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광학 칩과 광섬유로 초안정 마이크로파 발생 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김정원 교수와 물리학과 이한석 교수 공동연구팀이 광학 칩과 광섬유를 이용해 손바닥만 한 작은 장치로부터 2조분의 1(5×10-13) 수준의 주파수 안정도를 가지는 초안정 마이크로파를 발생하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
이 새로운 기술을 이용하면 기존의 마이크로파 발생 기술들보다 월등하게 우수한 위상잡음과 주파수 안정도의 마이크로파를 핸드폰 크기 면적의 작은 장치로부터 생성할 수 있어, 향후 5G/6G 통신, 전파망원경을 이용한 천체 관측, 군용 레이더, 휴대용 양자 센서 및 초고속 신호 분석 기술 등의 다양한 분야에서 획기적인 성능 향상이 가능하다.
우리 대학 기계공학과 권도현 박사(現 한국표준과학연구원)와 나노과학기술대학원 정동인 박사가 공동 제1 저자로 참여한 공동연구팀의 이번 논문은 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 19일 字에 게재됐다. (논문명: Ultrastable microwave and soliton-pulse generation from fibre-photonic-stabilized microcombs)
최근 초소형 마이크로공진기(microresonator)를 이용해 광 펄스를 생성하는 마이크로콤(micro-comb) 기술이 급격하게 발전하고 있다. 마이크로콤은 광 펄스가 나오는 속도를 수십 기가헤르츠(GHz, 1초에 10억 번 진동)에서 테라헤르츠(THz, 1초에 1조 번 진동)까지 높일 수 있어 고주파 마이크로파(microwave)나 밀리미터파(millimeter-wave) 생성이 쉽고 시스템의 소형화가 가능해 다양한 정보통신기술 시스템의 대역폭 향상과 성능 개선에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
마이크로콤은 이론적으로 펨토초(femtosecond, 10-15초=1,000조분의 1초) 수준의 펄스 간 시간 오차를 가지지만, 소형 소자의 특성상 주변 환경에 의해 쉽게 변해 장시간 그 성능을 유지하는 데에 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 마이크로콤을 기계적으로 안정한 장치에 주파수 잠금해 안정도를 향상할 수 있으나, 지금까지는 이러한 안정화 장치가 매우 복잡하고 진동에 민감하며 부피가 커서 초소형 마이크로콤이 가지는 장점을 살릴 수 없고 실험실 밖 응용에 활용할 수 없었던 문제가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광섬유를 이용해 마이크로콤의 주파수를 안정화하는 기술을 개발했다. 1km 길이의 광섬유는 열 기계적(thermomechanical) 잡음 한계에 의한 이론적인 길이 안정도가 1,000조분의 1 수준으로 매우 우수하면서도, 부피가 작고 매우 가벼우면서 가격도 저렴한 장점이 있다. 연구팀은 이러한 광섬유 기반의 안정화 장치를 108 mm × 73 mm × 54 mm 크기로 구현할 수 있었다.
그 결과 생성된 22-기가헤르츠(GHz) 마이크로파의 시간 오차를 상용 고성능 신호 발생기보다 6배 이상 향상된 10펨토초 수준으로 낮출 수 있었으며, 주파수 안정도는 2조분의 1(5×10-13) 수준까지 낮출 수 있었다.
이 기술은 매우 우수한 위상잡음과 주파수 안정도의 마이크로파와 광 펄스를 동시에 생성할 수 있어, 다양한 최첨단 과학기술 분야들에서 활용할 수 있다. 대표적인 예로서 전파망원경 기반의 초장기선 간섭계(very long baseline interferometer, VLBI)의 경우 보다 높은 주파수와 낮은 잡음을 가지는 마이크로파와 광 펄스를 사용하면 측정 분해능과 관측 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 기존에는 관측할 수 없었던 블랙홀의 사건의 지평선(event horizon)과 같은 새로운 천체 현상들을 탐사할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 기계공학과 김정원 교수는 "이번에 개발된 초안정 기술을 통신, 레이더, 데이터 변환기와 전파망원경 등 다양한 분야들에 적용하기 위한 후속 연구들을 진행 중ˮ이라고 밝혔으며, 물리학과 이한석 교수는 "향후 성능을 더욱 끌어올리고자, 실리콘 칩 상에 구현된 핵심 소자인 마이크로공진기의 광학적 특성을 개선하는 연구를 수행 중ˮ이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 정보통신기획평가원 양자센서핵심원천사업과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.01.26
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사물인터넷(IoT)을 위한 무전원 인터넷 연결 기술 개발
우리 대학 연구진이 초저전력, 저비용으로 우리 생활의 모든 사물을 연결하는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 서비스를 광범위하게 제공하는 핵심 기술을 개발해 초연결 사회 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 사물인터넷이란 각종 사물이 센서와 통신기기를 통해 서로 연결돼 양방향으로 소통함으로써 개별 객체로는 제공하지 못했던 서비스를 제공하는 기술이다.
