전기전자/정보통신

Nikkei Construction_2025.9 (p23-25)

메타 물질로 투명 안테나 구현, 스마트폰 디스플레이 면을 활용
DNP 등이 ‘SID Display Week 2025’에서 발표

대일본인쇄(DNP)와 한국 포항공대(POSTECH)는 2025년 5월에 개최된 디스플레이 기술 국제학회 겸 전시회 ‘SID Display Week 2025」’에서, 스마트폰 등의 모바일 단말의 디스플레이면에 구현해 사용하는 투명 안테나 ‘Antenna-on-Display(AoD)’에 대해 발표했다. 주파수가 22G~38GHz의 마이크로파~밀리파에 대응한다.

-- 디스플레이 면에 개척의 여지 --
모바일 단말은, 컴팩트한 케이스에 디스플레이나 각종 반도체, 그리고 배터리 등을 고밀도로 채워 넣기 때문에 자주 안테나 공간이 부족해진다. 그런데 안테나도 무선통신의 통신용량 증가에 대한 요구에 부응하기 위해 다양한 주파수에 대응하려면 더 큰 공간이 필요하다.

이 과제를 해소하기 위해 DNP 등이 주목하고 있는 것이 디스플레이 면이다. 모바일 단말이 고도화되면 디스플레이 측면도 확대되는 추세다. 만약 안테나를 투명하게 해서 디스플레이 면에 구현할 수 있다면 공간 문제가 크게 줄어든다.

이러한 발상은 예를 들면, 미국 Meta Platforms 등도 가지고 있다. Meta는 증강현실 글라스 부분에 투명 안테나를 구현하려는 연구도 진행하고 있다.

-- 수신 빔의 각도가 가변 --
이번에 DNP 등이 개발한 AoD는, 메타 물질을 이용한 LWA(Leaky Wave Antenna), 또는 TWA(Traveling Wave Antenna)라고 하는 타입의 안테나이다. 메타 물질은 전자파 파장보다 작은 단위 셀이라고 부르는 소자를 다수 나열하거나 쌓음으로써 전자파에서의 새로운 매질(medium)을 실현하는 기술이다. 구체적으로는 유전율(permittivity) ε나 투자율(permeability) μ를 자연계에 있는 재료로는 실현할 수 없는 값으로 하거나 제어하거나 할 수 있다. 이를 통해 예를 들면, 안테나를 초소형으로 하거나 이번과 같은 LWA를 실현할 수 있다.

LWA는 전송선로를 전달하는 파동(진행파)으로부터 일정 방향으로 전자기파가 유입, 또는 새어 나가는 성질을 사용한 안테나로, 몇 가지 파라메터를 바꿈으로써 안테나의 지향성을 제어할 수 있다. 즉, 안테나로부터 출납하는 전자기파의 빔의 방향을 바꿀 수 있는, 즉 주사할 수 있다.

모바일 단말 측에서 기지국이 있는 방향을 감지하고, 거기에 안테나의 감도(이득)가 최대가 되는 방향을 맞추는 것이 가능하게 되는 것이다.

-- 레이더도 상정 --
다만, DNP 등이 상정하는 것은 이러한 무선통신 용도뿐만이 아니다. 모바일 단말기에서 전자파 빔을 발사해 가까운 물체에 반사돼 돌아온 전자파를 측정함으로써 물체까지의 거리를 측정하는 레이더와 같은 역할도 실현 가능하다고 한다.

이러한 빔 주사가 가능한 안테나 기술로는, 다수의 안테나 소자마다 위상을 제어하는 페이즈드 어레이 안테나가 알려져 있는데, 구조가 복잡하고 고가다.

한편, LWA는 페이즈드 어레이 안테나보다 훨씬 간소한 구조로 빔 주사가 가능하다. 이 때문에 20여 년 전부터 다양한 시제를 만들었고, 일부는 제품이 됐지만 손실이 많다는 과제도 있었다.

-- 사다리 모양의 전송선로 --
이번 DNP와 포항공대가 제작한 LWA에서는 투명한 전송선로로서 메탈 메쉬를 이용한다. 메탈 메쉬는 투명 시트 위에 가는 금속 와이어를 그물망처럼 배치해 광투과성과 도전성을 높은 수준으로 양립하는 기술이다. DNP 등은 이 메탈 메쉬를 사다리 모양으로 패터닝해 전송선로를 만들었다.

다만 사다리의 단이 있는 부분은 크게 부풀린다. 이 부푼 부분이 단위 셀이 된다. 이 때문에 조금 떨어져서 보면 실에 염주가 연결되어 있는 것처럼 보이기도 한다. 단위 셀의 직경은 약 2mm. 한편, 22G~38GHz의 전자기파의 파장은 약 14~8mm이기 때문에 단위 셀이 파장보다 작다고 하는 메타 물질의 요건은 충족하고 있다.

-- 주파수나 위상에서 빔을 조작 --
스마트폰 디스플레이에는 이 사다리를 가로로 8개 늘어놓고, 2차원적으로 확장된 LWA를 제작했다. 이 LWA는 크게 2개의 파라미터를 바꿈으로써 수신하는 빔의 방향을 바꿀 수 있다. 하나는 주파수, 다른 하나는 파동 위상이다. 이 차이로 빔의 주사 방향의 각도도 크게 달라진다.

구체적으로는 디스플레이에 수직 방향을 z축, 디스플레이 상에서 전송선로(사다리)의 방향을 x축, 사다리에 수직인 방향을 y축으로 하면, 주파수를 22GHz에서 점차 늘려 38GHz로 할 때까지, 수신할 수 있는 빔의 방향은 x-z평면에서 z축에 대해, -50도에서 +45도까지 변화한다. 28GHz의 경우는 빔이 정확히 z축 방향이 된다.

한편, 같은 28GHz의 빔에 대해서, 이 LWA는 x-z 평면과는 수직으로 교차하는 y-z 평면 중, z축에 대해 0도에서 -60도까지의 각도에 대해서도 감도가 높다. 실은 이때, LWA를 구성하는 8개의 사다리의 출력 포트에는 각각 위상이 다른 신호가 도착하고 있다. 빔의 각도가 0도인 경우는 이웃하는 사다리 사이의 위상차는 0도이지만 -60도인 경우 위상차는 120도로 되어 있다.

물론, 다른 주파수의 빔에 대해서도 y-z 평면 상에서 일정 각도를 주사 가능하다. 이 사다리 1개가 안테나 소자라고 하면, 간이 페이즈드 어레이 안테나의 일종으로 되어 있는 것이다.

또한 이 빔 주사 기능 중에 주파수를 바꾸면 빔 방향이 바뀌는 성질은 ‘Beam Squint’라고도 불리며, LWA의 과제의 하나이기도 하다. 무선통신 대역을 늘리기 어렵고 기지국과의 세션 정립도 어려워지기 때문이다.

단지, 적어도 후자의 과제는 기지국과 모바일 단말의 위치 관계에 의해서 주파수 자체를 적절히 선택하는 대책으로 해소할 가능성은 있다.

-- 손실 문제는 클리어인가 --
그리고 LWA를 따라다니는 손실 과제에 대해서, DNP 등은 이번 발표에서 상세한 논의는 하지 않았다. DNP 부스에서 실시한 데모에서는 매우 가까운 거리에서 전파를 수신하고 있어, 장거리 통신은 일견 어려운 것처럼 보인다.

단지, DNP는 “10dBi 이상의 이득을 실현하고 있다. 그래서 기지국으로부터 수신하는 것은 가능하다”라고 말한다. 이번 구현에서는 손실은 큰 과제가 되지 않을 것 같다.

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