2018년12월 18ZB1300-18-3400P
ICT 융합소자 핵심기술 개발
Core Technology Development of ICT
Convergence Devices
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제 출 문
본 연구보고서는 주요사업인 “ICT융합소자 핵심기술 개발” 과제에 참여한 아래의 연구
진이 작성한 것입니다.
2018년 12월
연구책임자 : 책임연구원 이진호(ETRI)
책임연구원 김현탁(ETRI)
책임연구원 구본태(ETRI)
책임연구원 김덕환(ETRI)
책임연구원 이자열(ETRI)
책임연구원 한선호(ETRI)
책임연구원 박 민(ETRI)
책임연구원 어익수(ETRI)
책임연구원 백영석(ETRI)
책임연구원 장준영(ETRI)
선임연구원 최장홍(ETRI)
연 구 원 김기수(ETRI)
연 구 원 조성우(ETRI)
연 구 원 테티아나(ETRI)
연 구 원 정순규(ETRI)
연 구 원 최영규(ETRI)
UST연구생 조진철(ETRI)
UST연구생 손지민(ETRI)
공동연구책임자 Prof. Dimitri Basov(Columbia Univ.)
연구원 Alex McLeod(Columbia Univ.)
연구원 Aaron Sternbach(Columbia Univ.)
세부과제 연차실적 보고서
연차실적 보고서
과제유형
1. 기초미래선도형 ( O ) 2. 공공인프라형 ( ) 3. 산업화형 ( )
대과제명
ICT 소재부품 미래선도 기술개발
세부과제명
ICT 융합소자 핵심기술 개발
세부과제
책임자
소속 및 부서
ICT소재부품연구소
소재부품원천연구본부
직위
(직급)
본부장
(책임연구원)
성명
이진호
총연구기간
2018년 1월 1일 부터 2020년 12월 31일 까지 (36개월)
당해연도
연구기간
2018년 1월 1일 부터 2018년 12월 31일 까지 (12개월) (1차년도)
총
연
구
비
정부출연금
4,333,000
천원
당
해
년
연
구
비
정부출연금
1,658,000 천원
민간부담금
0 천원
민간부담금
0 천원
계
4,333,000
천원
계
1,658,000 천원
참여인력(M/Y)
총 연 구 기 간
55 명(30.86 M/Y)
당해연도 연구기간
21 명(10.86 M/Y)
참여기관
기관명
연구책임자
기관명
연구책임자
참여연구기관
위탁연구기관
콜롬비아대학
Dimitri N
Basov
키워드
(6~10개)
MIT, NDR-MIT, CTS, Radar, RCS, FMCW
정부출연금사업 연차평가 보고서를 제출합니다.
2018 년 12 월 31일
세부과제책임자 : 이 진 호 (인)
직 할 부 서 장 : 엄 낙 웅 (인)
한국전자통신연구원장 귀하
<차례>
제 1 장 서론 ··· 5
제 1 절 연구의 필요성 및 중요성 ··· 5
1. 연구개발의 필요성 ··· 5
2. 연구개발과제의 중요성 ··· 5
3. 연구개발과제 수행의 제약요인 ··· 8
제 2 절 현황 및 접근방법 ··· 9
1. 국내․외 현황 ··· 9
2. 핵심요소 및 접근방법 ··· 18
3. 혁신성과 독창성 ··· 19
제 2 장 연구개발 목표 및 수행방법 ··· 21
제 1 절 연구개발목표 및 내용 ··· 21
1. 최종목표 ··· 21
2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ··· 23
3. 당해연도 연구개발 목표 및 내용 ··· 24
제 2 절 연구개발 추진체계 및 방법 ··· 25
1. 연구개발 추진체계 ··· 25
2. 연구개발방법 ··· 25
제 3 절 성과목표 및 성과지표 ··· 26
1. 성과목표 ··· 26
가. 성과목표의 개요 ··· 26
제 4 절 추진일정 및 마일스톤 수행계획 ··· 30
1. 추진일정 ··· 30
2. 마일스톤 수행체계 ··· 32
제 3 장 연구개발 추진 실적 ··· 33
제 1 절 연구개발 목표 및 내용 계획 대비 실적 ··· 33
제 2 절 주요 연구결과 ··· 40
1. MIT 기술 ··· 40
가. MIT 현상규명 ··· 40
1) Mott MIT와 Impurity-Induced MIT연구 ··· 40
2) Highly Repeatable Nanoscale Phase Coexistence in Vanadium Dioxide
Films ··· 43
4) 양자 점프 트랜지스터 (QJT) 신개념 정립 및 원천기술 개발 ··· 48
5) PROPERTIES OF THE VOX FILMS FOR THE PHOTOSENSING
APPLICATIONS ··· 49
6) NDR-MIT Switching 이용 양방향 전류를 내는 DC-DC 컨버터 ··· 52
나. MIT 응용 기술 ··· 54
1) MIT 정온식 단독형 감지기 ··· 54
2) MIT 연기 감지기 ··· 57
3) Sensors Expo 2018 전시회 참가 ··· 59
2. 소형무인이동체 탐지레이더 레이더 기술 ··· 61
가. 작은 RCS를 갖는 소형 무인 이동체 탐지 레이더 규격 및 구조 기술 ··· 61
1) 레이더 규격 ··· 61
2) 레이더 구조 ··· 63
나. 레이더 신호처리 및 데이터 처리 핵심 알고리즘 연구 ··· 65
1) 레이더 신호처리 알고리즘 설계 ··· 65
가) FMCW 레이더 거리 산출 ··· 65
나) 도플러 FFT 및 속도 산출 ··· 67
다) 각도 산출 ··· 67
라) 데이터 처리 ··· 68
2) 레이더 신호처리 구현 및 검증 ··· 70
가) 신호처리 하드웨어 구성 ··· 70
나) 신호처리 소프트웨어 구성 ··· 71
다) 신호처리기 자체검증 ··· 73
3) 레이더 신호처리와 RF 인터페이스 ··· 75
가) 신호 인터페이스 ··· 75
나) 제어 인터페이스 ··· 76
다) 빔 조향 운영 시나리오 ··· 76
다. 레이더 RF 송수신 핵심 IP 설계 ··· 79
1) FMCW Generator IP 설계 ··· 79
가) X-Band FMCW 레이더용 주파수 합성기 설계 내용 ··· 79
2) Transmitter IP 설계 ··· 81
가) TX IP 개요 ··· 81
나) 위상천이기 설계 ··· 81
다) Drive Amplifier 설계 ··· 83
라) TX Layout 설계 ··· 85
3) Receiver IP 설계 ··· 86
가) 2x2 RF Receiver IP설계 (Top 및 Phase shifter) ··· 86
나) 4-채널 RF Receiver IP설계 ··· 92
다) 4-채널 RF Receiver의 BBA IP설계 ··· 94
라. 레퍼런스 레이더 시스템 구조 및 플랫폼 기술개발 ··· 97
1) 상용 부품을 이용한 레이더 하드웨어 플랫폼 개발 ··· 97
제 3 절 주요 연구성과 ··· 107
1. 주요 특허 ··· 108
2. 주요 논문 ··· 110
3. 시제품/전시회/홍보 ··· 111
가. 시제품 ··· 111
나. 전시/홍보 ··· 112
제 4 장 결론 및 연구결과의 활용계획 ··· 119
제 1 절 결론 ··· 119
제 2 절 파급효과 및 성과확산계획 ··· 120
1. 파급효과 ··· 120
2. 성과확산계획 ··· 120
부속자료 ··· 121
제 1 장 서론
제 1 절 연구의 필요성 및 중요성
1. 연구개발의 필요성
