사업화 유망기술

인공지능 기반 5G 메타표면 주파수 필터

주파수 선택 표면 필터 설계 방법과 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장 매체

인공지능을 기반으로 자체 개발한 광역최적화 방법을 적용해 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 필터를 설계. 2차원 표면에 미세하고 복잡한 단위 구조를 주기적으로 배열해 전자파나 빛의 반사, 굴절, 투과 등의 성질을 조절하는 구조를 활용한 ‘메타표면 필터’ 개발

보유기관 : 한국표준과학연구원       거래조건 : 협의 후 결정

기술개요

인공지능을 기반으로 자체 개발한 광역최적화 방법을 적용해 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 필터를 설계. 2차원 표면에 미세하고 복잡한 단위 구조를 주기적으로 배열해 전자파나 빛의 반사, 굴절, 투과 등의 성질을 조절하는 구조를 활용한  ‘메타표면 필터’ 개발

특허정보

특허명 특허번호 특허명세서
주파수 선택 표면 필터 설계 방법과 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장 매체 10-2020-0056959

기술완성도

TRL01

기초 이론/
실험

  • 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계
TRL02

실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립

  • 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL03

연구실 규모의
성능 검증

  • 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
  • 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
  • 모델링/설계기술 확보
TRL04

연구실 규모의
부품/시스템 성능평가

  • 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
  • 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL05

시제품 제작/
성능평가

  • 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
  • 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL06

Pilot 단계 시작품
성능 평가

  • 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
  • 시작품 성능평가
TRL07

Pilot 단계 시작품
신뢰성 평가

  • 시작품의 신뢰성 평가
  • 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL08

시작품 인증/
표준화

  • 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
    - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL09

사업화

  • 본격적인 양산 및 사업화 단계

기존 기술의 문제점

- 수백 개의 안테나를 2차원 평면에 배치해 여러 사용자를 동시에 연결하고 통신 속도를 높이는 대규모 다중입출력(Massive MIMO) 기술을 활용하는 5G 기지국 통신장비에는 안테나 수만큼 많은 필터가 사용됨. 수요의 80% 이상을 점유한 기존 외산 제품의 경우 안테나와 필터를 연결할 때 체결 및 접합 같은 조립 과정이 필요해 필터 간 품질 편차가 생기는 문제가 발생

- 원하는 주파수 응답을 갖는 필터를 설계하기까지 장시간이 소모되고 설계 난이도가 매우 높아 완벽한 성능의 구현이 거의 불가능함

기존 기술과의 차별성(기술의 특장점 또는 효과 등)

- 종래 기술로는 사실상 불가능에 가까운 조합적 패턴 생성을 매우 효율적인 방법과 컴퓨터 계산으로 목표하는 일반적인 주파수 응답을 가지는 5G 주파수 필터를 설계할 수 있음

- 다양한 형식의 단위셀 구조(픽셀들의 상태)를 직접적으로 변화시키면서 이상적인 주파수 선택 필터 특성이 나올 때까지 광역최적화 설계를 수행. 매우 정확한 전자기파 분석 컴퓨터 프로그램을 활용하여 주파수 필터의 전자파 특성을 직접 계산. 무수한 가능성을 가지는 일반적인 픽셀들의 상태를 고려해서 최적의 주파수 필터 특성함수를 광역적으로 탐색

- 개발한 기술은 기존 수십에서 수백 개의 5G 통신시스템용 필터를 메타표면 필름 한 장으로 대체. 제작비 및 유지비 절감은 물론 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐 아니라 다중입출력(MIMO) 방식의 5G 통신시스템에 최적화

주요기술구성(상세설명 등)

- 본 기술은 외산 제품보다 성능이 뛰어나면서 품질이 균일하고, 가격은 저렴한 필터. 개발한 ‘5G 주파수 필터’는 명함 두께 4분의 1인 50 ㎛(100만분의 1 미터) 정도로 매우 얇은 필름 형태. 필터와 안테나를 연결하는 추가 공정이 필요한 외산과 달리, 단일층 금속 시트(sheet) 형태로 제작돼 유연하고 스티커처럼 탈부착 가능. 필터 성능평가는 상용 수준의 5G 안테나와 결합한 환경에서 검증완료. 개발한 필터는 외산 필터보다 대역폭, 손실특성, 주파수 선택특성 등에서 더욱 우수

- 효율적인 광역 최적화 알고리즘을 이용하여 설계함으로써, 단위 셀 수가 매우 많기 때문에 일반적인 응답 특성을 가지는 패턴을 표현

적용분야 및 적용제품

- 5G 스마트폰/기지국 제조 업체, 5G 안테나 개발업체, 5G 필터 제조업체
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