▲ 5G 안테나(左)와 인공지능을 기반으로 설계한 5G 주파수 필터(메타표면 필터) 개념도

국내 연구진이 원하는 주파수만 통과시킬 수 있는 고성능 필터를 개발해 5G 통신품질 향상에 기여할 전망이다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 융합연구팀은 인공지능(AI)을 기반으로 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 ‘5G 주파수 필터’ 구조를 설계하는데 성공했다고 30일 밝혔다.

2019년 4월 서비스를 시작한 5G는 종래의 주파수 대역(3.5 GHz)보다 훨씬 더 높은 주파수 대역(28 GHz 등)을 이용하기 때문에 공간의 제약 없이 많은 양의 데이터를 고속으로 즐길 수 있다. 그러나 국내 이동통신 3사(KT, LGU+, SKT)의 가용 주파수 대역은 매우 인접해 있어 통신 성능을 향상하려면 통신사별로 주어진 가용 주파수 대역을 명확하게 구분해야 한다.

이를 위해 대규모 다중입출력(Massive MIMO) 기술을 활용하는 5G 기지국 통신장비에는 안테나 수만큼 많은 필터가 사용된다. 시장의 80% 이상을 점유한 외산 제품의 경우, 안테나와 필터를 연결할 때 체결 및 접합 같은 조립 과정이 필요해 필터 간 품질 편차가 발생할 수 있다.

연구팀이 개발한 ‘5G 주파수 필터’는 명함 두께 4분의 1인 50 μm(마이크로미터, 100만분의 1 미터) 정도로 매우 얇은 필름 형태다. 기존의 압연 방식이 아닌 전기분해를 통해 만드는 얇은 구리박으로, 인쇄회로기판을 만드는 일렉포일 방법을 활용해 필터를 제작했다. 필터와 안테나를 연결하는 추가 공정이 필요한 외산과 달리, 단일층 금속 시트(sheet) 형태로 제작돼 유연하고 스티커처럼 탈부착할 수 있다.

필터 성능평가는 상용 수준의 5G 안테나와 결합한 환경에서 이뤄졌다. KRISS에서 개발한 필터는 외산 필터보다 대역폭, 손실특성, 주파수 선택특성 등에서 더욱 우수한 성능을 나타냈다.

연구팀은 인공지능을 기반으로 자체 개발한 광역최적화 방법을 적용해 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 필터를 설계했다. 이를 ‘메타표면 필터’라고 하는데, 2차원 표면에 미세하고 복잡한 단위 구조를 주기적으로 배열해 전자파나 빛의 반사, 굴절, 투과 등의 성질을 조절하는 구조이다.

KRISS 홍영표 책임연구원은 “융합연구팀이 개발한 필터는 고성능, 저비용, 획기적 설계방법으로 5G 주파수 필터 시장의 판도를 바꿀 경쟁력 있는 제품”이라며, “이번 기술은 5G 안테나 빔포밍 기술뿐만 아니라 국방 스텔스 기술 등에도 쓰일 수 있다”라고 밝혔다.

한편 이번 연구 완성을 위해 개발된 요소기술은 통신 분야의 저명한 국제학술지(IEEE Access)에 지난 2월 게재됐으며, 인공지능을 기반으로 한 설계기술은 특허로 출원됐다.