레이더를 위협에서 자원으로
수십 년 동안 군용 항공기는 적 레이더의 탐지를 피하기 위해 스텔스 기술에 의존해 왔다. 기본 원리는 기체 동체의 형태를 설계하고 특수 레이더 흡수 소재를 적용해 들어오는 전파를 흩뜨리거나 흡수함으로써 수신기로 되돌아가지 않도록 하는 것이다. 이제 중국의 연구진이 이 개념을 획기적으로 발전시킨 기술을 제안했다. 레이더 에너지를 단순히 다른 방향으로 돌리거나 소산시키는 대신, 새로운 기술은 이를 포착해 쓸 수 있는 전력으로 변환하는 것을 목표로 한다. 첨단 전자기 공학에 기반한 이 기술은 전자전의 양상과 무선통신의 미래를 근본적으로 바꿀 수 있다.
목차
시안전자과학기술대학교 연구팀이 주도한 이 연구는 무선 정보 전송과 에너지 수확을 결합한 자립형 전자 시스템에 초점을 맞춘다. 실제 군사 상황에서 이 기술을 활용하면 스텔스 전투기가 자신을 추적하는 레이더 빔을 흡수해 그 에너지로 기내 추진 장치나 센서, 통신 시스템에 전력을 공급할 수 있다. 적의 탐지 행위가 의도치 않게 표적의 작동이나 회피에 필요한 에너지를 제공하는 상황이 만들어지는 것이다.
재구성 가능한 지능형 표면의 원리
이 혁신의 핵심에는 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이라는 기술이 있다. 제조 단계에서 고정된 수동형 소재에 의존하는 기존 스텔스 기술과 달리, RIS는 수백 또는 수천 개의 작고 프로그래밍 가능한 요소로 구성된 동적인 2차원 구조다. 이 요소들은 전자기파를 실시간으로 조작해 위상과 진폭 같은 특성을 바꾸고, 신호가 반사되거나 흡수되는 방식을 제어할 수 있다.
연구진은 이 RIS 구조가 미래 무선 네트워크를 위한 저비용·고도의 프로그래밍 가능 솔루션이라고 설명한다. 신호를 생성하는 데 상당한 전력과 하드웨어가 필요한 기존 안테나와 달리, RIS는 주로 주변에 이미 존재하는 신호를 변조한다. 레이더나 다른 환경 신호에서 전력을 얻으면 기존 배터리 없이도 작동할 수 있다. 현재 시제품은 부엽을 낮게 유지하면서 ±45도까지 빔 조향을 수행할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 정밀성은 도심이나 복잡한 지형에서 흔히 발생하는 물리적 장애물로 직접 가시선이 막힌 상황에서도 신호 커버리지를 개선할 수 있게 한다.
정보와 전력의 동시 전송
연구진은 RIS 지원 정보·전력 동시 전송이라는 개념을 제시한다. 쉽게 말해 하나의 전자기 신호를 통신과 에너지 수확에 모두 사용할 수 있다는 뜻이다. 레이더 신호와 위성 링크, 통신 전파는 이미 군용 및 민간용 공역을 가득 채우고 있다. 이 연구는 이러한 전자기 환경을 단순히 간섭이나 위협으로 볼 것이 아니라 귀중한 자원으로 활용할 수 있다고 주장한다.
제안된 모델에서 지능형 표면은 들어오는 신호를 포착해 에너지 일부를 내부 에너지 수확 회로로 보낸다. 나머지 신호는 통신 또는 신호 제어 목적으로 조작된다. 논문은 이 과정이 수동적이라는 점을 강조한다. 표면 자체는 탐지 가능한 신호를 방출하지 않으므로, 전자 지원 수단의 탐지를 피해 은밀성을 유지하려는 저피탐 플랫폼에 중요하다.