○ 급변하는 세계시장을 선도하고 인류복지를 구현할 새로운 기술에 대한 수요에 역동적으로 대처함으로 써 지속성장을 달성하기 위해 기초·미래선도 기술개발이 필수적이며, ○ R&D의 궁극적인 목적이 신개념 기반 핵심원천기술을 바탕으로 고객과 시장이 원하는 제품/서비스를 효과적으로 개발하여 이들에게 필요한 가치를 제공하는 것으로 기존의 고객ㆍ시장중심의 R&D에서 한 걸음 더 나아가 고객의 잠재수요를 적극적으로 창조하는 고객창조 R&D를 요구하고 있음○ 한편, 최근까지 우리나라 경제성장을 이끌어 온 모방전략(Fast Follower)에서 진화하여 선점전략(First Mover)으로의 전환이 요구되는 시점에서 이러한 추세에 앞서나가기 위해서는 공격적이고 장기적인 관 점의 연구를 통한 원천기술의 확보 및 축적이 시급함 ○ 드론과 같은 무인소형이동체 시장의 급성장에 따라 Anti-drone 기술 개발 필요성이 시급함 - 한국드론산업진흥회의 최근 보고서에 따르면 군사용이 72%를 차지하는 세계 드론 시장 규모가 2015 년 400억 달러에서 2025년 1400억 달러로 급성장할 것으로 전망하며, 특히 산업용 드론은 2014년 64억 달러에서 2020년 115억 달러로 빠른 성장이 예상 됨. 최근 중국의 DJI사가 주도하는 촬영용과 레저용 드론 시장이 2016년을 기점으로 성장세가 10%대로 주춤하는 반면에 최대 유망시장으로 평가 되는 산업용 드론은 43%의 성장률 전망 함 - 드론을 활용하여 테러, 범죄, 사생활 영역 침입이나 감시, 조작 미숙에 의한 사고 문제 등을 일으키는 나쁜 드론을 무력화하는 안티드론 기술이 절실히 필요로 하며, 군용무인기를 탐지하는 군사용 레이 더 시스템 기술은 국방과학연구원(ADD)에서 기술개발을 해오고 있었으나, 민간용 소형무인이동체 을 탐지하는 기술은 아직 국내에는 없으며 세계적으로도 개발 경쟁 중에 있음 - 군용 저고도 무인기 탐지 레이더의 경우, 탐지거리가 10 km 이상, 고가의 가격으로 민수용으로 사 용하기에는 과도한 규격이고 고가일 뿐 아니라 사용 주파수도 상이 함
- 소형무인이동체의 레이더 반사면적(RCS: Radar Cross Section)은 0.01m2 이하의 수준으로 매우 작아 탐지가 용이하지 않고, 주변 지형의 클러터 및 반사파로 인해 탐지의 어려움dl 있음. 이를 극 복할 수 있는 기술이 절실히 필요 함
2. 연구개발과제의 중요성
○ 강상관 상관 전자계 개발 분야에서 Mott의 급격한(First-order) 금속-절연체 전이와 Hubbard의 연속 적인 금속-절연체 전이 이론들은 이미 오래전에 확립되었고 수십 년 동안 학문적인 논쟁은 지속되었 지만, 실험적으로 명확하게 증명되지 않았다. 이러한 학문적인 진행을 보면서, 본 과제 제안자는 상 기 이론들이 너무 이상적으로 만들어졌다는 점을 간파하고, 이들 이론에 실험적 인자(Factor)를 도입 하여 급격한 금속-절연체 전이 이론을 확장하고 확립하는데 노력하였다. 그리고 일부 강상관 물질들 이 보여준 실험데이터에 제안자의 이론을 적용하여, 그동안 설명되지 않았던 많은 문제들을 잘 설명 할 수 있는 가능성을 높였다. 한편, 제안자의 이론에는 많은 연구내용이 포함되어 있으므로, 심화된 연구를 통하여 강상관 전자계에서 밝혀지지 않았던 많은 물리적 현상들을 규명할 필요가 있으며, 특 히 본 연구과제를 통하여 제안자의 이론을 보다 명확하게 정립할 필요가 있다.
○ MIT의 스위칭 기술은 아직 일반기업이나 연구자에게 널리 알려지지 않은 실험실 기술이다. 현재 MIT 스위칭 기술을 선도하는 연구그룹이 연구 환경과 원천기술을 보유, 국제적으로 선도하기 위해 국책연구 기관에서 우선적으로 과제를 수행하면서 다른 연구자 및 기업에 기술을 확산 시키는 것이 바람직하다. ○ MIT에 기반한 스위칭 소자: 현재 사용되고 있는 전기의 대부분은 교류전기이나 컴퓨터와 같은 전자 제품은 직류전원을 사용하고 있다. 직류전기가 교류전기보다 좋은 것은 널리 알려져 왔으나 교류를 직류로 바꾸고 직류전압을 변환하는 데는 많은 어려움이 있다. 현재 반도체 재료로 만들어진 반도체 전력용 스위칭 소자는 큰 전류를 흘리기 위해 단면적을 넓게 하고 열이나서 냉각을 시키기도 하는데 MIT 소자는 반도체 보다 저항이 작은 금속 특성을 이용하므로 반도체 소자의 크기와 동일크기를 비 교할 때 수십배 이상의 전류가 흐를 수가 있다. 직류전원을 스위칭하여 전압변화를 일으킬 수 있는 데, 이 특성을 이용하면 보다 작고 열이 발생되지 않는 스위칭 소자를 제작할 수 있다. ○ MIT에 기반한 이미지 센서를 개발하기 위해서 물질 및 원리연구 등 기초연구를 포함한 소자제조 공 정, 시스템 개발 등 관련분야의 기술개발이 함께 병행되어야 하므로 기술개발 과정에서 특허, 논문 등 새로운 많은 연구결과물들을 얻을 수 있으며, 기초 원리부터 제품 제작까지 하나로 이어지는 연 구이기 때문에 그 의의가 더욱 커고 중요하다고 본다. 특히, 빛에 대한 센서는 에너지 활용의 기초 가 되는 중요한 부분이다. 기존의 pn-접합으로 제작된 영상 소자의 잡음(noise), 블루밍(blooming: 화면이 부분적으로 강한 빛을 내어 넓게 퍼지지는 현상), 높은 암전류(dark current: 일종의 누설전 류로써, 잡음의 크기에 큰 영향을 미침) 등의 문제점을 단일 박막 층과 금속 전극 층만으로 제작하 여 반도체 공정의 단순성까지 확보할 수 있는 금속-절연체 전이 현상을 이용한 영상 소자는 모든 기술의 접목으로 이루어지는 미래 핵심 기술로써 그 원천기술을 확보하는 것이 매우 중요하다. ○ MIT 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대폰, PDA, 노트북, CCTV, 자동차 등 다양한 제품에 장착되어 디지털 영상을 얻는 반도체소자로서 가장 급속하게 성장하는 큰 시장중의 하나이다. MIT현상은 특정 외부 자극(빛, 온도, 전압, 압력 등)에 민감하게 반응하는 센서로써의 응용 가능성이 이미 논문, 특허 로써 보고되고 있으며, 감도 및 특성이 기존 반도체 소자보다 뛰어나다는 것이 입증되었다. 따라서 이러한 원리에 기반한 이미지센서를 연구개발하여 시장에서 기존 상용제품과의 경쟁에서 우위를 점 하게 되면 커다란 경제적인 이익을 얻을 수 있으며, 국가 경제에 큰 도움이 될 것이라 기대한다. ○ MIT 온도 스위치는 온도 측정과 스위치 역할을 동시에 할 수 있는 소자로 추가적인 마이크로컨트롤 러 없이 동작할 수 있는 소자이다. 또한 MIT 온도 스위치는 물질의 고유한 특성으로 주위 환경 변화 에 민감한 특성을 지니고 있고, 이로 인해 정확한 온도 측정이 가능하다. 그리고 추가적인 부가 회 로가 불필요하기 때문에 소형화가 가능하다.
○ MIT 현상 연구의 또 다른 중요한 응용분야는 혁신적인 MMIC에 응용 분야를 들 수 있다. MMIC를 구성하고 있는 능동소자와 수동소자 중에서 능동소자는 주로 신호의 증폭에 기여하므로 반도체 또는 MIT형 트랜지스터를 사용하고 효과적이고, 손실이 많은 수동소자나 배선에는 금속-절연체의 금속상 을 유지한 채 RF 신호가 흘러가게 하면 손실을 극적으로 줄일 수 있으므로 새로운 MMIC를 얻을 수 있다. 그리고 MIT 소자의 스위칭 속도는 Tera Hz급으로 알려져 있기 때문에 이러한 특징들을 잘 활 용하면 혁신적인 MMIC를 얻을 수 있다. 이 분야는 계속 새롭게 실험/분석할 필요가 있으므로, 본
칭 속도가 매우 중요하다. MIT 현상이 일어나는 산화물 박막은 금속-절연체 상전이가 발생하기 전에 는 절연체 특성을 가져 빛의 투과도가 높지만. MIT 특성이 발생하게 되면 금속 특성을 보이며 거의 모든 파장의 빛을 반사시켜 상대적으로 투과도가 낮아지게 된다. 그리고, 이러한 투과도의 변화는 매우 빠른 속도로 일어나게 된다. MIT 박막 소자의 이러한 빠른 광 투과 특성 변화를 이용하면, 전 기적 펄스에 의해 박막 소자에 투과되는 광을 초고속으로 투과 및 차단할 수 있는 광 스위치 제작이 가능하다. 따라서 본 연구수행은 초고속 광 스위치 분야에도 큰 중요성을 제공할 수 있다. ○ 본 과제의 연구 결과물을 적용하여 새로운 기능의 소자와 응용분야에 적용함으로써, 융합, smart, green 등 현재의 사회⋅경제적 가치에 부합하는 신성장 산업을 유발하여 새로운 시장을 창출할 수 있는 기반을 제시할 수 있다.
