▲ (왼쪽부터) 김진현 서울대학교 전기·정보공학부 연구원, 김병진 서울대학교 전기·정보공학부 연구원, 박민규 서울대학교 전기·정보공학부 연구원, 오정택 서울대학교 전기·정보공학부 연구원, 오정석 서울대학교 전기·정보공학부 교수


▲ 반도체 웨이퍼에 안테나와 RF 스위치를 함께 집적한 웨이퍼 일체형 6G 안테나 ‘STARE’ 개념도. 위성통신과 자율주행 등 다양한 활용 분야를 나타냈다.


▲ 기존 RIS용 가변소자와 연구팀이 개발한 SOD를 응답속도·비용·패키징 방식으로 비교한 인포그래픽. SOD는 빠른 응답과 내장형 구조로 소형화와 저비용 양산에 유리하다.


웨이퍼 안에 안테나와 RF 스위치 동시 구현

서울대학교 공과대학 전기·정보공학부 오정석 교수 연구팀이 안테나와 전파 방향을 제어하는 RF 반도체 스위치를 하나의 웨이퍼에서 동시에 제작하는 웨이퍼 일체형 6G 빔포밍 안테나 ‘STARE’를 세계 최초로 개발했다.

기존에는 안테나와 RF 반도체 스위치를 각각 제작한 뒤 별도의 조립 공정을 거쳐야 했다. 반면 STARE는 두 기능을 하나의 반도체 공정 안에서 함께 구현해 장치의 돌출 부품와 조립 부담을 줄이고, 6G 안테나를 보다 저렴하게 대량생산할 수 있는 기반을 마련했다.


조립형 RIS를 ‘반도체 일체형 장치’로 전환

6G와 위성통신에서는 많은 수의 안테나가 전파를 이용자가 있는 방향으로 빠르고 정밀하게 보내야 한다. 이를 위해 전파를 원하는 방향으로 반사하거나 통과시키는 재구성 지능형 표면(RIS)이 핵심 기술로 주목받고 있다.

그러나 기존 RIS는 액정이나 개별 다이오드 등 전파 제어 부품을 안테나에 하나씩 부착하는 방식이어서, 안테나 수가 늘어날수록 부품과 배선, 조립 공정도 함께 증가했다. 이는 제작 비용을 높여 대규모 통신 시스템에 적용하는 데 걸림돌로 작용했다.

연구팀이 개발한 STARE는 완성된 안테나에 전파 제어 부품을 붙이는 ‘조립형 장치’가 아니라, 안테나와 RF 반도체 스위치를 웨이퍼 안에 함께 만드는 ‘반도체 일체형 장치’다. 연구팀은 서로 다른 방식으로 설계되던 반도체 소자와 안테나를 하나의 시스템으로 구현하는 설계 방법을 정립했다.

또한 값비싼 웨이퍼 관통 공정을 사용하지 않고도 웨이퍼 양면의 구조 사이에서 발생하는 자기적 결합을 이용해 전파를 전달하는 평면형 구조를 구현했다. 이를 통해 돌출된 부품이 없는 얇은 형태를 유지하면서도 전파의 방향을 제어할 수 있도록 했다.


6G·위성통신을 위한 범용 제조 플랫폼 제시

이번 연구는 하나의 안테나 시제품을 개발하는 데 그치지 않고, 다양한 형상과 배열의 능동형 안테나와 투과형 배열 안테나, RIS를 반도체 공정으로 제작할 수 있는 새로운 제조 플랫폼을 제시했다는 데 의미가 있다.

향후 대면적 웨이퍼와 더욱 정밀한 전파 제어 기술로 고도화되면 기지국과 위성 안테나, 기존 중계기를 보완하는 얇은 전파 조향 패널 등에 활용될 수 있다. 나아가 통신과 감지를 함께 수행하는 시스템, 자율이동체와 저궤도 위성의 통신 제어, AI 데이터센터 내부의 고속 무선 연결 등으로도 응용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

오정석 교수는 “반도체 스위치와 안테나를 처음부터 하나의 웨이퍼 안에서 함께 설계하고 제작했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 대면적 웨이퍼와 정밀한 위상 제어 기술로 확장해 지상·위성 통신과 산업용 무선 시스템에 적용할 수 있는 범용 6G 전파 플랫폼으로 발전시키겠다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 『Nature Communications』에 7월 1일 게재됐다.

한편, 본 연구는 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행되었다(2021-0-00763, 테라헤르츠 6G 지능형 안테나 소자/구조/네크워크 혁신 융합 기술 개발).

[참고 자료]
- 논문명/저널: STARE: a semiconductor-integrated transmit-array architecture for 6G beamforming, Nature Communications
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-74911-2

[문의]
서울대학교 전기·정보공학부 오정석 교수 / jungsuek@snu.ac.kr