[첨단 헬로티]

최계원 성균관대학교 전자전기공학부 연구팀이  ‘엔지니어링 임팩트 어워즈(Engineering Impact Awards, 이하 EIA)’ 최종 수상자 후보로 선정됐다.

EIA는 미국 텍사스주 오스틴컨벤션센터에서 열리고 있는 NI WEEK 2019의 행사 중 하나로 기업이나 연구기관의 연구성과를 신청받아 심사를 통해 우수 성과를 시상하는 자리다.

▲ 왼쪽부터 성균관대 Arif Abdul Aziz 학생, 강동수 학생, 최계원 교수, 박제현 학생, Lorenz Rullyna Ginting Soeka 학생 <사진 : 김동원 기자>

내쇼날인스트루먼트(NI)는 과학자와 엔지니어의 우수 연구 성과를 기리기 위해 해마다 EIA를 NI Week 기간에 진행하고 있다.

이번 EIA는 ▲Student Design ▲Aerospace and Defense ▲Semiconductor ▲Transportation ▲Humanitarian ▲Advanced Reserach 등 6개 부문으로 진행됐다.

최계원 교수 연구팀은 이중 Student Design 부문 최종 수상자 후보 3인에 선정됐다. 이 부문에는 총 20개 팀이 참가한 것으로 알려졌다.

우승자인 파이널 위너는 5월 21일(현지시각) 오후 3시에 진행된 파이널리스트 경연대회의 발표 결과에 따라 22일 오후 6시 30분에 예정된 시상식에서 최종 결정된다.

Student Design 부문인 만큼, 발표는 연구팀 학생인 성균관대 Arif Abdul Aziz 학생과 박제현 학생이 진행했다.

두 학생은 파이널리스트에서 RF 무선전력전송 기술의 장점과 연구 과정 등을 소개하며 청중의 큰 박수를 받았다. 

박제현 학생은 “이번 발표에서는 근거리에서 원거리 기술로의 전환이 왜 필요한지, 연구 과정에서 하드웨어와 소프트웨어를 나눠 어떤 장비와 기술을 나눠 설명했는지 등을 설명했고, 상용화할 수 있도록 제작한 작은 안테나 장비 등을 소개했다”고 말했다.

 ▲ 박제현 성균관대 학생이  EIA 파이널리스트에서 발표를 하고 있다. <사진 김동원 기자>

두 학생이 소개한 RF 무선전력전송 기술은 마이크로웨이브를 이용해 먼 거리까지 에너지를 전송할 수 있다.

스마트폰을 예로 들었을 때 지금까지 무선 충전은 패드 위에 올려놔야 충전을 할 수 있었다. 기본적으로 스마트폰 무선 충전 방법이 마그네틱 베이스이기 때문에 자기장이 갈 수 있는 거리가 길지 않아 거리상 제약이 존재했다.

이번에 소개된 RF 무선전력 전송 기술은 마그네틱처럼 많은 에너지를 전송하지는 않지만, 그 대신 먼 거리까지 에너지를 전송할 수 있는 장점이 있다.

최계원 교수는 “이 기술은 실내에서 핸드폰을 아무 곳에 두어도 어느 정도의 속도로 충전을 할 수 있는 기술이다. 웨어러블 디바이스나 IoT 디바이스처럼 파워의 요구사항이 적은 디바이스를 먼 거리에서 충전할 때 사용할 수 있다”고 설명했다.

해당 기술을 개발하기 위해서는 우선, 마이크로웨이브로 에너지를 보낼 때 그 에너지가 전달할 수 있는 효율을 높이는 게 중요하다. 마이크로웨이브로 전파를 보냈을 때 전파가 한 곳에 집중하지 않고 사방으로 흩어지기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 최 교수는 빔 포밍 기술 개발에 많은 노력을 기울였다고 설명했다.

빔 포밍 다음 단계도 문제였다. 마이크로웨이브는 RF에 높은 주파수를 전송하기 때문에 이를 사용하도록 전환 시켜야 하기 때문이다.

연구팀은 송신단이 빔포밍해 쏘는 전력을 수신단에서 받아 사용할 수 있는 형태로 바꾸어주는 전체 시스템을 구축하는 연구를 수행했다. 이때 연구팀은 NI 프로토타입을 많이 사용했다.

최 교수는 “프로토타입 설계 단계에서 우리는 NI 솔루션을 사용해 소프트웨어와 하드웨어를 포함한 전체 시스템을 만들었다”면서 “NI의 제품을 많이 사용했고, 이번 시상식과 취지도 맞아서 연구 결과를 출품했는데 이렇게 파이널리스트까지 선정돼 영광이다”라고 밝혔다.

