연구팀은 이호진 교수(교신저자)를 비롯해 이원우 박사(전자정보공학부, 제1저자), 박홍수 박사(지능형반도체학과, 공동 제1저자), 전자정보공학부 박창근 교수, 홍순기 교수로 구성됐다. 연구팀이 개발한 신형 메타렌즈는 두께 1㎜ 미만의 단층형 메타표면을 활용한 전자파의 에너지 집속이 가능하며, 수직 입사뿐만 아니라 다양한 입사각을 가진 전자기파에 대해서도 우수한 집속 성능을 보였다.
기존 메타표면 기반 렌즈 기술은 대부분 가시광선 대역에 집중되어 있어, 밀리미터파 대역을 활용하는 통신 및 안테나 응용에는 어려움이 있었다.
이에 숭실대 연구팀은 중심 동작 주파수인 22.5㎓ 대역에서 편광 방향에 무관하게 작동하는 독립적인 전자기 집속 특성을 구현, 밀리미터파 대역에서 작동 가능한 새로운 메타표면 렌즈 설계 기술을 제시했다. 이 메타렌즈는 입사각에 대한 민감도가 낮아, -10도에서 10도 사이의 기울어진 각도로 전자기파를 입사하더라도 집속 초점의 위치 변화가 거의 없다.
이 메타렌즈를 통해 집속된 전자기파 에너지는 패치 안테나를 거쳐 CMOS 기반 초소형 정류기를 통해 직류 전압으로 변환되고, 이어 DAC 변환기를 통해 초소형 무인이동체의 구동에 필요한 전압으로 최종 변환된다. 이를 통해 연구팀은 메타렌즈와 CMOS 회로 기술을 융합한 초소형 무선 전력 전송 시스템을 구축했다.
연구팀은 해당 시스템을 이온성 탄성유전체 기반 엑추에이터에 적용해, 소형 무인 인동체를 애벌레의 움직임과 유사한 방식으로 구동할 수 있다는 흥미로운 연구 결과를 실험적으로 확인했다. 이 연구는 메타표면과 CMOS 기반 무선 전력 전송 기술의 결합을 통해 기존 소형 무인 이동체의 제한된 동작 시간을 극복할 수 있는 가능성을 제시했으며, 향후 드론, 로봇, 자동차 등 다양한 이동형 시스템 설계에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 "이번 연구는 전자기 집속 메타표면 기술과 CMOS 회로 설계 기술을 융합해 무선 전력 전송 시스템을 구현한 첫 사례"라며 "향후 광대역·광각의 전자기 집속 및 더 높은 효율의 전력 변환이 가능한 시스템을 개발하고, 상용적 유효성 검증을 위한 후속 연구로 이어갈 계획"이라고 밝혔다.
이번 연구는 미해군연구국(ONR)과 한국연구재단 기초연구실(BRL) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
정래연기자 fodus0202@dt.co.kr
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