○ (레이더 핵심기술) AUDS(Anti-UAV Defence System) 산업은 급속도로 성장하고 있으며, 세계 각국 은 소형무인이동체 방어 시스템을 앞 다투어 강구하고 있으나, 국내 기술개발은 미약한 상황이나 작 은 RCS를 지닌 소형이동체를 탐지할 수 있는 레이더 핵심 기술 개발은 국가적으로 아주 중요 함 - 미국: 무인비행체 활용 제한 위해 안티 드론(Anti-Drone) 시스템 개발 조기 착수 (‘15.8) - 보잉·에어버스·록히드마틴등 세계적인 기업이 AUDS 솔루션 출시('CES 16') - 영국: 국방과학기술연구소(DSTL)를 통해 UAV 공격 격퇴 시스템을 개발 중 - 프랑스: 레이더로 UAV 감지, 카메라로 정체를 확인, UAV 무력화 시스템 개발 중 <표> 국가별 탐지 기술수준 ○ 현재 국내 국방 연구기술 분야에서 감시 정찰 분야 레이더 체계는 능동위상배열 레이더 개발 등 주 요한 사업들을 통해 이미 기술 축적 중이며 “레이더 표적식별기술” 등 수 많은 국방과학기술 전략 아이템이 무기체계분야와 연계되어 연구 개발 진행 되고 있음 - 주목할 사항은 향후 능동 및 수동 복합기능 레이더 탐지기 시스템 개발이 군 화력 증강 측면에서 유도무기 체계와 아울러 전략아이템으로 개발 - 현재 2차원 FMCW 레이더 기술을 사용하는 레이더 감지센서 기술 또한 2019년 및 2028년경에는 3차원 FMCW 레이더 기술 및 고분해능 3차원 FMCW 레이더 기술이 주요 핵심 기술로 전망
○ (시장성장세) 무인소형이동체 탐지 산업의 시장 규모는 2024년까지 18억5천만 달러를 예상하며, 24.1%의 CAGR를 기록 함. 허가받지 않은 무인 정찰기에 의한 보안 위반 사건의 증가와 테러와 악 의적 인 활동의 증가 된 행동은 주로 시장 성장을 주도 함 (Grandview Research, Inc, 2018.5) - 여가 및 전문적인 용도로 UAV를 도입하는 것이 급격하게 증가하면서 항공 공격에 대한 정부의 우 려는 물론 개인적인 측면도 증가 됨 - 전 세계의 다양한 상업 시설 및 공공 안전 부서에서 점차 증가하는 보안 요구를 해결하기 위해 UAV 대응책을 배치 - 드론은 몰래 밀수품 밀매와 같은 다양한 비밀리에 활동에 크게 사용되고 있으며, 한 번에 하나의 무인 항공기를 방어하기 위해 다양한 프로토타입이 개발되었지만 전 세계의 주요 무인 항공기 솔 루션 제공 업체는 동시에 여러 무인 항공기 위협에 대응하기위한보다 성숙한 솔루션을 개발하기 위해 노력하고 있음 - 레크리에이션 및 나노 드론은 점차 정교 해져 미래의 물리적 보안 시스템에 의해 최적으로 처리되 어야하는 다양한 새로운 위협으로 등장하고 있음
3. 연구개발과제 수행의 제약요인
○ 금속-절연체 전이(MIT) 현상규명과 관련된 연구는 60년 물리학사에서 고체물리학자들 사이에서는 미결의 숙원문제였지만, 공학자 및 타전공자들에게는 익숙하지 않은 물리문제였다. ○ 본 연구팀이 선행연구를 통해 MIT의 원리, 응용소자 등을 특허, 논문으로 공개하였으므로, 이제 전 세계적인 경쟁체제 속으로 진입하였다고 볼 수 있으며, 본 연구는 타 연구그룹에 비해 우리가 약간 앞서 있다고 할 수 있으나, 지속적인 연구지원과 연구수행자들의 뜨거운 경쟁의식이 결여되면, 향후 연구개발에서도 우위를 점할 수 없는 제약요인이 된다. ○ 기존 이미지 센서의 기술 발전 속도가 매우 빠르며, 높은 기술 수준에 도달해 있기 때문에 특정 부 분은 경쟁력을 고려해 보아야 하며, 기존 기술의 적극 적인 도입이 필요하다고 본다. 따라서 핵심적 인 재료, 부품 등은 연구개발하고 기존의 시스템, 패키징 기술은 접목하여 완성도를 높이면서 기술 개발 시간을 줄여나가야 할 것이다. ○ 본 연구과제는 유기 반도체의 성질을 이용한 새로운 형태의 반도체 소자를 제작하고, 이를 이용하여 기본적인 플라스틱 전자 회로를 제작한다. 따라서 기존의 실리콘을 기반으로 한 반도체 전자소자의 공정 과 제작 개념을 그대로 사용하기 어렵고, 물질적 측면에서도 새로운 형태의 소재를 사용하여야 하므로 박막의 성장 방법 또한 새로운 것이어야 한다. 금속, 반도체, 절연체뿐만 아니라, 이들의 계 면형성, 이론적 개념 또한 정립이 되어야 한다. 독자적인 이론체계를 통한 신 영역 구축이 필요하다. ○ 새로이 관측된 MIT 현상(반도체 재료 등)에 관해 응용분야의 미발견으로 국제적 경쟁 속에서 기회를 놓칠 우려가 있어, 타분야 응용 가능한 전문가와의 협의를 통한 극복이 필요. ○ (레이더 핵심기술) 소형무인동체 고도제한(150m)으로 레이더 시스템의 성능을 테스트 할 수 있는제 2 절 현황 및 접근방법
1. 국내․외 현황
가. 국내․외 기술동향 및 수준
<MIT 기술> ○ 금속-절연체 전이에 관한 연구는 서울대학교, KAIST, 포항공대를 비롯하여 국내연구자들이 학문적으 로 연구를 수행해오고 있음. 그러나 본 과제에서 다루는 구조변화에 의하지 않는 금속-절연체 MIT 현상 에 관한 기초 및 응용연구를 수행하는 곳은 ETRI, 고려대, 울산과기대, 등 많은 대학과 연구소에서 MIT 현상을 연구하고 있음. 2009년 ETRI는 MIT 소자 및 MIT-트랜지스터 응용기술을 기술이전 한 바 있음○ MIT 연구는 발전하여 뉴로모픽용 뉴론 및 시냅스 소자 연구로 확산되고 있음. 특히, 서울대, 포항공 대, KAIST, 한양대, 건국대 등에서도 뉴로모픽연구를 수행하고 있으며, 현재, 국내의 삼성전자 연구 그룹, 하이닉스 연구그룹, 일본의 산소겐(産業總合硏究所)의 한 그룹은 상변환 메모리 소자를 제작하 기 위해 공정연구를 진행하고 있음
○ 바나듐계 MIT 소자의 상용화를 위하여 Si 기판 위에 대면적 연구를 일본의 기업과 스위스의 기업이 연구하고 있음. ETRI에서도 Si 기판 위에 Epitaxial VO2 박막증착 연구를 수행중임
○ 이산화 바나듐 옥사이드로 리튬이온 전지의 전력트랜지스터의 발열제어를 연구하고 있음. 대암산업 (중소기업) 바나듐계 MIT 소자로 정온식 감지기를 개발하여 국내시장에 판매하고 있음. 현재 50%이 상 점유하였고 2016년은 90% 목표 및 일본시장을 진출할 예정임
○ ETRI MIT 기술을 이전 받은 업체는 HTR(고효율 전력 트랜지스터: MIT 소자 + 전력 트랜지스터)을 LED 드라이버에 적용할 목적으로 현재 판매중임. 화재 감지기 업계는 MIT 가시광 센서를 적용하는 MIT 연기감지기의 개발을 요청하고 있음
<소형무인 이동체 레이더기술>
○ AUDS(Anti-UAV Defence System) 산업은 급속도로 성장 예상되며, 세계 각국은 소형무인이동체 방 어 시스템을 앞 다투어 강구하고 있으나 국내 기술 수준은 아직 미약한 실정인 것이 현재의 국내 산 업 측면에서 시급히 개발이 요구 됨
○ 네델란드 Robin Radar system사의 ELVIRA는 360도 전방위를 커버하며, 큰 고정익 비행체는 9km, 소형 멀티로터는 3km 탐지하며, 동일한 위치를 1.3초마다 한번씩 스캔하는 기술 ○ 탈레스 네델란드사의 Squire는 국경, 해안 및 지역을 비행하는 무인비행체 감시용으로 개발되었고, GPU기반 신호처리와 표적분석기능을 강조 함 ○ 영국의 MGT europe의 DroneRanger는 무인비행체를 검출하고 추적하여 무력화하는 시스템, 초소형 무인비행체를 2km까지 탐지하며, 재밍시스템은 무인비행체가 사용하는 모든 Radio Control(RC) 주 파수 및 GNSS주파수도 교란시키며, 안테나는 pan-Tilt 장비에 장착된 지향성 안테나로 기계적 빔조 향을 이룸
