전자파를 눈으로 보자!(Let's See EM Waves!)

[경고] 아래 글을 읽지 않고 "전자파를 눈으로 보자"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
1. 가장 쉬운 안테나 이론

안테나(antenna)는 전류(electric current)와 전압(voltage)을 전자파(electromagnetic wave)로 바꾸어 주는 무선 통신에서 매우 중요한 수동 소자(passive device)이다.

[그림 1] 깃대 안테나(mast antenna)의 모습(출처: wikipedia.org)

현재까지 인간이 발견한 파동중 신뢰성과 효율성 측면에서 전자파보다 효과적인 매개체는 없다. 그래서, 전자파는 장거리 레이다(radar), 위성 통신, 우주 통신 등에 사용될 수 있는 거의 유일한 파동이다. 이런 전자파에도 약점이 있다. 비가시 전자파(invisible electromagnetic wave)는 눈에 보이지 않기 때문에, 통신 시스템을 설계할 때 매우 불편하다. 이런 문제를 재미있게 해결하는 논문이 [1]에 발표되었다. [1]에서 3.3 GHz 전자파 가시화 장치를 만드는 방법과 구체적인 부품을 볼 수 있다.

[그림 2] 렉테나를 이용한 전자파 가시화 장치(출처: [1])

[그림 2]처럼 전자파를 눈에 보이도록 만들기 위해  LED(발광 다이오드, Light Emitting Diode)와 렉테나(rectenna: 정류 안테나, rectifying antenna)를 활용하고 있다. 이를 위한 발상 방식은 매우 간단하다. 전자파를 수신하여 전기를 생성하기 위해 정류 안테나인 렉테나를 사용한다. 렉테나에서 만들어진 전기는 LED를 이용하여 빛을 만든다. 즉, 전자파가 있으면 전기가 만들어져 LED가 켜지고 전자파가 없으면 전기가 없어 LED를 켤 수 없다. 전자파를 이용해 전기를 만드는 렉테나는 최근에 등장하는 에너지 수확(energy harvesting) 기술의 핵심을 이루는 중요 소자이다. 하지만 렉터나의 기본원리는 정류기(rectifier)와 별반 다르지 않다. [그림 2]에서 사용한 렉테나는 실제 다음 모양을 하고 있다.

[그림 3] 렉테나의 실제 모습(출처: [1])

렉테나의 회로도는 다음과 같다. [그림 4]의 렉테나는 마이크로스트립[간략하게 μ스트립] 패치 안테나(microstrip patch antenna), μ스트립 선로(microstrip line), 임피던스 정합망(impedance matching network), 전압 체배기(voltage multiplier)로 구성된다.

[그림 4] 렉테나의 회로도(출처: [1])

50 Ω의 입력 임피던스(input impedance)를 가진 패치 안테나를 전압 체배기와 임피던스 정합을 시키기 위해 인덕터(inductor) L1, L2로 구성된 임피던스 정합망을 사용하였다. 전압 체배기는 두 개의 전압 이배기(voltage doubler)를 직렬로 연결하여 안테나에 유기되는 전압을 4배로 키운다.

[그림 5] 그라이나허 전압 이배기(출처: wikipedia.org)

전압을 두 배로 키우기 위해 주로 사용하는 회로는 [그림 5]와 같다. [그림 5]의 회로는 약 100년 전인 1913년그라이나허 33세, 일제 식민지 시절에 그라이나허Heinrich Greinacher(1880–1974)가 발명했다. [그림 4]의 전압 체배기는 다음처럼 동작 원리를 이해할 수 있다. 안테나에 유기되는 전압은 $v_a$라 하고 최대값을 $V_p$라 가정한다.

