'광선검'을 닮은 무선 안테나: 금속 대신 레이저 플라즈마 활용

금속 구조물 대신 레이저를 활용해 '스타워즈'의 광선검을 닮은 혁신적인 무선 안테나가 개발되었다. 미국 연구진이 고안한 이 플라즈마 안테나는 이온화된 공기만으로 이루어져 있어 가볍고 주파수와 길이를 유연하게 조절할 수 있다. 특히 저궤도 위성 등에서 유용하게 쓰일 것으로 기대를 모으고 있다. 

▲ 가늘고 청자색을 띠는 빛줄기는 레이저 유도 플라즈마 안테나다. 이온화된 공기로만 이루어져 있지만 전자기 신호를 전송할 수 있다. · 사진: © Prya Darshni

금속 프레임 대신 레이저:

지금까지 모바일 통신이나 데이터 전송용 안테나는 대부분 금속으로 만들어졌다. 하지만 다른 방법도 있다. 미국 연구진이 '스타워즈'의 광선검을 닮은 안테나를 제작했다. 이 안테나는 레이저가 만들어낸 얇은 플라즈마 광선 하나로만 이루어져 있어 가볍고, 길이와 주파수를 자유롭게 바꿀 수 있다. 이러한 플라즈마 광선 안테나는 예를 들어 저궤도(LEO) 위성 등에서 활용될 수 있다.

안테나의 길이는 전자기파를 송수신할 수 있는 주파수를 결정한다. 파장이 길고 주파수가 낮을수록 안테나도 길어져야 한다. 그러나 위성의 경우 이는 물리적인 한계에 부딪히며, 특히 안테나가 서로 다른 광범위한 주파수 대역의 신호를 전송해야 할 때는 더욱 그렇다. 

▲제안된 LIPF 안테나의 포괄적인 목표.

노스캐롤라이나 대학교(North Carolina State University)의 프리야 다르슈니(Prya Darshni)와 동료들은 새로운 기술을 개발했다. 바로 '스타워즈'의 레이저 검처럼 보이는 안테나이다. 이 안테나는 공기 중에 자유롭게 떠 있는 것처럼 보이는 빛나는 플라즈마의 얇은 광선으로 구성된다. 이 플라즈마 광선은 렌즈로 초점을 맞춘 펄스 레이저에 의해 생성되며, 레이저가 지나가는 경로의 공기 입자를 이온화하여 플라즈마로 만든다. 실험에서 이 플라즈마 필라멘트의 두께는 불과 0.1밀리미터, 길이는 약 20센티미터였다.

이 기술의 핵심은 다음과 같다. 연구팀은 "이러한 레이저 유도 플라즈마 필라멘트에서는 전류 도체의 표면과 유사하게 전자들이 가장자리에 모인다"라며, "이 전자들을 전자기장과 결합하면 전자기파를 방출할 수 있으며, 이것이 안테나 역할을 하게 된다"라고 설명했다. 이러한 '빛 안테나'는 레이저를 간단히 조절하여 길이를 늘리거나 줄일 수 있으며, 이를 통해 다양한 주파수를 송수신할 수 있다.

접촉식 없는 안테나 급전을 위한 금속 링

하지만 이를 위해서는 또 다른 핵심 부품이 필요하다. 바로 전자기 신호를 안테나 내부로 공급(급전)하는 요소다. 연구진은 "일반적으로 이는 안테나와 직접 접촉하는 핀 같은 금속 접점을 통해 이루어진다"라며, "하지만 플라즈마 광선 안테나에서는 이 방법이 불가능하다. 플라즈마 필라멘트와의 모든 금속 접촉은 왜곡을 일으키며 플라즈마 안테나를 파괴하기 때문"이라고 설명했다.

이 문제를 해결하기 위해 다르슈니 연구팀은 비접촉식 안테나 급전 시스템을 개발했다. 이는 커패시터 역할을 하며 전자기장을 생성할 수 있는 금속 링으로 구성된다. 이 금속 링은 플라즈마 광선과 상호작용하여 전자기 신호를 접촉 없이 공급할 수 있다. 프로토타입 안테나 테스트에서 연구진은 30메가헤르츠(MHz) 주파수의 테스트 신호를 사용했다. 실제로 근처에 설치된 수신 안테나가 이 신호를 감지했으며, 배경 잡음 속에서도 신호가 뚜렷하게 식별되었다고 연구팀은 보고했다. 

▲ 제안된 LIPF 안테나의 개념도. (출처:Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF / IEEE / Xplore

다르슈니 연구원은 "이는 레이저 유도 플라즈마 필라멘트 안테나가 작동한다는 것을 처음으로 입증한 큰 진전"이라며, "우리의 플라즈마 광선 안테나는 광선검처럼 생겼지만 길이를 유연하게 조절할 수 있어 넓은 주파수 대역에서 송신이 가능하다"라고 말했다. 또한 레이저 방향을 조절하여 안테나의 각도도 손쉽게 바꿀 수 있다. 연구원은 "일부 응용 분야에서는 레이더 스캔을 조준하거나 신호 강도를 높이기 위해 안테나의 각도를 제어하는 것이 중요하다"고 덧붙였다.

연구팀에 따르면 이 기술은 부피가 크고 무거운 안테나가 문제가 되는 분야, 특히 위성 분야에서 유망한 응용 가능성을 가지고 있다. 노스캐롤라이나 대학교의 수석 저자인 폴 프란존(Paul Franzon)은 "저궤도에는 플라즈마를 생성하기에 충분한 공기가 여전히 존재한다"라며, "우리 개념을 이용하면 복잡하고 기계적인 전개 장치 없이도 맞춤형 안테나를 사용할 수 있다"라고 설명했다.

비록 현재 새로운 '광선검' 안테나의 송신 전력은 제한적이지만, 연구팀은 성능 향상을 위해 이미 후속 연구를 진행 중이다.

출처:Prya Darshni (North Carolina State University, Raleigh) et al., IEEE Journal of Microwaves, 2026; doi: 10.1109/JMW.2026.3722433

[더사이언스플러스 / 문광주 기자 helloscienceplus@gmail.com]

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