○ 영국의 Blighter사의 AuDS는 원격에서 UAV를 검출,추적,분석하고 UAV의 비행을 중지시킬 수 있으 며, 레이다와 EO/IR 광학장비와 전파교란기 3종의 장비가 결합된 시스템으로 구성됨
○ 스페인의 advanced radar technology사의 Drone Sentianel 는 매우 작은 RCS를 가지는 무인비행 체의 검출과 추적에 특화된 시스템으로 레이다가 표적을 검출하고 경보와 추적을 개시하면 주.야간 작동하는 광학플랫폼 분석을 수행
○ 독일의 Aaronial사의 Advanced automatic RF tracking and Observation Solution은 무인비행체 또 는 조종기로부터 방출되는 전파의 방향과 위치를 탐지하는 방향탐지 시스템으로 레이다를 사용하지 않고, 9KHz부터 200GHz까지의 주파수를 감시
○ 이스라엘의 RADA사의 RPS-42는 우리나라에도 잘 알려진, 군용 저고도레이더에 비해 탐지거리를 줄이고, 낮은 cost, size, weight와 power를 추구하는 펄스도플러방식의 레이다 시스템으로 AESA안 테나를 지니고 있어서 Pan-tilt장비 없이 비회전식으로 빔조향이 가능함
○ 미국의 SpotterRF의 레이다와 Black sage technology사의 영상 시스템을 통합한 무인비행체 감시시 스템으로 카메라 자동추적, 스마트폰과 연동하여 GPS좌표를 출력하며, 레이다의 평균 탐지거리 1km이하 임 ○ 국내 레이더 시장은 규모가 아직은 작고, 다양한 종류의 레이더가 요구되지만 종류별로 소요되는 수 량도 적은 상태임 - 이러한 이유의 하나로 무인이동체 탐지 레이더 시스템 개발이 너무 광범위하고 많은 비용과 오랜 기간에 축척된 집적화된 기술의 집합체로 생각해 볼 때 국내 기업의 경우 불확실시 될 수 밖에 없는 미래 시장에 선 뜻 투자를 하는 것이 위험할 수도 있다는 예측에 다른 것으로 보여 짐 - 국내 상용 레이더 기술 적용 분야로는 ETRI의 UWB-레이더 기술을 도입하여 일부 시도하고 있는 산업 안전 및 재해 센서 분야의 ㈜효성이 있으며, 가로 등 점멸 및 보안 기타 차량용 레이더의 모 듈 개발 정도이며, 소형무인이동체 탐지를 위한 상용 레이더 기술 및 제품은 아직 연구단계에 있음
나. 국내․외 표준화 현황
○ 금속-절연체 전이는 현대 고체물리학의 가장 중요한 분야이므로, 전 세계의 학자들이 한동안 끊임없 이 논쟁하면서 연구를 계속할 것임. 특히 전기장에 의한 금속-절연체 전이 현상은 응용성이 다양하 고 광범위하므로, 향후 전세계의 응용연구자나 엔지니어들이 본격적으로 응용연구를 수행할 것이며, 그것도 매우 빠른 속도로 진행할 것이 예상됨. ○ 드론관련 표준화 전망 및 레이더 표준 - 드론은 하늘에서 비행하기 때문에 안전과 보안에 대한 요구사항이 엄격하며, 안전한 운항에 필요한 요구사항으로 레이더 기술 및 식별에 필요한 통신기능이 완비되어야 할 것으로 예상하며, GNSS, RC주파수등의 표준화가 요구 됨 - 무인기가 다양한 분야에 활용됨에 따라 무인기의 크기도 다양해지며, 0.3m이하의 초소형,무인기등으로 구분하는 분류체계 진행중에 있는 수준 임 - 드론 안전과 보안 기능을 제공하는 기술을 표준화에 반영하고 이를 개발하는 것이 필요하며, 드론을 탐지하고 민간에서 활용할 수 있는 소형 레이더 시스템으로 국가적인 표준화가 필요 함 <무인기의 분류 기준 예시>
다. 동일, 유사내용에 대하여 국내․외 관련자들의 수행내용
○ 러시아의 Stefanovich 그룹은 본연구팀이 처음으로 금속-절연체 전이 연구에 사용한 바나듐계 재료 를 사용하여 온도에 따른 급격한 금속-절연제 전이를 연구하였음. ○ 미국 Stanford 대학교의 Ovshinsky는 저저항의 결정상과 고저항의 비정질상을 이용한 상변환 메모리 (phase change memory : PCM) 연구를 약 30년 전에 처음 수행하였음. 그러나 이것은 온도에 따 른 금속-절연체 전이 현상보다 구조상전이(structural phase transition: SPT) 현상을 이용한 것임.○ 금속-절연체 전이에 관한 연구는 서울대학교, KAIST, 포항공대를 비롯하여 국내연구자들이 학문적으 로 연구를 수행해오고 있음. 그러나 본 과제에서 다루는 구조변화에 의하지 않는 금속-절연체 MIT 현상에 관한 기초 및 응용연구를 수행하는 곳은 ETRI, 고려대, 울산과기대, 등 많은 대학과 연구소 에서 MIT 현상을 연구하고 있음. 2009년 ETRI는 MIT 소자 및 MIT-트랜지스터 응용기술을 기술이전 한 바 있음. ○ 현재, 국내의 삼성전자 연구그룹, 하이닉스 연구그룹은 상변환 메모리 제조를 위해 공정연구를 진행 하고 있음. ○ 외국의 반도체 회사들의 대부분은 상변환 메모리를 연구하고 있음. 상변화 연구는 구조상전이로 해 석되고 있지만, 본 과제 제안은 구조상전이가 없는 금속-절연체전이(MIT)라는 점에서 크게 차별화 됨. ETRI와 같은 응용연구를 수행하는 곳은 없음. ○ 특히 MIT의 응용연구는 뉴로모픽 소자 연구로 까지 확산되어서 국내외에서 활발히 연구를 수행하고 있음. 특히, AIST, 인텔 연구소 및 유수의 대학 연구소에서 시냅스 메모리 연구를 수행하고 있음.
○ 군용 AESA 레이더 개발 및 무인 지상감시 시스템 개발 -국내 LIG 넥스원, 한화탈레스를 중심으로 AESA 레이더 개발 중 -비무장 지대의 북한군 정밀 감시하기 위한 무인 지상 감시센서 개발 -한화탈레스는 한국형전투기 AESA 레이더 기술개발 진행중에 있음 (2016.4) -한화탈레스는 비무장지대(DMZ)의 북한군 정밀 감시하기 위한 '무인지상감시센서' 개발 착수 (2015.11) ○ 24GHz, 77GHz, 79GHz 대역을 사용하여 다양한 활용분야에 적용 -Digist는 L형 패치 안테나 기반 24GHz FMCW 상용 레이더 플랫폼을 사용하여 드론탐지 시스템개발(2016.06) -ETRI는 77GHz/79GHz 대역에서 자동차 충돌 방지를 위한 레이더 칩을 개발(2016.08)
라. 동일, 유사내용과 관련하여 제안자가 이미 수행한 사업 또는 연구개발과제
○ 본 과제 제안 이전에 기획예산처 예산인 기관고유사업으로 2년 6개월 동안 제안자의 Hole-driven MIT이론의 검증을 위하여, “테라급 스위칭 전계효과 트랜지스터 개발”과제를 수행하였다. 2008년부 터 지식경제부 산업원천과제로 “급격한 전기적 점프를 이용한 신소자 기술”을 2011년 2월까지 수 행하였음. ○ 상기 과제수행을 통해, 구조상전이가 없는 급격한 금속-절연체 전이를 세계최초로 관측하였으며, 이 연구와 관련하여 SCI 저널 40편, 국제특허 55편을 출원하였으며, 33편의 원천 및 응용특허는 이미 등록되었음. ○ 본 과제에서 다루는 구조변화에 의하지 않는 금속-절연체 MIT 현상에 관한 기초 및 응용연구를 수 행하는 곳은 ETRI, 고려대, 울산과기대, 등 많은 대학과 연구소에서 MIT 현상을 연구하고 있다. 그 리고 2009년 ETRI는 MIT 소자 및 MIT-트랜지스터 응용기술을 기술이전한 바 있음.○ 2015년에는 MIT 전력차단원천기술을 개발하여 국내외 언론에 홍보하여 MIT 기술의 새로운 응용분야 를 확장하였음.