1. $v_a$가 (+): D1-d2 다이오드가 켜져 C1을 최대 $V_p$까지 충전한다.
2. $v_a$가 (-): D1-d2는 꺼지고 D1-d1이 켜져 C2를 최대 $2V_p$까지 충전한다. $2V_p$가 되는 이유는 C1에 $V_p$ 만큼 충전되어 있고 $v_a$가 음(-)의 방향으로 $V_p$까지 움직이기 때문이다.
3. 다시 $v_a$가 (+): D2-d2가 켜져 C4를 충전한다. KVL(Kirchhoff Voltage Law)에 의해 최대 $2V_p$까지 충전된다.
4. 다시 $v_a$가 (-): D2-d2는 꺼지고 D2-d1이 켜져 C3를 충전한다. C3는 최대 $4V_p$까지 충전된다.
5. 이 과정이 주기적으로 계속 반복된다.

[참고문헌]
[1] B. Bauman, A. Christianson, A. Wegener, W. J. Chappell, "Dynamic visualization of antenna patterns and phased-array beam steering," IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 54, no. 3, pp. 184–193, June 2012.

신기한 투명 안테나(Transparent Antenna)

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1. 가장 쉬운 안테나 이론
2. 액체 금속을 이용한 휘어지는 안테나

인공적인 특성을 가진 안테나를 사용자로부터 감추기 위해 다양한 방법이 제안되었다. 숨겨진 안테나(hidden antenna)를 위한 대표적인 기술이 인테나(intenna: internal antenna)이다. 인테나 기술은 대부분의 스마트폰(smartphone)에 쓰이는 안테나 기술이다.

[그림 1] 최초의 스마트폰 IBM 사이먼(Simon)(출처: wikipedia.org)

   

[그림 2] 아이폰 5와 갤럭시 S3(출처: wikipedia.org)

1994년에 나온 최초의 스마트폰인 사이먼은 돌출형 안테나를 가지고 있지만 최근에 나온 [그림 2]의 스마트폰은 안테나가 내부에 장착된 인테나 기술을 사용하고 있다. 이런 경향과는 별도로 연구되고 있는 분야가 투명 안테나(transparent antenna) 기술이다. 투명 안테나는 [그림 3]의 투명 인간과 비슷하다고 생각할 수 있다.

[그림 3]  영화 할로우 맨(Hollow Man)(출처: wikipedia.org)

투명 안테나 개념으로 보면 실제 안테나는 돌출되어 있지만 빛 영역에서는 투명하여 보이지 않고 빛이 아닌 전자파 영역에서는 금속으로 작용하는 물질을 사용하고 있다. 빛에는 투명하고 전자파에는 금속인 물질이 어디 있을까 고민할 수 있지만 우리가 매일 보고 있다. 바로 하늘이다.

[그림 4] 아름다운 하늘(출처: wikipedia.org)

이 하늘에는 플라즈마(plasma) 특성을 갖는 전리층(電離層, ionosphere)이 있어 저주파 전자파는 가두고 빛은 계속 통과시키고 있다. 이게 바로 우리가 태양을 볼 수 있는 이유이다.

[그림 5] 고도와 전리층의 관계(출처: wikipedia.org)

[그림 6] 발광하는 플라즈마(출처: wikipedia.org)

플라즈마는 물질의 제 4상태로서 기체와 비슷하지만 물질이 이온화된 상태를 말한다. 그래서, 양이온과 음이온이 다수로 존재하기 때문에 전도체 특성을 강하게 가진다. 즉, 플라즈마는 기체 성질을 가진 금속으로 생각할 수 있다. 하지만 플라즈마는 기본적으로 기체 상태를 필요로 하므로, 상용 안테나에 쓰이기는 힘든 물질이다.

[그림 7] TCO를 이용한 태양 전지(출처: wikipedia.org)

그래서 최근에는 TCO(투명 전도성 산화물, Transparent Conducting Oxide)를 이용하여 패치 안테나(patch antenna)를 만드는 기술이 활발히 연구되고 있다[1]. TCO 기반 패치 안테나는 투명하기 때문에 자동차 앞유리, 태양전지 등에 장착하여 전자파를 송수신할 수 있다. [그림 8]은 파장(wavelength)에 대한 TCO의 전도도(conductivity) 특성을 보여준다.