전기및전자공학부 김성민, 이융 교수와 정진환 박사과정, 한국뉴욕주립대 류지훈 교수(컴퓨터과학과)가 참여한 공동 연구팀은 후방산란(Backscattering) 기술을 이용한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.
후방산란 기술이란 기기의 무선 신호를 직접 만들어내지 않고, 공중에 존재하는 방사된 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식의 기술이다. 무선 신호를 생성하는데 전력을 소모하지 않아 초저전력으로 통신을 가능케 하는 기술이다.
김성민 교수 연구팀은 이러한 초저전력 후방산란 기술을 이용해 사물인터넷 기기들이 방사하는 무선 사물인터넷 신호가 와이파이(WiFi) 신호로 공중에서 변조되도록 설계했다. 후방산란 기술 기반의 무전원 게이트웨이를 이용하면 사물인터넷 기기를 와이파이 네트워크에 쉽게 연결할 수 있기 때문에 인터넷 연결성의 범위가 크게 확장될 것으로 기대된다.
전기및전자공학부 정진환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 6월 캐나다 토론토에서 열린 모바일 컴퓨팅 분야의 최고 권위 학술대회 `ACM 모비시스(ACM MobiSys) 2020'에서 발표됐다. (논문명 : Gateway over the air: Towards Pervasive Internet Connectivity for Commodity IoT).
5G 네트워크의 핵심 구성요소 중 하나인 사물인터넷은 각종 사물인터넷 기기들이 인터넷에 연결돼야만 다양한 서비스를 제공할 수 있는 구조로 돼 있다. 사물인터넷 기기들을 인터넷에 연결하기 위해서는 사물인터넷 게이트웨이라는 다수의 무선 송수신 장치를 장착하고 있는 기기가 꼭 필요하다.
사물인터넷 게이트웨이는 다수의 무선 송수신 장치에서 발생하는 전력소모량이 크기 때문에 유선 전원공급장치가 필요하다. 따라서 자유로운 설치가 제한될 수밖에 없어 광범위한 인터넷 연결성을 제공하는데 많은 제약이 따른다.
연구팀은 문제 해결을 위해 후방산란 기술을 활용해 사물인터넷 기기들이 주로 사용하는 지그비(ZigBee, 저전력 무선망 기술) 또는 BLE(Bluetooth Low Energy, 저전력 블루투스 기술) 통신 규격을 따르는 무선 신호를 최적의 패턴으로 반사해 와이파이 신호로 변조시키는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용해 사물인터넷 기기들을 사용자 주변에 흔히 볼 수 있는 와이파이 기기에 연결함으로써 인터넷 연결성을 제공하는 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 제작했다.
연구팀이 개발한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 기술은 후방산란 기술을 활용해 에너지 수확(Energy harvesting)을 통해 무전원으로 동작할 수 있어 설치비용과 유지·보수 비용을 크게 줄일 수 있다. 또 후방산란의 특성상 공중에 방사된 무선 신호를 반사하면서 물리적으로 변조하므로 동일한 통신 규격을 사용하는 모든 사물인터넷 기기에 보편적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 저전력 통신 규격인 지그비와 BLE 신호를 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 신호로 변조해 상용 노트북에서 수신됨을 확인했다. 이와 함께 다양한 제작사에서 판매하는 상용 스마트홈 기기(스마트 전구, 스마트 스피커 등)가 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 기기에 상호 연결되는 현상을 실험을 통해 입증함으로써 통합형 사물인터넷 게이트웨이로서의 가능성도 확인했다.
제1 저자인 정진환 연구원은 "후방산란이라는 초저전력 통신 기술을 통해 상용 사물인터넷 기기들이 매우 적은 비용으로 와이파이를 통해 인터넷에 연결될 수 있다는 점을 확인했다ˮ면서 "값비싸고 전력소모량이 큰 기존의 사물인터넷 게이트웨이의 한계를 무전원 사물인터넷 게이트웨이로 극복할 수 있다는 점을 확인한 게 이번 연구의 성과ˮ라고 설명했다.