이번 연구는 꾸준히 이슈가 되고 있는 5G와도 관련이 있다. 기존 4G는 주파수가 높지 않아 에너지가 사방으로 전파되도 됐지만, 5G의 경우 주파수가 높아 빔 포밍할 수 있는 기술이 필요해서다.

최 교수는 “우리는 통신 관련해서 에너지 전송과 통신이 오버랩 된 연구도 하고 있다”면서 “통신 쪽에서 정보를 보내기 위해 마이크로웨이브를 하고, 에너지도 같은 방법으로 보내기 때문에 마이크로웨이브로 정보와 에너지를 함께 실어 보낼 수 있다. 우리는 이런 기술을 연구하고 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 정부 주도로 진행되고 한국연구재단이 펀딩하는 엔지니어링 리서치 센터(Engineering Reserch Center, ERC) 프로젝트 일환으로 수행됐다.

최 교수는 “마이크로웨이브를 이용해 에너지와 정보를 동시에 보내는 것을 주제로 연구를 진행하고 있다”면서 “ERC 일환으로 수행한 연구 결과를 많은 해외 기업 관계자와 연구 관계자가 참가한 자리에서 소개할 수 있게 돼 감회가 새롭다”고 밝혔다.

▲ Arif Abdul Aziz 학생 성균관대 학생이  EIA 파이널리스트에서 발표를 하고 있다. <사진 김동원 기자>

[다음은 최계원 교수와의 일문일답]

Q. 연구 기간은 얼마나 되었나.

연구를 시작한 지는 5년 정도 됐다. 초기 단계는 프로토타이핑을 시작하지 않고 연구를 하다가 프로토타이핑을 한 것은 3년 정도 됐다.

Q. 연구 과정에서 어려운 것은 없었나.

이번 연구는 시스템적으로 구현을 하는 게 중요하다. 시스템을 구현하다 보면 하드웨어와 소프트웨어가 맞물려서 돌아가고 거기에 얹혀서 여러 가지 알고리즘도 수학적으로 같이 해석해야 한다. 하드웨어와 소프트웨어, 알고리즘 이 세 개가 맞물려 돌아가야 하는데 사실 학교 연구실에는 인력이 많지 않다. 이 부분이 쉽지 않았다. 또, 이 부문에 프로토타이핑을 한 전례가 없어 처음부터 시작해야 했던 점도 만만치 않았다.

Q. 학생들이 오늘 발표를 했다. 발표하기 전 조언한 내용이 있다면?

마음 편하게 하라고 했다. 이번 발표는 청중이 많았다. 국내에서는 많아도 100명 정도였는데 이번 행사는 규모가 있는 만큼, 기업 관계자와 학생들이 많이 왔다. 발표 시간이 8분인데 학생들이 준비를 많이 했다. 마음 편히 준비한 것을 모두 보여주라고 조언했다.

Q. 어워즈 분야가 Student Design이다. 그만큼, 학생들이 이번 연구에서 한 역할이 컸을 것 같다.

하드웨어와 소프트웨어, 알고리즘을 함께 하다보니 역할 분담이 필요했다. 학생들이 하드웨어 개발에 특히 많은 기여를 했다. 첫 단계부터 차근차근 안테나 등을 만들기 시작하고, 수신단 구성에도 많은 기여를 했다.

Q. EIA 파이널리스트에 오를 것이라고 예상했나?

예상하지는 못했다. 사실 우리가 개발한 것이 취지와 맞아서 큰 기대 없이 제출했는데 좋은 결과가 나왔다.

Q. 상용화에 대한 계획은 어떤가.

상용화까지 가는 길은 아직 남아있다. 실제로 여기 출품한 테스트베드는 큰 편이다. 송신단 쪽에서 테스트베드가 크면 사용하기 어렵다. 지금은 낮은 대역의 RF 주파수를 사용해 안테나 사이즈가 커지고, 전체 송신단 사이즈도 커졌는데 높은 대역의 RF 주파수를 사용해 사이즈를 줄이고자 하고 있다.

더 작은 사이즈의 개발은 지금 제작 완료 단계에 있다. 이 단계를 마치면 가격을 낮추는 연구를 할 것이다. 사실 제조 자체가 비싸지면 그만큼 단가가 올라 상용화가 어렵다. 따라서 더 저렴한 가격에 RF 에너지 전송만을 위한 칩 제작이 필요하다. 현재 이 침은 RF 칩을 전문으로 하는 다른 연구실에서 진행하고 있다. 이 연구실과 협력해 좋은 결과를 내면 상용화 단계에 한 걸음 더 나아갈 수 있지 않을까 생각된다.