[그림 8] 파장에 대한 TCO의 전도도 특성(출처: [1])

TCO의 플라즈마 주파수(plasma frequency)는 약 30 THz이므로 GHz 주파수 대역에서는 금속으로 간주할 수 있다. 하지만 30 THz보다 높은 가시광 대역에서는 플라즈마 주파수를 넘어갔기 때문에 투명하다고 생각할 수 있다. 따라서 TCO는 광학적으로 투명하면서 전기적으로 전도성을 가진 물질이 된다.

[그림 9] TCO를 이용해 만든 모노폴 안테나(출처: [2])

[그림 9]는 투명 기판에 TCO를 이용해 모노폴 안테나(monopole antenna)를 형성한 모습을 보여준다[2]. [그림 9]에서 사다리꼴 모양으로 회색을 띤 물체가 TCO로 만든 모노폴 안테나이다. 이와 같이 투명 안테나 기술은 오래전부터 광범위하게 개발되고 있다. 참고문헌 [4]에서 KAIST가 세계 최초로 차량용 투명 안테나를 개발했다고 선전하고 있지만, 이미 2000년 이전부터 개발되어온 기술이다. 예를 들면 [3]을 보자. 영국 IEE 학회에서 주최한 차량용 안테나 세미나에서 광학적으로 투명한 마이크로스트립[간략하게 μ스트립] 안테나(microstrip antenna) 기술을 2000년김대중 정부 시절에 소개했었다. 물론 [3]의 결과가 최초는 아니고 찾아보면 이전 선행 기술이 또 있을 것이다. 따라서 KAIST의 세계 최초 주장은 아마 KAIST쪽에서 문헌 조사를 게을리 했거나 한국 특유의 과장법이라 볼 수 있다. KAIST에서 개발된 투명 안테나의 세부적인 내용은 [5]에서 볼 수 있다. 개발에 사용한 TCO가 약간 다른 외에는 일반적인 제조 공정을 따르고 있기 때문에, [2]와 차별화되는 면을 찾기 어렵다.

[참고문헌]

[1] J. R. Saberin and C. Furse , "Challenges with optically transparent patch antennas," IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 54, no. 3, pp. 10–16, June 2012.

[2] N. Guan, H. Furuya, D. Delaune, and K. Ito, "Antennas made of transparent conductive films," PIERS Online, vol. 4, no. 1, pp. 116–120, 2008.

[3] C. Mias, C. Tsakonas, N. Prountzos, D. C. Koutsogeorgis, S. C. Liew, C. Oswald, R. Ranson, W. M. Cranton, and C. B. Thomas, "Optically transparent microstrip antennas," IEE Colloquium on Antennas for Automotives, March 2000.

[4] 정연, "세계 최초 차량용 투명안테나 개발", KAIST News, 2009.

[5] 박재우, "차량용 투명 안테나", 대한민국 특허 제101053056호, 2011년 7월 26일.

[6] T. D. Nguyen, J. H. Choi, C. W. Jung, "Optically transparent patch antennas using saltwater for WLAN applications," J. Electromagn. Eng. Sci., vol. 22, no. 6, pp. 609–615, Nov. 2022.

로고 안테나(Logo Antenna)

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1. 가장 쉬운 안테나 이론

전자파를 다루는 기본 요소 중에서 가장 혁신이 많이 일어나는 부분은 전자파를 복사하거나 수신하는 안테나(antenna)이다. 무선 통신(wireless communication)에 필수적인 안테나지만, 부드러운 곡면보다는 뾰족한 인공적인 모양을 가져 아름다움이나 세련됨과는 거리가 있다.

