와이어리스 시대의 실현, 무선충전기술과 지능형반도체 연구를 선도하다
와이어리스 시대의 실현, 무선충전기술과 지능형반도체 연구를 선도하다
  • 임승민 기자
  • 승인 2019.06.19 14:29
  • 댓글 0
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성균관대학교 집적회로설계연구실 이강윤 교수

[월간인터뷰] 임승민 기자 =  각종 디지털 기기 사용이 생활화된 현대시대. 다양한 신기술이 속속 등장하며 현대인들의 생활방식을 크게 변화시키고 있는 와중에도 배터리만큼은 그 발전 속도가 지지부진하다. 매년 출시되는 스마트폰 신모델이 액정의 크기나 화질, 카메라, CPU 등의 기능 향상을 보여주고 있지만, 배터리만큼은 제자리에 머물러 있다는 것이 이를 단적으로 증명한다. 배터리 용량을 획기적으로 증가시킬 방법이 없다면 답은 충전방식을 개선하는 것. 거추장스러운 선 없이도 어디서나 쉽게 충전이 가능한 ‘무선충전시대’가 열리고 있다.

자기 유도/공진방식의 근거리및 RF 방식의 원거리
무선전력전송 기술 상용화에 주력, 충전 거리, 효율과 안정성 높여

한 번도 사용해보지 않은 사람은 있어도, 사용을 중단한 사람은 없다는 것이 바로 ‘무선기술’이다. 무선 이어폰, 무선 키보드, 무선 마우스, 무선 충전기 등 공간과 활용의 한계를 규정했던 ‘선’이 사라진 세상은 우리에게 더 많은 편의와 가능성을 제공하고 있다. 그 중에서도 최근 가장 큰 기대를 받고 있는 분야는 바로 자기공진방식의 무선충전 기술, 즉 ‘비접촉식 무선충전’이다. 성균관대학교 이강윤 교수 연구팀은 자기 유도 및 공진방식의 무선전력전송에 관한 연구에 10년 이상 매진한 결과, 2019년도에 열린 ‘제19회 대한민국 반도체 설계 대전’에서 ‘자기유도/공진 및 MST 일체형 15 W 급 무선충전 송수신 IC’ 주제로 ‘대통령상’을 수상하였다. 최근 스마트폰에 필수적인 기술인 고속 충전에 필요한 IC로 현재 상용화 되어있는 자기유도 방식뿐만 아니라 자기 공진 방식의 무선 충전 방식, 그리고 삼성페이 등에 쓰이는 마그네틱 보안전송 기능(MST)까지 하나의 IC로 통합했다. 다양한 기능을 하나의 IC로 통합 구현하면서 면적 최소화와 가격 경쟁력이 극대화될 뿐만 아니라, 회로 내부적으로는 각각의 방식에 연구팀에서 새롭게 제안하는 회로 기술들이 적용되면서, 종전 방식의 회로 구현 대비 면적 측면에서 65 % 감소, 소비 전력 측면에서 35 % 감소 등을 이끌어내는 등, 15 W 고속 무선 충전의 수신단 효율이 95 % 를 상회하는 성과를 이끌어 낼 수 있었다. 뿐만 아니라, 현재 상용화되어 판매되는 스마트폰 내부의 무선충전 IC를 연구팀의 IC로 교체하여 실제 고속 무선 충전과 마그네틱 보안전송 기능까지 구현되는 DEMO 시연까지 보여줌으로써 상용화의 가능성까지 보여주었다는 평가를 받았다. 또한, 수많은 센서를 통해 모든 정보가 생성·수집되고 공유·활용되는 IoT(Internet of Things, 사물 인터넷)의 핵심인 센서 네트워크를 효율적으로 운용하기 위해서는 다양한 환경에 위치한 센서의 전원 문제를 해결하는 것이 아주 중요하며, 유선으로 전원공급이 어려운 환경에서 동작하는 센서 시스템에 무선으로 전원 공급을 가능하게 하여 스마트 홈·스마트 팩토리·스마트 시티등 다양한 기술 및 산업 분야에 확대 적용이 가능하다. 자기유도나 자기공진 방식은 전송거리가 짧고 특정 거리·특정 위치에서만 전송효율을 보장한다는 단점이 존재하므로, 이를 극복하기 위해서 이강윤 교수 연구팀은 RF 방식의 원거리 무선전력전송 연구에도 매진하고 있다. RF 방식의  방식은 전자기파 방사 (Radiation)를 이용하여 원거리(수 m ~ 수십 m)로 전력을 전송할 수 있고, 빔포밍 (Beamforming) 기술을 통해 수신기의 이동성을 확보할 수 있으므로 수신기의 위치 변화에 대한 즉각적인 대응이 가능하며, 하나의 송신 모듈로 다수의 수신기에 무선으로 전력 공급이 가능하다는 장점이 있어서 IoT 시대의 핵심기술로 대두되고 있다.
현재 이 교수 연구팀은 휴대폰이나 노트북, 태블릿PC에 내장할 수 있는 소형 수신IC(집적회로)의 개발과 상품화에 역량을 집중시키고 있다. 특히, 현재 상용화된 무선충전 반도체가 전량 수입에 의존하고 있다는 점에서 국산 기술의 개발은 외화 유출 방지와 함께 세계 시장에서의 경쟁력 강화에 보탬이 될 것으로 기대된다. 이강윤 교수는 “이번 연구는 일반 모바일 기기 뿐 아니라 각국에서 개발 중인 다양한 웨어러블 디바이스, 인체 내장 의료기기 등의 충전에도 활용될 수 있으며, 향후 공공장소 어디에서나 무선충전이 가능한 시대를 여는 열쇠가 될 것이라 생각합니다”라고 말했다.

