtae Kim, Woo-Cheol Jin, Ji-Woong Choi, and Jae Eun Jang

(Advanced Science, Online published on 5 November, 2021)

 

마이크로 사이즈 안테나는 작은 사이즈 효과로 ​​인해 상당한 응용성을 가지고 있어 새로운 장치 개념을 가능하게 한다. 하지만 낮은 품질 계수(Q-factor), 임피던스 매칭 부품의 큰 크기, 다중 어레이 설계의 열악한 선택성은 여전히 ​​어려운 문제로 남아 있다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 마이크로 안테나에 적층된 플로팅 코일 구조를 연구하였다. 추가 공간이 필요 없는 적층구조 기반과 쉬운 제작 공정을 사용하여 특정 타겟 주파수에서 적절한 매칭 조건으로 다양한 플로팅 코일 디자인을 개발하였다. 단순한 마이크로 안테나 설계는 더 복잡한 다른 설계보다 더 높은 품질 계수를 보였으며, 80μm 트레이스 폭 설계의 초소형 루프 안테나는 7GHz 내에서 가장 높은 약 31의 품질 계수를 나타냈다. 8가지 다른 플로팅 코일 디자인은 1GHz ~ 7GHz의 고주파영역에서 높은 선택성을 제공하였고, 전송 효율은 1%~7%를 달성하였다. 이는 안테나의 크기를 고려할 때 매우 우수할 결과이다. 집적도가 높은 마이크로 안테나 어레이 개념은 마이크로 로봇뿐만 아니라 첨단 무선 신경 자극기 또는 플렉시블 디스플레이의 무선 픽셀 어레이 개념에 적용할 수 있다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

초소형의 마이크로 사이즈의 무선전력 전송 안테나 기술을 개발하였다. 대부분 무선전력 전송 기술은 수십 센티미터 이상의 안테나를 사용하고 있으며, 소형의 경우는 수밀리미터이다. 하지만 이번에 개발한 안테나 사이즈는 마이크로 미터레벨 이다. 특히 소형화될 때 효율이 급격히 저하되고, RF매칭에 어려움이 발생되는데, 적층형의 이중 안테나 구조를 이용하여 이를 해결 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

마이크로 안테나는 마이크로 로봇 등 초소형의 전자 기기에 필수적인 부분이다. 또한 최근에 연구되어지는 뇌-기계 연결에서 뇌의 신호를 획득하고, 뇌를 자극하는 시스템에서 유선의 형태를 넘어 완전 무선 연결이 가능케 하는 등의 새로운 응용을 창출할 것으로 생각한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

본 연구를 통해 고안된 형태는 당장 제조 가능한 구조이다. 하지만 응용처가 마이크로 로봇 등 매우 새로운 분야로, 응용 시스템의 선행 개발이 필요하며, 신뢰성의 향상과 더욱 안정적인 동작 결과를 도출하기 위한 추가 연구가 진행될 예정이다.

Q. 실용화를 위한 과제는?

크기를 고려할 때, 전송효율은 1~7%로 매우 높지만, 전송거리를 좀 더 늘리거나, 수백 개의 멀티 안테나가 구조로 확장하기 위한 선택성 및 간섭현상 최소화를 위한 기술 연구가 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

-기계 연결 (Brain-machine interface) 기술을 연구하면서, 기존에 사용되는 유선 연결은 사람이 기계가 전선으로 연결되어, 사람의 활동성을 제약하거나, 감염의 위험성을 크게 하는 문제점을 가지고 있었다. 이를 무선화 하는 연구를 진행하였으나, 기존의 무선기술은 안테나 또는 구동을 위한 회로가 매우 커서, 인체 내에 완전삽입하기에는 어려움이 있었다. 이를 해결하고자, 초소형의 마이크로 사이즈 안테나와 이를 구동하는 기술을 10여 년간 연구를 하였고, 이번에 그 결실을 얻을 수 있었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

최근 엘론머스크의 뉴럴링크도 비슷한 연구를 수행하는 등 무선기술은 뇌-기계 연결을 획기적으로 개선할 수 있는 기폭제가 될 수 있다. 특히 마이크로 사이즈의 안테나는 사이즈 효과로 그 자체가 뇌의 뉴런에서 바로 신호를 획득할 수 있어, 뇌파 획득 전극-무선시스템을 일체화 하며, 이 분야에서 매우 획기적인 전진을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 마이크로 로봇 등에서 필수 부품으로 사용되기 때문에 새로운 미래 기술에 핵심으로 적용될 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이 기술이 실제 인류에게 도움이 될 수 있도록, 좀 더 고도화 하는 연구를 수행하려 한다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 개발 개념도



(그림설명) (위) 다수의 초소형 마이크로 안테나 구조를 기반으로 선택적으로 무선 전력 및 신호의 전송이 가능함 (아래) 실제 개발되어진 안테나 구조 이미지

[그림 2] 다중 마이크로 안테나 기반 뇌-기계 연결 시스템 개념도
 

(그림설명) 초소형의 마이크로 안테나별로 뇌신호전극이 연결되어 무선으로 신호 및 전력을 전송하는 개념 구조

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135