[그림 1] 비너스의 탄생(출처: wikipedia.org)

안테나에 대한 이런 편견을 효과적으로 완화시키는 개념이 로고 안테나(logo antenna)[1]–[4]이다. 어떤 제품이든지 회사 로고는 들어가기 때문에, 로고 자체를 안테나로 만드는 기술은 매우 유용하다.

[그림 2] 델 컴퓨터의 로고 안테나 특허(출처: [1])

로고 안테나에 대한 재미있는 특허 중 하나가 델 컴퓨터(Dell)에서 나왔다[1]. [그림 2]처럼 노트북 컴퓨터 표면에 델 로고가 있다. 이 로고를 상표 뿐만 아니라 안테나로 사용하여 무선 통신을 하는 특허를 등록했다[1]. 하지만 애석하게도 이미 학계에서는 잘 알려진 개념이다[2]–[4]. 참고문헌 [2]를 보면 1997년김영삼 정부 시절에 이미 홍콩 시립대학교(City University of Hong Kong)의 로고를 안테나로 활용하였다.

[그림 3] 예전 홍콩 시립대학교의 로고(출처: wikipedia.org)

[그림 4] 마이크로스트립 패치 안테나로 구성한 홍콩 시립대학교의 로고(출처: [2])

[그림 3]과 같이 생긴 대학교 로고를 안테나로 만들려면 마이크로스트립[간략하게 μ스트립] 패치 안테나(microstrip patch antenna)가 적당하다. 패치 안테나에 적당한 홈을 만들면 안테나 공진(antenna resonance)이 생긴다. 이때 홈 모양을 대학교 로고처럼 만들면 우리가 원했던 로고 안테나가 만들어진다. 이런 접근은 공개된 기술이므로 누구나 사용할 수 있다.

(a) 노트북에 위치한 로고

(b) 로고 밑에 있는 안테나용 구멍(cavity)

[그림 5] 애플의 로고 밑 안테나(출처: [5])

논란이 되는 또 하나의 로고 안테나는 애플(Apple)이 발표했다. 참고문헌 [1]–[4]에 있는 로고 안테나 개념으로 보면, [5]에 있는 애플의 안테나는 로고 안테나가 아니다. 로고를 안테나로 만들지 않고 로고 밑에 안테나를 배치했기 때문에, 정확히는 로고 밑 안테나(antenna under logo)라고 해야 한다. 애플은 특이하게도 특허를 출원할 때, 출원인을 회사로 하지 않고 개인발명자를 자주 내세운다. 이런 이유로 출원인을 애플로 검색해서는 해당 특허를 찾을 수 없다. 아마도 이런 방식은 비밀 유지(?) 때문인 듯 하지만, 워낙 애플 열광자가 많아서 애플의 특허는 쉽게 드러난다. 애플이 가진 안테나 설계의 고민은 디자인 때문에 생긴다. 노트북 외형을 금속으로 만들면 전자파가 차폐되어 무선 통신을 할 수 없다. 현재 애플 디자인에서 플라스틱이 쓰이는 부분은 로고 부분이다. 그래서, 이 로고의 아래에 안테나를 담을 빈 구멍(공동, 空洞, cavity)을 만든다. 이 넓은 빈 구멍에 전자파를 여기시켜 플라스틱 로고를 통해 전자파를 복사한다는 특허가 [5]에 제시되어 있다. 모르는 사람이 보면 역시 애플이라 하겠지만 안테나 설계자 입장에서 보면 한심한 특허 중의 하나이다. 이미 후면 공동 안테나(cavity-backed antenna) 개념은 오래 전에 개발되어 광범위하게 쓰이고 있다. 예를 들면 1962년국가재건최고회의 시절에 발표된 후면 공동 고리형 긴 구멍 안테나(cavity-backed annular slot antenna)[6]를 들 수 있다. 이 논문 외에도 후면 공동 안테나는 무수히 제안되어 훌륭히 잘 쓰이고 있다. 후면 공동 안테나의 장점은 안테나 이득(antenna gain) 개선이다. 즉, 전자파가 구멍 전체로 골고루 퍼지면서 복사되기 때문에 전자파가 집속되는 정도인 안테나 이득이 높아진다. 따라서 애플이 [그림 5] 방식으로 안테나를 설계하면 안테나 이득이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 하지만 애플 이전에 다 알고 있었던 내용이다.