“인간을 이롭게 하는 기술, 인공지능 하드웨어와의 융합을 통한 미래를 여는 연구에 매진할 터”
한편, 이강윤 교수는 집적회로설계 연구실(SKKU IC Lab)을 통해 아날로그 집적회로, RF 집적회로, 전력용 집적회로, 혼성신호, 인공지능 집적회로에 대한 연구와 함께 이론과 실무능력을 겸비한 전문화된 설계 엔지니어를 양성하는 데에도 상당한 노력을 기울이고 있다. 앞으로 더욱 다양한 분야에 활용될 집적회로 분야의 우수인재 배출이 대한민국 국가산업 발전에 중요한 원동력이 되리란 생각이다. 특히, 이 같은 교육이 단순히 이론연구에만 머물러 있는 것이 아닌, 연구 기술의 상용화와 실무 경험 축적으로 이어질 수 있도록 관련 산업체와의 긴밀한 협력관계도 유지해오고 있다. 
이 교수는 “단순히 연구만으로 우수한 성능의 기술을 구현하기란 불가능에 가깝습니다. 실제 설계와 제작을 통해 이론과 실무를 조화시키는 것이 무엇보다 중요하며, 이러한 경험의 축적이 있어야만 보다 높은 레벨의 기술을 확보할 수 있습니다”라고 강조했다.
이교수는 또한 인공지능 프로세서를 Bio 와 같은 다양한 분야에 접목하기 위해서 뉴로모픽 (Neuromorphic) 회로에 대한 연구도 활발하게 진행하고 있으며, 특히 2019년도에 과학기술정보통신부에서 주관한 인공지능대학원 사업에 성균관대가 선정되어 전임 연구진으로 참여하여 인공지능 관련 고급인재를 양성하고 있다.

인간의 뇌에서 뉴런과 뉴런이 시냅스로 촘촘하게 엮이면서 학습및 의사결정을 하듯이, 딥러닝 (Deep Learning) 을 구현하기 위해서는  정보 처리를 담당하는 개개의 개별 소자가 네트워크로 연결 되어 고속의 병렬 처리를 할 수 있는 고성능 AI Processor 가 필수적이고, 높은 소모전력, 학습을 위한 높은 비용등의 문제를 극복하기 위해서는 SW로 구현하던 딥 러닝을 반도체 집적회로 기술을 이용해서 고성능 AI Processor로 구현하는 접근 방법이 효율적이다. 모바일이나 가전, 혹은 작은 사물인터넷 기기 하나하나마다 인공지능이 적용될 수 있으며, 뉴로모픽 프로세서 (Neuromorphic Processor)는 인간의 뇌신경을 닮은 신경망 구조를 내재화하고 있기 때문에 인간처럼 아주 적은 전력만으로도 고성능 인공지능을 수행할 수 있어서 향후 모바일 분야에 적용이 용이하다. 이강윤 교수는 이 밖에도 ‘스마트폰 및 웨어러블 기기의 근거리 및 원거리 무선충전 수신장치 개발’, ‘자동차용 온도·압력 복합 검지 및 네트워크 통신 기능을 제공하는 센서 모듈의 ASIC을 개발’ 등에 매진해왔으며, 미래창조과학부에서 선정한 ‘2016 국가연구개발 우수성과 100선’에도 오른 바 있다. 이 교수는 “첨단기기가 보편화되고 소형화될수록 집적회로의 구조 혁신과 저전력·고효율 설계, 초저전력 RF 송수신기, BIO 관련 초저전력 회로 및 스마트카용 고신뢰성 회로 설계 기술은 더욱 그 가치를 높이 평가받게 될 것입니다. 저희는 앞으로도 이러한 분야에 대한 연구개발에 매진함으로써 인류의 삶을 바꿔나가는 기술혁신의 중심이 대한민국이 될 수 있도록 하는데에 기여하고자 합니다”라고 포부를 밝혔다. 어느새 눈앞으4로 성큼 다가온 미래사회, 이들의 열정과 노력이 우리에게 어떤 놀라운 기술을 우리에게 선사할지 기대해 보자.


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