전자기 협력 스텔스
연구진은 전자기 협력 스텔스라고 부르는 개념의 청사진을 제시한다. 이는 항공기 한 대가 홀로 은신한다는 생각을 넘어선다. 여러 네트워크 플랫폼이 협력해 전체 레이더 반사 면적과 센서에 대한 가시성을 낮추는 방식이다. 드론이나 항공기 편대가 데이터를 공유하고 RIS 코팅을 실시간으로 조정하면, 각각 따로 작동할 때보다 효과적으로 사각지대를 만들거나 적의 추적 시스템을 혼란시킬 수 있다는 것이다.
사례 연구에서는 트랜시버 빔포밍, 로봇의 이동 경로, RIS 계수와 같은 매개변수를 공동으로 최적화해 빔포밍 설계, 경로 계획, 표적 감지, 데이터 집계 등의 문제를 해결하는 다중 에이전트 심층 강화학습 및 다목적 최적화 기반 해법을 제안했다고 연구진은 논문에서 밝혔다.
이러한 협력 접근 방식은 여러 자산으로 구성된 편대에도 적용돼 무선주파수 스펙트럼 전반에서 집단적인 은폐 능력을 높인다. 연구팀은 이 구조가 궁극적으로 환경에 적응하는 통합 센싱 시스템을 가능하게 해 플랫폼이 마주하는 구체적인 위협에 실시간으로 지능적으로 대응할 수 있을 것으로 내다봤다.
6G 통신에 미치는 영향
군사적 활용이 관심을 끌지만, 연구진은 이 기술이 특히 6G 네트워크 개발 등 민간 인프라에도 큰 영향을 미칠 수 있다고 강조한다. 많은 과학자는 차세대 무선통신의 가장 큰 도약이 단순히 더 빠른 칩에서 비롯되는 것이 아니라 신호가 환경을 통과하는 방식을 재고하는 데서 나올 것으로 본다. 재구성 가능한 지능형 표면은 바로 6G 연구의 주요 분야다.
통신 분야에서 지능형 표면은 위성이나 기지국에 센싱과 전력 공급 기능을 통합하는 등 6G의 발전 가능성을 제시한다. 이 하드웨어 플랫폼은 데이터 전송과 레이더 유사 기능을 결합해 주파수와 하드웨어 자원을 효율적으로 사용한다. 산란된 전자기파와 능동적으로 방사되는 신호를 함께 조작하면, 여러 기능을 구현할 때 일반적으로 필요한 공간과 하드웨어 비용을 줄일 수 있다. 이를 통해 현재의 이동통신 기지국보다 설치가 쉽고 에너지 효율이 높은 초소형 기지국이 등장할 수 있다.
기술 지지자들은 6G가 물리 세계와 디지털 세계의 경계를 흐리게 해 홀로그램, 디지털 트윈, 대규모 사물인터넷 네트워크 같은 응용 분야를 가능하게 할 수 있다고 말한다. 이런 환경에서 지능형 표면을 탑재한 기기는 주변에서 전송되는 신호로부터 적지만 의미 있는 양의 전력을 지속적으로 수확해 배터리 수명을 늘리거나 완전히 자율 전원으로 작동하는 센서를 구현할 수 있다.
보안 및 재밍 방지 기능
에너지 수확을 넘어 RIS 기술의 다목적 특성은 네트워크 보안 측면에서도 상당한 이점을 제공한다. 표면을 설정해 의도적인 무선 통신 사각지대를 만들 수 있으며, 이는 신호 간섭을 완화하고 전자적 도청 위험을 줄이는 데 도움이 된다. 특정 구역의 신호를 선택적으로 차단하면 보안 시설에서 데이터가 외부로 유출되거나 승인되지 않은 신호가 내부로 침투하는 일을 막을 수 있다.
연구에서 인용한 기존 연구에 따르면 RIS는 재밍 방지 기술, 무인항공기 통신, 무선 감시에도 활용될 수 있다. 이러한 분야는 기존 최적화 도구가 어려움을 겪는 영역이다. 유럽우주국도 RIS를 위성-지상 통신의 후보 기술로 꼽았다. 신호의 반사와 방향을 제어하면 산이나 고층 건물 같은 물리적 장애물을 피해 통신 링크를 연결할 수 있기 때문이다.