○ 2016년에는 Si 기판위에 MIT물질 바나듐옥사이드와 격자미스매치를 줄이는 AlN을 올리고 기술이전 업체와 공동으로 8인치 MIT 에피 박막을 개발하여 유명저널에 논문과 특허를 출원하고, MIT 소자의 대량생산의 길을 여었음. 이 연구는 2017년 국가 우수연구 100선에 선발되었음.
○ 한국전자통신연구원은 ADAS (Advanced Driver Assistance System)에 적용되는 77GHz 차량용 CMOS기반 LRR/SRR Multi-radar 센서 및 3-5GHz UWB Biometric Radar 기술을 보유하고 있고 79GHz 단거리 차량용 Radar를 개발을 시도하였으며 이러한 기술개발을 통해 Radar RFIC, Array Antenna, DSP Platform, DSP Platform기반 Digital Beam Forming 및 Multi-Target Tracking 신호
- 77GHz 4-channel CMOS 수신칩 및 송신칩을 개발 완료하여 상용 SiGe칩과 동등 수준의 성능 확보
- Multi-Array Antenna를 개발 완료하여 5.4x4.3cm2 수준의 소형화 구현
- Digital beamforming 및 Multi-target tracking신호처리 알고리즘 개발 및 알고리즘 검증을 위한 Radar 신호처리 DSP Platform 기술 확보 - 차량 전방 충돌 감지 및 경고를 위한 시제품을 개발 완료하고 차량 안전 시스템 적용을 위한 실차 탑재 테스트 환경 구축 및 실차 테스트를 수행함
마. 국내․외 경쟁기관 현황
○ 러시아의 Stefanovich 그룹은 본연구팀이 처음으로 금속-절연체 전이 연구에 사용한 바나듐계 재료 를 사용하여 온도에 따른 급격한 금속-절연제 전이를 연구하고 있음. 상당한 수준의 원천 기초기술 을 개발하고 있음. ○ 미국 Stanford 대학교의 Ovshinsky는 저저항의 결정상과 고저항의 비정질상을 이용한 상변환 메모리 (phase change memory : PCM) 연구를 약 30년 전에 처음 수행하였다. 그러나 이것은 온도에 따 른 금속-절연체 전이 현상보다 구조상전이(structural phase transition: SPT) 현상을 이용하여 상변 화 메모리를 시냅스 소자연구까지 수행하고 있음.○ 금속-절연체 전이에 관한 연구는 서울대학교, KAIST, 포항공대를 비롯하여 국내연구자들이 학문적으 로 연구를 수행해오고 있음. 그러나 본 과제에서 다루는 구조변화에 의하지 않는 금속-절연체 MIT 현상에 관한 기초 및 응용연구를 수행하는 곳은 ETRI, 고려대, 울산과기대, 등 많은 대학과 연구소에 서 MIT 현상을 연구하고 있음. 2009년 ETRI는 MIT 소자 및 MIT-트랜지스터 응용기술을 기술이전한 바 있음. ○ 현재, 국내의 삼성전자 연구그룹, 하이닉스 연구그룹은 상변환 메모리 제조를 위해 공정연구를 진행 하고 있음. ○ 외국의 반도체 회사들의 대부분은 상변환 메모리를 연구하고 있다. 상변화 연구는 구조상전이로 해 석되고 있지만, 본 과제 제안은 구조상전이가 없는 금속-절연체전이(MIT)라는 점에서 크게 차별화 됨. ETRI와 같은 응용연구를 수행하는 곳은 없음. ○ 보잉·에어버스·록히드마틴등 세계적인 기업이 안티드론 솔루션 출시('CES 2016') - 미국 항공기 제조기업 '보잉(Boeing)'이 레이저를 쏴 날아다니는 드론을 격추시키는 신개념 무기인‘사일런트 스트라이크(Silent Strike)'라는 이름의 레이저 대공포 개발 ○ 드론 비행을 규제하려는 움직임은 전 세계적인 현상 - 프랑스 군수업체 탈레스(Thales)는 레이더로 드론을 감지, 카메라로 정체를 확인한 뒤 교란 장치를 이용해 드론을 무력화 시킬 수 있는 시스템 개발
바. 국내․외 지식재산권 현황
○ 본 과제를 수행할 경우, 제안자는 강상관 전자계의 금속-절연체 전이 현상을 다루는데 국내/외 금속 -절연체 전이를 연구하는 그룹과는 관점을 달리하여 연구를 수행할 것이다. 특히, 제안자의 Hole-driven MIT 이론을 바탕으로 그동안 본 연구팀이 준비해 온 실험시스템을 적극 활용하여 응용을 넘어서 상용화까지 연구를 확대 수행할 계획이다. Hole-driven MIT 이론에 의하면 상변환 등에 의해 MT가 일어나는 것으로 알려져 있는 여러 물질들 외에 새로운 많은 물질들에서 MIT 현상이 관 찰될 것으로 기대되므로 중점적으로 신소재 개발을 수행하고자 한다. Hole-driven MIT 이론에서 제 시한 급격한 금속-절연체 전이의 응용분야는 초고속 스위칭 트랜지스터, 차세대 메모리, 차세대 전 지, 밀리미터파 통신용 광게이트(Modulator), 홀로그램, 임계온도 센서, Two-color indicator, 전류제 어형 inductor, 적외선 검출기, 적외선 광원(MIT Laser), 청색광원, 디스플레이의 백라이트용 백색광, RF 진동자, RF 스위치, 신개념 MMIC, 저발열 파워소자, LED 등 다방면에 걸쳐있는데, 본 과제에서 는 신소재 개발, MIT 트랜지스터 개발, 가정용 교류전압 220V 전기시스템 보호용 잡음제거용 소자, 고감도 가시광 센서 (조도센서) 개발 등을 주요 목표로 수행하며, 차후에 시장규모가 엄청날 것으로 예상되는 차세대용 메모리, 초고속 광소자, 신개념 고주파 소자, MIT LED 개발에 우리의 연구력을 집중할 계획임. ○ 레이더관련 주요 특허 현황 특허명 기술장단점 레이더 신호 생성 방법
Integrated Circuit Comprising Frequency Generation Circuitry for Controlling a Frequency Source (Freescale Semiconductor US8731502B2) 상기 특허는 위상카운터, 위상검출기, 루프이득블록, VCO, 디 지털 램프신호발생기, 주파수밴드를 선택하기위한 주파수 선 택장치, 램프신호를 발생시키는 시그마-델타변조부로 구성된 다. 이발명의 FMCW 신호를 디지털 시그마-델타변조기의 입 력에 디지털적으로 램핑신호를 입력해서 발생시키는 방식으로 주파수에러를 보정하기 위한 보정루프가 포함된 디지털 PLL 로 구성이 복잡하고 속도가 느린 단점이 있음
FMCW Signal Generation Circuit and Radar Apparatus (Toshiba US8,2B4,099 B2) 상기 특허는 디지털위상검출기, 미분기, 비교기, VCO, 디지털 램프신호코드발생기, D/A 변환기, 적분기로 구성된다. 상기 발명에서는 FMCW 신호를 발생시키기 위해 코드생성기를 디 지털위상검출기 입력해서 위상에러를 추적 정정하는 구조로 되어 있으며 디지털-제어발진기를 구성하기 위해 아날로그 DAC가 요구되어서 고속동작의 어려움이 있음
FMCW Signal Generator and Radar Apparatus Using FMCW Signal Generator (Toshiba US 2010/0073222 A1) 상기 특허는 DDFS, 혼합기, 저역통과필터, 위상검출기, 전하 펌프, VCO, 디지털 DDFS 램프신호코드발생기 구성된다. 상 기 발명에서는 고해상도 고선형성 FMCW 신호를 발생시키기 위해 DDFS 출력을 위상검출기 입력하는 구조로 되어 있으 며 첩신호의 선형성을 높이기 위해 PLL 루프필터의 BW를 첩 신호주기보다 크고 한 주파수 스템보다는 작게 설정했으며, DDFS사용으로 인해 전력소모가 크고 구조가 복잡한 단점이 있음
Ramp Linearization for FMCW Radar Using Digital
상기 특허는 주파스 램핑을 선형화하기 위해, 디지털 다운컨 버터를 사용하고 있으며, VCO, 주파수 분배기, A/D, D/A 변 환기를 포함하고 있음. 상기 다운컨버터는 디지털 변환신호