[그림 6] 안테나를 덮은 플라스틱 뚜껑(출처: wikipedia.org)

후면 공동 안테나의 신규성이 없다면 안테나에 뚜껑을 덮는 방식에 신규성이 있다고 주장할 지 모르지만, 후면 공동 안테나를 만드는 사람들은 다 안테나에 뚜껑을 덮는다.[∵ 덮지 않으면 먼지나 불순물이 공진기 내부로 들어올 수 있다.] 특히 레이다(radar)에 사용하는 [그림 6]과 같은 뚜껑은 레이돔(radome: 레이다 덮개, radar dome의 약어)이라 부른다. 후면 공동 안테나에 뚜껑이 없으면 먼지가 끼고 습기도 들어가기 때문에 안테나 보호를 위해 상식적으로 플라스틱 뚜껑을 덮는다. [그림 6]의 레이돔용 플라스틱은 둥글고 [그림 5]의 로고 밑 안테나는 평평하기 때문에 차이난다고 생각한다면, [7]을 보라. 상부층(superstrate)이라 불리는 평평한 유전체로 안테나를 보호함 기본이고 상부층의 유전율과 높이를 조정하여 안테나 이득까지 증가시키고 있다. 이 논문은 이미 1984년전두환 정부 시절에 발표되었다. 즉, 플라스틱이 평평하든지 둥글든지 플라스틱으로 안테나를 감싸는 기술은 너무 범용으로 쓰여 애플 특허의 신규성과 진보성에 문제가 느껴진다.

삼성전자는 [1]과 유사한 로고 안테나를 특허 출원[8]하였으나, 어떤 이유인지 몰라도 특허 출원을 취하하였다. 특허 전문이 공개된 이후에 출원을 물렀기 때문에, 특허 전문은 여전히 공개가 되며 먼저 출원한 당사자도 삼성전자가 된다. 이 상태에서는 로고 안테나로 광범위하게 특허를 재출원하기는 불가능하다.

[참고문헌]

[1] D. M. LaKomski, "Logo antenna," US Patent No. 6667719, Dec. 2003.

[2] Y. L. Chow and C. W. Fung, "The City University logo patch antenna," Asia-Pacific Microwave Conference, vol. 1, pp. 229–232, Dec. 1997.

[3] C.-L. Hung and W.-C. Weng, "An NCNU-shape planar antenna for multiband applications," Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 1990–1993, Dec. 2009.

[4] M. S. Mahmud and S. Dey, "Design, performance and implementation of UWB wearable logo textile antenna," Int. Symp. Antenna Technology and Applied Electromagnetics, pp. 1–4, June 2012.

[5] E. A. Vazquez, G. A. Springer, B. Chiang, D. B. Kough, R. W. Schlub, Y. Jiang, R. A. G. Angulo, R. Caballero, "Dielectric window antennas for electronic devices," US Patent Application No. 12/486,496, June 2009.

[6] J. Galejs and T. Thompson, "Admittance of a cavity-backed annular slot antenna," IRE Trans. Antennas Propag., vol. 10, no. 6, pp. 671–678, Nov. 1962.

[7] N. G. Alexopoulos and D. R. Jackson, "Fundamental superstrate effects on printed circuit antenna efficiency," IEEE MTTS Int. Microwave Symp. Digest, pp. 475–476, May 1984.

[8] 김진우, "휴대 단말기의 로고 안테나 장치", 대한민국 특허 출원번호 1020040094650, 2004년 11월.