3D 프린팅이 곧 콤팩트 빔 발생기로 통신에 활력을 줄 수 있습니다

중국 시안교통대학교 연구팀이 3D 프린팅으로 제작한 궤도 각운동량(OAM) 와류 빔 발생기 시제품을 공개했습니다. 이 장치는 5G·6G 무선망의 데이터 전송과 영상 스캔 등을 개선할 수 있습니다. 소형 빔 발생기의 작동 방식과 통신 개선 가능성을 살펴보겠습니다.

5G/6G 요구사항

안정적인 5G·6G 네트워크를 위한 경쟁이 세계적으로 이어지고 있습니다. 중국과 미국 등은 미래 통신망의 주도권을 확보하기 위해 밀리미터파 무선 시스템을 발전시키고 있습니다. 5G 네트워크는 밀리미터파를 활용해 처리량과 성능을 높이고 지연을 줄일 수 있습니다. 이런 통신망은 선명하고 효율적이며 간섭에 강한 통신을 제공합니다.

궤도 각운동량(OAM) 와류 빔 발생기

연구자들은 대용량 데이터 전송을 위해 여러 방법을 검토해 왔습니다. 그중 유망한 방식이 궤도 각운동량(OAM) 와류 빔 발생기입니다. 이 장치는 나선형 위상을 가진 와류 빔을 생성하고 제어합니다.

비틀린 빔을 만들기 위해 광학 장치의 둘레를 따라 길이가 선형적으로 달라지는 광경로를 사용합니다. 올바르게 제작하고 사용하면 주파수 이용 효율과 통신 용량을 크게 높일 수 있습니다.

현재 OAM 와류 빔 발생기 제작 방법의 문제점

와류 빔 발생기는 미래 5G·6G 통신의 유망 기술이지만 일상적으로 사용하려면 해결할 문제가 있습니다. 현재 장치는 효율이 낮고 빔 생성 능력이 충분히 최적화되지 않았으며, 대역폭에도 큰 제약이 있습니다.

빔 발생기 제작 비용

또 다른 단점은 높은 제작 비용입니다. 매우 정밀해야 하므로 제조 공정이 복잡하며, 잘못 제작하면 원치 않는 간섭에 취약해질 수 있습니다.

빔 발생기 연구

최근 연구¹는 Optica Publishing Group의 학술지 Optics Express에 발표되었습니다. 정밀도를 높이고 비용을 낮출 수 있는 새로운 제작 방법을 제안하며, 대용량 와류 빔을 만드는 OAM 발생기의 3D 프린팅 방식을 소개합니다.

연구팀은 Ka 대역 무선 통신용 안테나 시스템으로 장치를 설계했습니다. 간섭 필터, 전력 분배기, 위상 변환기, 전송선, 방사 소자를 하나의 출력물에 통합했습니다.

3D 프린팅된 OAM 빔 발생기

OAM 빔 발생기는 일체형 설계와 선택적 레이저 용융(SLM) 3D 프린팅 기술로 제작되었습니다. 합금을 사용하고 내부에 공기로 채워진 간극을 두어 유전 손실을 최소화했습니다.

기존 연구에서는 여러 전력 소자와 위상 변환기를 결합했지만, 이런 구조는 간섭과 유전 손실을 높였습니다. 따라서 금속으로 된 일체형 구조가 적합하다고 판단했습니다.

전력 분배기

새 설계에는 정밀도와 감도를 높이는 이득 필터링 기능이 포함됩니다. 연구팀은 8개 위상 지연선과 비틀린 도파관을 결합한 1대8 전력 분배기를 제작했습니다. 신호를 분리해 정해진 경로로 보내 간섭을 줄이도록 설계했습니다.

통합 이득-필터링

간섭 제거는 여러 이점이 있습니다. 더 많은 대역폭을 데이터 전송에 활용하고, 원하는 수신 신호를 정밀하게 선택하며 불필요한 신호를 제거할 수 있습니다. 이후 신호는 원형 안테나 배열로 보내져 최종적으로 정렬됩니다.

빔 발생기 컴퓨터 시뮬레이션

연구팀은 고급 컴퓨터 시뮬레이션으로 설계를 더욱 다듬었습니다. 수천 번의 시험을 통해 대역 내 전송을 개선하고 대역 외 신호를 효과적으로 억제하는 정밀한 구조를 찾았습니다.

빔 발생기 연구 결과

결과는 유망했습니다. 새 장치는 미래 무선 통신의 과부하 문제 완화에 도움이 될 수 있습니다. 간섭을 줄이고 주 신호를 강화했으며, 모드 지수 l = +1인 OAM 빔을 생성했습니다.

이 장치를 통신탑에 설치하면 과부하를 완화할 수 있습니다. 크기가 작아 대규모 인파가 모일 때 임시 또는 상시 설치해 데이터 과부하를 줄이는 데 활용할 수 있습니다. 통화 끊김과 느린 연결도 줄일 수 있습니다.