가 복잡한 단점이 있음 레이더 안테나 및 송수신 모듈
Phased-array antenna apparatus (Toshiba, US 5767806 A) 본 발명의 위상 배열 안테나 장치는, 각 방열기의 송수신 모 듈 중 하나가 연산 처리 장치로부터의 제어 신호에 따라 수신 동작 상태로 설정된다. 엑 사이 터로부터의 RF 기준 신호는 기준 안테나로부터 대기 중에 방사되고 수신 동작 상태에서 송 / 수신 모듈에 의해 수신된다. 그 후, 신호는 수신기에 의 해 주파수 변환되고, 빔 형성 부에 의해 신호로부터 요소 데 이터가 추출된다. 연산 처리부는 요소 데이터에 기초하여 송 수신 모듈로부터의 수신 신호의 위상 및 진폭 데이터를 검출 하고, 검출 된 데이터와 송수신 모듈의 과거의 위상 및 진폭 데이터를 비교함으로써 보정을 계산한다. 그렇게 함으로써 보 정 데이터와 중량 데이터 계산이 용이함
RF TRANSCEIVER FOR RADAR SENSOR (ETRI US 2012-0146842 A1) 핵심 구성 요소의 단일 칩 고주파 집적 회로를 사용하고, SP3T 스위치, 로트만 렌즈와 투사 유닛과 수신 유닛의 전송 하는 five-patch 어레이 안테나 장치와 받는 five-patch 배열 안테나를 포함하는 마이크로파와 밀리미터 웨이브 밴드의 레 이더 센서를 위한 알에프 송수신기 장치 및 레이더 센서를 위 한 알에프 송수신기 장치. 단순한 구조와 동일기판상에 패치 어레이 안테나와 로트만렌즈 그리고 스위치와 증폭기 등의 능 동부품을 구성함으로써 레이더 센서용 RF송수신기의 제작단 가를 절감
Antennas (TRW Automotive US, US 8717229 B2) 능동 안테나 어레이는, 상기 안테나로 하여금 제 1 빔 패턴을 갖는 제 1 빔을 형성하게하고, 나중에 상기 제 1 빔 패턴과 실질적으로 동일한 원거리 방사 패턴의 제 2 빔 패턴을 갖는 제 2 빔을 형성하도록 하는 스위칭 가능한 요소들의 서브 세 트를 활성화하도록 배열된다. 수신기는 안테나가 제 1 빔 패 턴으로 구성되고 나서 제 2 빔 패턴으로 구성 될 때 안테나로 부터 타겟으로 반사 된 방사선을 수신하고, 안테나가 제 1 빔 패턴으로 구성 될 때 수신기에서 수신 된 방사선의 위상을 비 교한다. 상기 안테나가 상기 제 2 빔 패턴으로 구성되어 위상 차 신호를 제공 할 때 상기 수신기에서 수신되는 상기 방사선 의 위상을 갖는 제 1 빔 패턴을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 방법. 타겟 위치 결정 수단은 위상차 신호 로부터 타겟의 각도 위치를 결정이 용이
Semiconductor Package for Transmit/Receive Module of radar, and manufacturing method thereof (ADD, KR 10-1552166 B1) 본 발명은 위성배열 레이더에 사용되는 레이더용 송수신모듈 을 위한 반도체 패키지에 관한 것으로, 상기 발명은 실리콘 관통비아가 각각 형성된 제1 실리콘기판, 제2 실리콘기판, 제 3 실리콘기판 및 제4 실리콘기판을 포함하고, 상기 제1 실리 콘기판, 제2 실리콘기판, 제3 실리콘기판 및 제4 실리콘기판 은 순서적으로 적층되어 상기 실리콘 관통비아를 통해 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제2 실리콘기판 및 제4 실리콘기 판에는 레이더용 송수신모듈의 소자들이 플립칩 본딩을 통해
배치되며, 상기 제1 실리콘기판 및 상기 제3 실리콘기판 각각 은 상기 레이더용 송수신모듈의 소자의 배치 공간를 확보하기 위해 형성되는 관통형 캐버티를 구비하는 것을 특징으로 한 다. 이에 의해 본 발명은 부품의 집적화 및 경량화를 향상시 킬 수 있고, 기계적 변형에 대한 내구성을 향상 소형이동체 탐지에 적합한 레이더 시스템
Method for Operating a Radar System (Automotive Distance Control Systems( US 6,147,138) 상기 특허는 펄스 FMCW 레이더 시스템으로 송신모드와 수신 모드를 스위치로 구분하고 있으며, pulse-shaped 송신신호가 정해진 시간과 주파수로 송신되고, 수신모드에서는 모든 송신 기가 꺼지며 마지막 송신된 전파의 반사파가 수신기에 수신되 어 송신신호와 수신신호의 주파수 또는 위상차를 측정해서 목 표물의 거리와 속도가 직접 추출
Sensor System (Siemens Aktiengesellschaft US 6,255,984 B1) 상기 특허는 FMCW 도플러 레이더 시스템으로 기준신호가 지 연기와 혼합기를 통해서 송신신호로부터 발생됨. 반사되어 돌 아온 수신신호와 송신신호가 혼합된 후 기준신호의 zero-crossing IF 신호를 샘플링해서 디지털화함. 기준신호 위상의 다 구간에서 IF신호를 측정해서 목푬루의 거리와 속도 를 측정함
Radar Apparatus (Mitsubishi Electric Corp. US 7,692,574 B2) 상기 특허는 FMCW 레이더 시스템으로 안테나 구성을 바꾸지 않고 고해상도로 목표물을 검출할 수 있는 방법을 제안하고 있음. 다중 수신기로부터 나온 다중 beat frequency를 채널간 적분을 해서 목표물의 거리, 속도, 방향을 탐지 해상도를 높 이는 기술임
Radar system for manmade device detection and discrimination from clutter (US 7830299 B2) 본 특허는 전자적으로 동작하는 부품을 사용하는 기폭 장치 나, UAV와 같은 인간이 만든 전자푸품 기반의 물체를 검출하 는 방법에 관한 특허이다. 레이다송신신호로부터 전자부품을 포함하는 타겟에 반사된 신호는 비선형적인 응답신호를 갖는 다. 반면에 새나 동물과 같은 자연적인 타겟에 반사된 신호는 선형적인 응답신호를 갖는다. 이와 같은 차이 점을 이용하여 UAV나 기폭장치와 같은 위험요소를 내포하는 타겟을 구분 Method and system for activity detection and classification (US 20140266860 A1) 본 특허는 레이다 타겟을 식별하는 방법에 관한 특허로, 레이 다 신호처리에 의해 추출된 레이다 신호로부터 타겟을 트래킹 하고, 트래킹된 정보로부터 타겟을 그룹핑하여, 데이터 베이 스에 저장된 특정 타겟의 특징점 정보를 이용하여 그룹핑된 타겟과 비교 하여 타겟을 구분해내는 방법이다. 이와 같은 방법을 이용 하여 사람 동물 등을 식별 레이더 신호 처리 방법 FMCW RADAR SYSTEM AND
INTERFERENCE RECOGNITION METHOD FOR FMCW RADAR SYSTEMS (US 20130021196 A1)
FMCW레이더 신호에 포함된 다른 레이더의 간섭신호를 제거 하기 위하여 FMCW 송신신호를 변조
Fmcw radar apparatus having plurality of processor cores used for signal processing (US 20120119938 A1)
up, down FMCW 신호를 이용하여 두 번의 FFT를 이용하여 목표물의 거리, 속도를 찾는다. up과 down beat frequency신 호를 병렬 처리
Radar system and target detection method (US 20150198709 A1)
실내에서 사람들을 분리 검출하기 위한 것으로 인체 반사신호 의 도래각을 대략적으로 분석 후 각 도래 방향별로 신호를 분 리하고 분리된 신호들에 대하여 공간적인 위치와 도플러 주파 수를 계산하여 한 사람의 상세한 공간 위치를 결정
