신기한 투명 안테나(Transparent Antenna)

[경고] 아래 글을 읽지 않고 "투명 안테나"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
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.