“머리카락 두께 7분의 1까지 제어”

...초정밀 로봇이 국방·차세대 통신 전자파 잰다

- 표준연, 세계 최고 수준 ‘로봇 기반 초정밀 전자파 측정시스템’ 자체 개발-

- 자체 설계·제어 기술로 안테나 정렬 오차 10마이크로미터 이내 구현 -

 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 자체 설계 및 제어 기술을 바탕으로 국방·차세대 통신·반도체 분야에 활용할 수 있는 ‘로봇 기반 초정밀 전자파 측정 시스템’을 자체 개발했다.

▲ KRISS 권재용 책임연구원(좌)과 이상수 선임기술원(우)이 로봇 기반 전자파 측정시스템으로 

전투차량 축소모형의 위치·정렬을 조정하며 전자파 산란 특성을 평가하고 있다.

 최근 차세대 통신 부품과 반도체 패키지 안테나, 항공기 레이다 등에 활용되는 전자파 대역은 점차 다양해지고 있다. 특히 수십 기가헤르츠(GHz) 이상의 고주파수 대역은 파장이 짧아 측정 대상의 위치가 조금만 어긋나도 결과값이 크게 달라지므로, 정밀한 측정 기술이 필요하다.

 KRISS 연구진은 이를 위해 전자파 측정기와 대상의 위치를 유연하면서도 정밀하게 제어할 수 있는 로봇 기술을 도입했다. 단순히 상용 로봇을 활용하는 수준을 넘어, 시스템 설계부터 제어 프로그램, 위치 보정 기술에 이르기까지 핵심 측정기술을 자체적으로 구축해 초정밀 전자파 측정 플랫폼을 완성했다.

▲ KRISS가 자체 개발한 로봇 기반 전자파 측정시스템 형상 및 제어 프로그램

(KRISS Robot MMW Antenna Measurement System, KR-MANMS)

 이번 시스템은 상하·좌우·앞뒤 이동과 회전이 모두 가능한 6자유도(6-DOF) 로봇 기술과 다양한 스캔 형상을 활용해 최고 750 GHz까지 폭넓은 대역의 전자파를 측정할 수 있다. 특히 위치 계측·보정 기술을 적용해 안테나 정렬 오차를 세계 최고 수준인 10마이크로미터(10 ㎛, 1미터의 10만분의 1) 이내로 제어했다. 이는 머리카락 굵기의 약 7분의 1 수준으로, 작은 오차에도 민감한 고주파 대역에서의 측정 신뢰도를 높였다.

 또한, 이 시스템은 로봇의 유연한 기동성을 활용해 기존의 공간적·경제적 제약도 극복했다. 기존 대형 전자파 시험시설이 넓은 공간과 막대한 구축 비용이 필요했다면, KRISS 시스템은 로봇이 대상 주변을 정밀하게 움직이며 스캔하는 방식을 채택해 좁은 공간에서도 저비용으로 고정밀 시험을 반복 수행할 수 있다.

▲ KRISS 로봇 기반 전자파 측정시스템을 활용한 항공기 축소모형 전자파 산란특성 측정 사례

 이러한 장점은 특히 국방 분야의 무기체계 평가에서 더욱 큰 의미를 갖는다. 무기체계 개발 단계에서 축소 모형을 이용한 전자파 산란 특성 평가 시, 미세한 형상 및 위치 오차는 실물 환산 시 결과에 큰 영향을 미친다. KRISS의 초정밀 제어 기술은 축소 모형을 대상으로 한 전자파 측정 시 오차를 최소화하여 국방기술의 완성도를 높일 수 있다. 

▲ KRISS 이상수 선임기술원(좌)과 권재용 책임연구원(우)이 로봇 기반 전자파 측정시스템을 활용해 

지폐의 미세패턴과 숨겨진 문양을 서브테라헤르츠파로 측정하고 있다.

▲ KRISS 권재용 책임연구원(위)과 이상수 선임기술원(아래)이 로봇 기반 전자파 측정시스템으로 얻은 전자파 분포 스캔 결과를 확인하고 있다.

 

 시스템 설계와 제어 소프트웨어를 모두 독자 기술로 구축한 덕분에, 다양한 산업 분야별 측정 대상에 최적화된 제어·모니터링 소프트웨어와 측정 구성 적용도 가능하다. 복잡한 형상의 항공기 레이다뿐 아니라 초정밀 제어가 필요한 위상배열 안테나 모듈, 반도체 안테나 등에도 측정 대상의 특성에 맞춰 시스템을 유연하게 적용할 수 있다.

▲ KRISS 전자파측정그룹

(권재용 책임연구원(좌)과 이상수 선임기술원(우))

 KRISS 전자파측정그룹 권재용 책임연구원은 “이번 성과는 로봇의 유연한 기동성과 KRISS가 자체 구축한 정밀 제어기술을 결합해, 기존 고정형 측정 방식의 한계를 극복한 전자파 측정 시스템”이라며 “향후 AI를 접목해 국방, 반도체, 차세대 통신 등 국가 전략기술 분야의 전자파 측정기술을 더욱 고도화하겠다”고 밝혔다.

 이번 연구는 과학기술정보통신부 국가연구개발사업과 KRISS 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. 해당 성과는 국제학술지 Composites Communications에 지난 10월 게재됐으며, 전자파 분야 최고 권위 국제학회 중 하나인 ISAP 2024에서 최우수 안테나 측정 논문상을 수상했다.