Gated FMCW DF radar and signal processing for range/doppler/angle determination (US 5361072 A) 송신 안테나 하나와 수신어레이 안테나와 부호화된 gated FMCW 신호를 이용하여 거리, 도플러, 고도각, 방위각을 찾는 방식, 거리와 도플러는 두 번의 FFT를 이용하여 찾고 고도각 과 방위각은 서로 직교하는 수신 어레이 안테나 신호에서 Direction finding 방식으로 찾음
2. 핵심요소 및 접근방법
<제1세부> ○ 금속-절연체 전이형의 대표적 물질은 바나듐 다이옥사이드 VO2이다. VO2는 67°C에서 온도에 따른 구조상전이와 더불어 급격한 금속-절연체 전이를 일으킨다. 그리고 상온에서 전기장을 인가하는 경 우에도 급격한 금속-절연체 전이가 일어난다. 그러나 VO2 박막제조가 용이하지 않고, 실제 소자로 서 동작시킬 경우, 발열현상을 고려한다면 금속-절연체 전이 온도가 낮으며 이러한 물성으로 인해 상온에서 누설전류가 큼. 따라서 소자의 용도에 적당한 신물질 제조가 반드시 필요함. 이 또한 본 과제의 핵심개발 사항임. ○ 본 과제에서는 VO2 이외에 응용분야에 맞는 신물질을 개발할 예정임. 신물질 탐색에 관해서는 본 연구팀이 기수행한 선행연구에서 이미 신물질의 가능성을 언급하였음. 즉, 제안자의 이론인 Hole-driven MIT 이론에서 에너지 갭(gap)이 2 eV 이하이고, 정공준위(hole level)를 갖는 절연체 혹은 반도체에서 급격한 금속-절연체 전이가 일어난다고 예측하였음. 따라서 과제 수행시, 산화물, 자성체, 비산화물 반도체 재료에서 이런 조건을 갖는 재료를 탐색한 후, 박막 제조와 함께 금속-절 연체 전이 특성을 관측/분석한다. 이어서 응용분야를 고려하여 전자소자, 광소자, 고주파 소자들에 필요한 특성들을 연구함. <제2세부> ○ 레이더 핵심요소 기술 및 전략 -소형무인이동체 탐지용 RF 송수신 구조 기술 및 칩 설계 기술 -실시간 소형무인이동체 탐지 신호처리 SW/HW 플랫폼 기술 -소형무인이동체 탐지에 적합한 안테나 배열 및 빔 조향 기술 -휴대용 소형 AESA기반 레이더 시스템 기술 <기술개발 전략> -2km이상 UAV 탐지하는 레이더 시스템은 국방부에서 시스템 기술로 보유하고 있으며, 장거리인 레이더는 시스템 크기, 전파파워등의 전파규격에 따라 민수용으로 활용할 수 없으므로, 개발하는 레이더 시스템은 소형무인이동체(민간에서 사용하는 소형드론(RCS=0.01m2)의 사생활 침해를 보호하기위한 수단 및 산업분야의 보안시스템으로 레이더 주파수를 허가받은 기관에서 사용할 수 있는 시스템에 초점을 두고 개발 함 . 1km범위에서 접근하는 소형무인이동체(RCS=0.01m2)를 탐지할 수 있는 소형 레이더 핵심 부품 . 단일시스템으로 넓은 방위각 및 고도각을 수용할 수 있는 시스템(AZ:90도, EL:45도 범위) <기술개발 접근방법> - 1단계: 작은 RCS를 갖는 소형무인이동체 탐지를 위한 규격 및 구조 연구 - 2단계: 레이더 RF 및 신호처리 구조 상세 설계를 통해 레이더 핵심 IP 기술 확보 - 3단계: 레이더 RF 및 신호처리 핵심 IP기술로 레이더 시스템 구현 및 통합 검증3. 혁신성과 독창성
○ 혁신성- (MIT기술의 혁신성) 본 과제 제안자(김현탁)는 전 세계적으로 유명한 금속-절연체 전이 이론인 Brinkman-Rice(BR) picture를 이론적으로 확장하는데 성공하였음. 확장된 BR picture를
“Extended BR picture 혹은 Hole driven MIT 이론” 이라고 부름. 이 Hole-driven MIT 이론은 BR picture에서 설명하지 못했던 전하 첨가에 따른 급격한 금속-절연체 전이를 명확하게 설명함. 제안자는 이 확장이론을 이용하여 동경대의 Tokura 그룹과 미국의 IBM 그룹이 밝히지 못한 실험 데이터도 설명하였고, 2002년-현재까지 수행과제에서 전하 첨가에 따른 급격한 MIT를
세계최초로 실험적으로 확인하였음.
- MIT는 박막의 물리적 특성중 특히 결정성 또는 밀도가 우수하여 응용에 유리함. 그래서 본 연구에서는 기 사용하던 PLD (Pulsed Laser Deposition) 등의 물리적 증착법과 병행하여 보다 우수한 특성을 얻을 수 있을 것으로 기대되는 원자층증착법 (Atomic Layer Deposition)과 Reactive Sputter 증착법을 사용하고자 함. 기존의 물리적 박막 성장 기술은 미세한 두께와 조성의 조절이 어렵고, 열적으로 에너지를 가해주는 증착방법의 경우 기판의 온도에 의해서 대부분 결정성 등의 특성이 결정지어짐. - 그러나 원자층증착법의 경우 원자층을 한층씩 쌓아나감으로써 기존의 화학기상증착법에 비해 우수한 특성의 박막을 얻을 수 있는 원자층 증착법을 사용하여, MIT 특성을 가지는 우수한 결정성 박막을 증착하고자 함. 원자층 증착법은 다양한 종류의 precursor를 이용하여 기판 표면에서의 화학적 반응을 이용하여 박막을 증착하는 기술로서, 바나듐산화막 뿐만 아니라 티타늄산화막, 탄탈륨산화막, 지르코늄산화막, 아연산화막 등을 비교적 용이하게 증착할 수 있음. 또한 단일 종류의 산화막 뿐만 아니라 여러 종류의 산화막을 조합하여 새로운 조성의 박막을 제조하는 것이 가능하다. 특히 본 연구에서는 기판 가열 이외에 플라즈마를 도입함으로써 에너지를 추가로 공급하여 보다 결정성이 우수한 박막을 얻을 뿐 만 아니라, in-situ 열처리 방식을 이용하여 결정성을 더욱 개선시키고자 함. 원자층증착법은 증착시간이 길어서 생산성이 다소 미흡할 수 있으나, 대구경 기판을 사용하여 완화할 수 있고, 특히 다른 성장방법으로 얻을 수 없는 고품위 막을 얻을 수 있을 것으로 기대하며, 특히 높은 공정 온도를 사용할 수 없는 기판에 적용하기에 유리한 것으로 평가함. - Reactive Sputter 증착법의 경우 상용화를 대비하여 대구경화가 가장 용이하며, 산화막을 증착하는데 있어서 산소 분압 등을 조절함으로써 조성 조절이 가능하고, plasma 조건에 따라 막의 특성을 적정화할 수 있을 것으로 기대됨. Reactive sputter 증착법으로 증착할 경우 미리 타겟을 일정한 조성을 가지도록 제조한 후 이를 이용하여 박막을 증착하므로, 소재에 대한 분석과 사전 연구가 매우 중요함. 이 기술은 구리산화막, 철산화막, 아연산화막 등의 증착에 유리할 것으로 기대함. 먼저 원자층증착법으로 막을 제조하여 우수한 특성을 확보한 후 이를 대량생산에 보다 적합한 Sputter 증착법에 적용하는 것도 효과적인 방법임. - (레이더 핵심기술의 혁신성) 1)기존 군에서 사용하는 레이더 시스템과 차별화를 두어 민수에서 사용할 수 있는 1km범위의 탐지거리로 제한하고 낮은 cost, 작은 전송power, 소형시스템 구축에 초점 2) 레이더 시스템의 핵심부품을 국산화시켜 부품 기술 경쟁력을 확보 3) 소형 레이더 시스템으로 개발하기 위해 기존의 개별칩 또는 모듈단위의 부품을 한 칩에 집적화하여 소형화를