정 연구원은 이어 "향후 끊임없이 규모가 커질 사물인터넷에 대해 효율적으로 인터넷 연결성을 확대, 제공하는 방향으로 활용이 가능할 것으로 기대가 크다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.13
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최준일 교수, 스테판 오 라이스(Stephen O.Rice) 상 수상
우리 대학 전기및전자공학부 최준일 교수가 12월 10일 미국 하와이에서 열린 국제전기전자공학회(IEEE) 주관의 글로벌 커뮤니케이션 컨퍼런스(Global Communications Conference, GLOBECOM)에서 통신분야 최고 논문상인 ‘스테판 오 라이스 상(Stephen O. Rice Prize)’을 수상했다.
스테판 오 라이스 상은 IEEE 트랜잭션 온 커뮤니케이션(Transactions on Communications) 저널에서 지난 3년간 발표된 모든 논문을 대상으로 독창성, 인용 횟수, 파급력 및 석학들의 평가 등을 종합해 IEEE 통신학회(Communications Society)에서 1년에 한 편만을 시상하는 최고 권위의 논문상이다.
최준일 교수는 2016년에 발표한 one-bit ADC를 사용한 거대 다중 안테나 시스템 관련 논문으로 수상했다.
이 논문에서 최 교수는 5G 및 그 이후 무선통신 시스템의 핵심 기술인 거대 다중 안테나 시스템의 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 기술을 제안해, 발표된 이래 각종 학술지 논문 및 학술대회 논문으로부터 230여 회 인용되는 등 그 우수성을 입증했다.
최준일 교수는 이미 2015년에 IEEE 신호처리 학회(Signal Processing Society)로부터 스테판 오 라이스 상과 동일한 권위의 ‘최고 논문상(IEEE Signal Processing Society Best Paper Award)’을 수상한 바 있다.
최준일 교수는 현재까지 34편의 국제학술지 논문 발표 및 26건의 미국 등록 특허를 보유하는 등 우수한 성과를 인정받아, 12월 6일 한국통신학회에서 수여하는 제15회 해동 젊은공학인상(학술상)의 수상자로 선정되기도 헀다.
2019.12.18
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신인식 교수 연구팀, ACM MobiCom 최우수논문상
우리 대학 전산학부 신인식 교수 연구팀 10월 21부터 25일까지 멕시코 로스카보스에서 열린 ‘ACM 모비콤 2019(The 25th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking)’ 국제 학회에서 최우수 논문상(Best Paper Award)’을 수상했다. (논문명 FLUID: Flexible User Interface Distribution for Ubiquitous Multi-device Interaction)
모바일 통신 및 컴퓨팅 분야에서 최고 권위의 학회인 ACM 모비콤에서 우리나라 주관기관에서 최우수 논문상을 받은 것은 25년 만에 최초이다.
미국 버팔로 대학교 스티브 고(Steve Ko) 교수와 공동으로 진행한 이 연구는 10월 22일 ACM 모비콤 2019 국제 학회에서 발표됐으며, 현장 기술 시연을 통해 다양한 다중 기기 사용 시나리오들을 선보이며 여러 글로벌 회사 및 학계의 주목을 받았다.
최근 모바일 및 IoT 추세는 다양한 스마트 기기의 등장이다. 듀얼스크린폰 및 폴더블폰 등 새로운 스마트폰 디스플레이가 속속 출시되고 있으며, 이미 우리 주위에서 다양한 스마트 기기들을 쉽게 접하고 있다. 그러나 현재의 모바일 앱 개발 및 사용 개념은 단일 기기 모델에 국한돼 새로운 추세인 다중 기기 활용의 잠재성을 활용하지 못하고 있다.
신 교수 연구팀은 이러한 고정 관념 및 기술적 한계를 뛰어넘어 새로운 다중 기기 개념을 제시하는 모바일 소프트웨어 플랫폼 기술 ‘플루이드(FLUID’를 개발했다.
논문의 제1 저자인 오상은 박사과정은 단일 기기 가상화(virtualization) 기술을 핵심 기반 기술로 소개하며, 플루이드를 통해 개별 앱의 사용자 인터페이스(UI) 요소들을 사용자가 원하는 대로 여러 기기에 배치할 수 있다고 전했다. 시중의 기존 모바일 앱을 수정하거나 재개발하지 않아도 다중 기기 환경에서 새로운 형태로 앱을 사용할 수 있다고 덧붙였다.
신인식 교수는 "제안하는 플루이드 플랫폼이 가지는 높은 유연성과 범용성은 단일 기기 패러다임에서 새로운 다중 기기 패러다임으로의 전환을 가속할 것으로 기대하며, 지금껏 생각할 수 없던 새 형태의 앱 활용을 가능하게 할 것이다"라며, “5G, 듀얼스크린폰, 폴더블폰 등 차세대 제품에 적용 가능하며 시장 선점 효과를 통한 기업의 국제 경쟁력을 높일 것으로 기대한다”라고 말했다.
2019.11.01
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