푸단대학교, 시드니대학교, 호주연방과학산업연구기구(CSIRO) 연구진은 인공지능과 결합할 경우 이 기술이 공중-지상 사물인터넷 링크의 보안을 크게 강화할 수 있다고 지적한다. 따라서 이 기술은 스텔스 전투기뿐 아니라 미래 스마트시티를 채울 것으로 예상되는 방대한 연결 기기 생태계에도 관련이 있다.
과제와 한계
연구진은 잠재력이 유망하지만 현재 기술의 한계도 분명하다고 밝혔다. 이번 연구는 실제 배치된 무기 체계가 아니라 주로 이론적·실험적 틀을 제시한다. 재료과학, 내구성, 제어 전자장치, 현실 세계의 복잡한 전자기 환경 등에서 여전히 상당한 과제가 남아 있다.
현재 수확할 수 있는 전력량은 많지 않다. 레이더 빔만으로 제트 엔진에 전력을 공급한다는 개념은 아직 공상과학에 가깝지만, 저전력 항공전자 장비와 센서 또는 통신 버퍼를 구동하는 데는 충분할 수 있다. 전투기나 미사일처럼 빠르게 움직이는 플랫폼에 이 시스템을 통합하려면 극심한 공기역학적 힘과 온도 변화에 견딜 수 있도록 추가적인 기술 발전이 필요하다.
또한 에너지 변환 효율은 들어오는 신호의 주파수와 강도에 크게 좌우된다. 고주파 6G 신호는 에너지가 더 집중돼 있지만, 현재 레이더 시스템은 다양한 주파수 대역을 사용해 에너지 수확에 최적화되지 않을 수 있다. 연구진은 효과를 과장하지 않도록 주의를 기울이며, 레이더 조사가 역효과를 낳는다는 것은 가까운 시일 내 실현될 작전상의 현실이라기보다 개념적 전환이라고 설명한다.
6G 주도권을 둘러싼 세계적 경쟁
이 기술 개발은 6G 표준을 정하고 주도권을 차지하려는 치열한 세계적 경쟁 속에서 이뤄지고 있다. 미국과 중국은 인공지능과 미래의 연결성을 뒷받침할 우주 기반 데이터센터와 첨단 무선 인프라를 구축하기 위해 치열하게 경쟁하고 있다. RIS 연구에서 중국이 앞서 나가면 재구성 가능한 네트워크 구축이 빨라져 기존 5G 네트워크가 어려움을 겪는 비가시선 환경의 통신 커버리지를 개선할 수 있다.
센싱, 통신, 전력을 하나의 하드웨어 플랫폼에 통합하면 도청과 간섭을 줄이면서 다양한 첨단 응용 분야를 구현할 수 있다. 이 기술이 성공한다면 중국의 세계 기술 경쟁 입지를 강화하는 동시에 미래의 스텔스 및 통신 시스템이 전자기 세계와 상호작용하는 방식도 바꿀 수 있다.
핵심 내용
- 중국 연구진이 주변 레이더파를 전력으로 변환할 수 있는 지능형 전자기 표면을 개발했다.
- 이 기술은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용해 기존 배터리 없이 전자기파를 실시간으로 조작한다.
- 적의 레이더 빔으로 스텔스 항공기 시스템에 전력을 공급하고 6G 통신을 강화하는 등의 활용이 가능하다.
- 전자기 협력 스텔스를 지원해 여러 플랫폼이 함께 탐지 가능성을 낮출 수 있다.
- 시제품은 ±45도까지 빔을 조향하고 보안을 위해 의도적인 무선 사각지대를 만들 수 있다.
- 전력 효율, 소재 내구성, 고속 군용 플랫폼에의 통합과 관련한 과제가 남아 있다.