달성 4)신호처리의 임베디드 플랫폼화 및 최적화를 통해 레이더 시스템의 실시간처리 추구 5) 실용성을 위하여 방위90도 고각45도의 넓은범위를 빠르게 스캔하여 탐지성능을 향상 (스캔 1.3초) ○ 독창성 - 본 과제를 수행할 경우, 제안자는 강상관 전자계의 금속-절연체 전이 현상을 다루는데 국내/외 금속-절연체 전이를 연구하는 그룹과는 관점을 달리하여 연구를 수행할 것임. 특히, 제안자의 Hole-driven MIT 이론을 바탕으로 그동안 본 연구팀이 준비해 온 실험시스템을 적극 활용하여 응용을 넘어서 상용화까지 연구를 확대 수행할 계획임. Hole-driven MIT 이론에 의하면 상변환 등에 의해 MIT가 일어나는 것으로 알려져 있는 여러 물질들 외에 새로운 많은 물질들에서 MIT 현상이 관찰될 것으로 기대되므로 중점적으로 신소재 개발을 수행하고자 함. - Hole-driven MIT 이론에서 제시한 급격한 금속-절연체 전이의 응용분야는 초고속 스위칭 트랜지스터, 차세대 메모리, 차세대 전지, 밀리미터파 통신용 광게이트(Modulator), 홀로그램, 임계온도 센서, Two-color indicator, 전류제어형 inductor, 적외선 검출기, 적외선 광원(MIT Laser), 청색광원, 디스플레이의 백라이트용 백색광, RF 진동자, RF 스위치, 신개념 MMIC, 저발열 파워소자, LED 등 다방면에 걸쳐있는데, 본 과제에서는 신소재 개발, MIT 트랜지스터 개발, 가정용 교류전압 220V 전기시스템 보호용 잡음제거용 소자, 고감도 가시광 센서 (조도센서) 개발 등을 주요 목표로 수행하며, 차후에 시장규모가 엄청날 것으로 예상되는 차세대용 메모리, 초고속 광소자, 신개념 고주파 소자, MIT LED 개발에 우리의 연구력을 집중할 계획임. - 고속(<100km))으로 이동하는 소형무인이동체의 정밀한 움직을 탐지하기 위하여, FMCW 송신신호를 이용한 아주 작은 (RCS=0.01m2)의 물체를 탐지할 수 있으며, AESA 기반 기술을 적용하여 광범위한 탐지영역을 스캔하며 이동체를 정확히 탐지할 수 있는 소형레이더의 핵심부품 및 시스템을 국내기술로 개발
제 2 장 연구개발 목표 및 수행방법
제 1 절 연구개발목표 및 내용
1. 최종목표
구 분 내 용 최종목표 ○MIT-양자 현상규명 및 신개념, MIT 재료 및 스위치, 기초원천기술 및 응
용분야 개발
- Hole-driven MIT 이론 개발 및 강상관 MIT 물질에서 모트 MIT 이론 규명
- Si, 2D 구조 CuO2, XS2 (X: Ta, Ni, W, Mo 등) 재료에서 MIT 현상연구
- MIT 메커니즘 응용소자 연구
○ 소형무인이동체를 전천후 탐지할 수 있는 레이더 RF 송수신 칩 및 신호처리
알고리즘의 핵심원천 기술 확보와 휴대용 레이더 시스템 및 핵심부품 국산화
기술 개발
- 소형무인이동체 탐지 안테나와 빔 제어 기술
- 소형무인이동체 탐지 레이더 RF 송수신 칩 기술
- 소형무인이동체 탐지 신호처리 플랫폼 기술
- 소형 레이더 패키징 모듈 기술과 휴대용 시스템 개발
<소형무인이동체 탐지용 레이더 핵심 부품 및 휴대용레이더 시스템>
세부목표(1) 정성적 세부목표
ㅇ
MIT-양자 현상규명 및 신개념 메카니즘 규명 (물리학 문제)- Hole-driven MIT 이론 개발
- 강상관 MIT 물질에서 모트 MIT 이론 규명
ㅇ
MIT 신소재 및 메카니즘 연구-
Si, 2D 구조 CuO2, XS2 (X: Ta, Ni, W, Mo 등) 재료에서 MIT 현상연구
ㅇ
MIT 소자 및 기술이용 산업용 센서 및 시스템 개발- MIT 메커니즘 이용 센서, 뉴론 소자 및 아날로그 메모리 응용연구
ㅇ 소형무인이동체 탐지 AESA 안테나 및 빔제어 기술
- 소형무인이동체의 탐지를 위한 위상 배열 안테나 개발
- 위상배열 안테나의 최적화를 통한 소형화 구조 개발
ㅇ 소형무인이동물체 탐지 레이더 RF 송수신 칩
- FMCW 레이더 신호 생성기 개발
- 능동 위상 배열을 위한 송수신 Phase Shifter 개발
- 레이더 수신 LNA,수신 Phase Sifter,믹서 및 BBA 개발
ㅇ 소형무인이동물체의 탐지위한 신호처리 알고리즘
- 목표물 정보처리 및 클러스터 제거 신호처리 기술 개발
- 다중 목표물 신호처리 기술 개발
- 작은 RCS를 갖는 이동체 탐지/식별 성능향상 신호처리 기술 개발
ㅇ 소형 레이더 패키징 모듈 기술과 휴대용 시스템 개발
- 위상배열 안테나 및 RF front-end 소형화 모듈 기술 개발
- 방열처리포함 휴대용 레이더 시스템 기술 개발
(2) 정량적 세부목표
목표
세부
o MIT현상규명:
Hole-driven MIT 이론 실험적 검증
o 2D layer 구조 MIT소재
응용성 있는 2D MIT 물질 개발
o 양자점프 Tr. 구현 큐빗, 뉴론
/시냅스 설계/구현
양자점프 Tr. 에 의한 큐빗, 뉴론
/시냅스 구현
o 레이더능동형 주사방식:
AESA(Active Electronically Scanned Array)
o 사용주파수:
X-band ((9.6GHz 중심주파수)
o 최대 탐지 거리 (RCS=0.01m2): > 1km
o 탐지 빔폭/방위각/고도각
15도/90도/45도
o 소모전력:
50W
2. 연차별 연구개발 목표 및 내용
○ 제1세부 : MIT 구 분 목 표 내 용 1차년도 (2018) o MIT-양자 현상규명/국제공동연구 I o MIT 현상 기반 응용기술 개발 I o MIT 소자 및 기술이용 산업화연구 I (연구소 기업 준비) o 산화물/비산화물用 MIT-양자 현상규명 (바나듐계 재료, Si, XS2 등) o 신개념 점프를 이용 소자원천기술 개발 o MIT 소자/CTS를 이용한 응용기술 개발 o MIT 메커니즘에 관한 국제 공동연구 o MIT 센서 국제 전시회 참가 2차년도 (2019) o MIT-양자 현상규명/국제공동연구 II o MIT 현상 기반 응용기술 개발 II o MIT 소자 및 기술이용 산업화 연구 II (연구소 기업 설립) o 산화물/비산화물用 MIT-양자 현상규명 (바나듐계 재료, Si, XS2 등) o 신개념 점프를 이용 소자원천기술 개발 o MIT 소자/CTS를 이용한 응용기술 개발 o MIT 메커니즘에 관한 국제 공동연구 o MIT 응용기술 국제전시회 참가 ○ 제2세부 : 소형무인이동체 탐지레이더구 분
목 표
내 용
1차년도 (2018) 소형무인이동체 탐지위한 레이더 RF송수신 IP 및 신호처리 구조연구 o 레이더 신호처리 및 데이터 처리 핵심 알고리즘 연구 o 레이더 RF 송수신 핵심 IP 설계 o 레퍼런스 레이더 시스템 구조 및 플랫폼 기술개발 2차년도 (2019) 레이더 RF 송수신칩 및 신호처리 개발 및 플랫폼 개발 o 실시간 레이더 신호처리 및 데이터 처리 설계 o 레이더 RF 송수신 다채널 블럭 IP 칩 설계 및 검증 o 휴대용 시스템을 위한 레이더 시스템 통합 플랫폼 기술개발 3차년도 (2020) 휴대용 레이더 시스템 개 발 및 필드테스트 o 레이더 신호처리 및 데이터 처리 최적화 설계와 RF/안테나 빔제어 기술 o 레이더 RF 송수신 통합칩 검증 o 휴대용 레이더 시스템 통합 플랫폼 및 필드 검증3. 당해연도 연구개발 목표 및 내용
가. 연구개발목표
가) 연구개발목표 o MIT-양자 현상규명/국제공동연구 I o MIT 현상 기반 응용기술 개발 I o MIT 소자 및 기술이용 산업화 연구 I o 소형무인이동체 탐지위한 레이더 RF송수신 IP 및 신호처리 구조 개발 나) 연구개발 내용- 산화물 모트 MIT-양자 현상규명: Impurity-induced MIT 이론 및 실험 연구 - 신개념 양자 점프를 이용 소자원천기술 개발
- MIT 소자/CTS를 이용한 응용기술 개발: VO2.3 초록광 센서연구 - 정온식 단독형 MIT 화재 감지기 기술개발 형식승인 기준 만족 - MIT 센서 이용 연기감지기
- MIT 메커니즘에 관한 국제 공동연구
- MIT 센서 국제전시회 참가 (산호세 Sensor Expo) - 초록광, 단독형 MIT 감지기 기술이전 (연구소 기업) - 레이더 신호처리 및 데이터 처리 핵심 알고리즘 연구 . 1km 탐지위한 신호처리 설계 및 작은 RCS 구별위한 알고리즘 연구 - 레이더 RF 송수신 핵심 IP 설계 . TX: FMCW생성기, Phase Shifter IP 설계 . RX: LNA, 및 믹서, BBA IP 설계 - 레퍼런스 레이더 시스템 구조 및 플랫폼 기술개발 . 상용부품 활용한 레이더 시스템 규격 및 구조 검증위한 시스템 개발