금속 일체형 구조도 작동에 유리했습니다. 기존 방식보다 방사 효율과 전력 처리 능력이 높았고, 신호 순도는 80%에 도달했습니다. 주 방향에서 대역 외 억제 성능은 30dB를 넘었습니다.

콤팩트 빔 발생기의 잠재적 응용 분야

이 기술은 5G·6G 무선 통신 기반 시설 등에 활용될 수 있습니다. 밀리미터파 시스템은 데이터 전송량을 극대화하기 위해 간섭을 제거해야 합니다.

원격 탐사와 영상화

원격 탐사와 영상 시스템도 중요한 활용 분야입니다. 기존 장치보다 상세한 정보를 제공해 울창한 숲, 수중 또는 사막에 묻힌 장소를 더 철저히 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다.

군사적 활용

마이크로파 레이더 시스템은 여러 표적을 추적하는 능력을 개선할 수 있습니다. 현대 전쟁에서는 저렴하고 제작이 쉬우며 다양한 임무에 맞출 수 있는 소형 무인 시스템이 널리 쓰입니다. 이들을 추적하는 일은 중요하며, OAM 빔 발생기가 이를 개선해 인명 보호에 기여할 수 있습니다.

콤팩트 빔 발생기가 시장에 가져다 주는 이점

제조 과정은 여러 곳에서 부품을 만든 뒤 조립 공장으로 운송하는 기존 방식보다 저렴합니다. 3D 프린팅은 이런 추가 단계를 줄입니다.

통합 이득-필터링

주요 이점은 통합 이득 필터링입니다. 장치의 정확한 형상을 시뮬레이션해 원하는 신호를 증폭하면서 채널 전체의 간섭을 줄였습니다. 움직이는 부품 없이 하나의 장치로 구현된다는 점도 장점입니다.

저비용

외부 부품을 모아 조립하는 것보다 한 번에 출력하는 편이 저렴합니다. 일체형 구조는 조립 비용을 없애며, 필요한 곳의 3D 프린팅 시설에서 장치를 제작할 수 있습니다.

정밀도

설계의 핵심 이점은 부품을 매번 정밀하게 정렬할 수 있다는 것입니다. 여러 부품을 조립해 같은 정밀도를 얻으려면 많은 시간과 노력이 듭니다. 합금 적층 제조를 통해 움직이는 부품 없이 신호 전송을 개선하는 복잡한 구조를 만들었습니다.

빔 발생기 연구자들

주요 연구자는 중국 시안교통대학교의 Jianxing Li와 Yuanxi Cao입니다. 연구팀은 다양한 주파수와 신호에서 성능을 확인하기 위해 시험을 확대하려 합니다. 목표는 신호 전송 성능과 규제 기준 사이의 균형을 찾는 것입니다.

3D 프린팅 빔 발생기 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업들

통신, 3D 프린팅, 군사 분야의 여러 기업이 이 기술을 제품에 적용할 수 있습니다. 다음은 이러한 발전의 혜택을 받을 수 있는 두 기업입니다.

1. Materialise NV

벨기에 기업 Materialise NV (MTLS )는 1990년에 설립되었습니다. 창업자 Wilfried Vancraen과 Hilde Ingelaere는 적층 제조 소프트웨어와 3D 프린팅 솔루션을 한곳에서 제공하려 했습니다. 현재는 지속 가능한 3D 프린팅 생산 서비스를 제공하며 성장하고 있습니다.

Materialise는 여러 적층 제조 분야로 사업을 확장했습니다. 신속한 시제품 제작과 함께 3D 프린팅 수술 가이드 및 임플란트를 제공합니다. 최근에는 소비자 대상 3D 프린팅 서비스 플랫폼도 추가해 새로운 수익 기회를 열었습니다.

제품과 시제품을 개발하는 동안 Materialise NV 주가는 지난 5년간 하락했습니다. 다만 일부 분석가의 3개월 전망은 90% 확률로 최대 60.67% 상승 가능성을 제시했습니다. 이런 전망이 새로운 투자자들의 관심을 끌고 있습니다.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc는 1935년에 사업을 시작했습니다. 텍사스에 기반을 둔 통신 기업으로 데이터, 인터넷, 영상, 음성, 하드웨어, 네트워크 솔루션 등으로 사업을 확장했습니다.

현재 시가총액은 86억 6,000만 달러이며 상승세를 보이고 있습니다. FYBR은 상승 잠재력과 회사의 시장 지위를 이유로 여러 추천 목록에 포함되어 있습니다.

콤팩트 빔 발생기 – 통신의 미래

3D 프린팅 소형 빔 발생기가 실제 지역 통신망에 도입되기까지는 추가 시험이 필요하지만, 기술의 가능성은 확인되었습니다. 앞으로 무선 시스템의 범위와 성능을 개선하는 데 기여할 수 있습니다. 연구팀은 무선 통신의 오래된 문제에 새로운 접근법을 제시했습니다.

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연구 참고문헌:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D 프린팅 OAM 빔 발생기와 향상된 대역 외 이득 필터링 특성. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}