차세대 플라스마 안테나의 군사적 활용

차세대 플라스마 안테나의 군사적 활용

김성한 육군정보학교 편성무기체계연구담당 서기관

1. 들어가며

가. 전자기스펙트럼 작전과 안테나

「그림 1」 전자기스펙트럼 영역별 군사적 활용 현황

인류 과학기술 발전의 역사에는 항상 군사적 발전이 함께했다. 이는 단순히 기존에 이용되던 무기가 더욱 고도화 되는 것뿐만이 아닌, 전혀 새로운 전장이 등장하는 시발점이 되기도 하였다. 선박 기술이 발전함에 따라 해상전이 대두되었고, 항공 기술이 발전함에 따라 공중전이 대두되었다. 무선통신․컴퓨터 기술이 발전함에 따라 전자기전과 사이버전이 대두되었고, 우주 기술이 발전함에 따라 우주 또한 새로운 전장영역으로 이미 떠올라 우주력 건설과 우주전 능력 확보를 위해 박차를 가하고 있다. 이러한 영역들은 전술·전략이 발전함에 따라 점차 유기적으로 연결되어 왔으며, 현대전에 들어 이들 모두를 포괄하는 다영역 작전의 양상을 보이게 되었다. 

이러한 환경 속에서 고도화된 연결성은 군사 과학기술과 무기체계의 발전을 주도하면서 전자기스펙트럼 작전의 개념과 중요성이 대두되기 시작했다. 이에 따라, 전자기스펙트럼 작전의 수행방안과 작전수행 능력 확보를 위한 각종 기술 및 무기체계 개발은 최근 가장 주목받는 분야 중 하나로 대두 되었다. 

이러한 맥락에서 단순히 통신장비의 부속품으로 여겨지던 안테나는 다양한 무기체계에서 매우 핵심적인 역할을 하는 장비로 그 위상이 변화되었다. 안테나는 무기체계를 전자기스펙트럼 영역으로 이어주는 통로와 같은 역할을 하며, 안테나의 특성과 성능에 따라 무기체계가 전자기스펙트럼 작전에서 제 능력을 발휘할 수 있는 역량도 크게 변화하게 되었다. 

과거부터 안테나 기술은 진화적으로 발전하여 「그림 2」와 같이 가장 단순한 형태의 모노폴 안테나에서부터 초고가의 위상배열 안테나에 이르기까지 매우 다양한 안테나들이 이용되고 있다. 이처럼 수 없이 많은 안테나 종류만큼 안테나가 이용되는 목적도 다양하며 요구되는 성능 또한 다양하다. 더욱 고도화된 안테나의 수요는 계속해서 증가하고 있으며 아직도 안테나에 관련된 다양한 연구가 진행되고 있다.

「그림 2」 모노폴 안테나를 부착한 무전기, 위상배열 안테나

나. 도체 기반 안테나의 한계

현재 널리 사용되고 있는 모든 안테나는 도체 재료를 기반으로 제작되었다. 도체가 안테나로 기능할 수 있는 이유는 내부의 풍부한 자유전자 때문이다. 전자는 전하를 보유하고 있어 도체에 가해지는 전기력에 의해 움직일 수 있고, 전하가 가속하면 전자기파를 방출하기 때문에 도체에 일정 주기로 방향이 반대인 전기력을 가해 전자기파를 방출시킬 수 있다. 이와는 반대로, 외부의 전자기파가 도체로 입사할 경우 도체의 전자는 전자기파로써 주파수로 진동하게 된다. 도체 내부에서 전자가 진동하는 것은 도체 내부에 교류 전류가 흐르는 것이고 이러한 교류 전류를 측정하여 전자기파 신호를 분석할 수 있다. 이것이 각각 도체가 안테나로서 전자기파를 송·수신하는 과정이다.

이처럼 도체는 안테나로서 기능할 수 있지만 한계점도 존재한다. 단순한 도체 막대기 하나는 방출하거나 받아들이는 전자기파에 방향성이 없어 신호 세기의 손실이 있으며 막대기의 길이에 상응하는 특정 주파수 범위에서만 안테나로 기능할 수 있다. 이처럼 막대기 형태의 모노폴 안테나를 사용하는 무전기는 성능 향상을 위해 가변 콘덴서나 코일 등을 추가로 내장하고 있다.더욱 복잡한 기능을 수행하는 고성능의 안테나는 이보다 훨씬 복잡한 장비 구성이 필요하다. 신호를 민감하게 검출하기 위해 접시 모양의 반사판을 부착하거나, 지향성을 확보하기 위해 다수 안테나를 배열하고 넓은 주파수 대역에서 기능하기 위해 다양한 크기의 안테나를 함께 사용하며 복잡한 신호처리 회로와 기계적 구동부가 추가되기도 한다. 이러한 안테나들은 고성능이지만, 크기가 크고 무겁다는 한계가 있다. 

이러한 한계로 인해 소형 드론, 휴대용 재머, 웨어러블 디바이스 등 현대전에 필요한 각종 무기체계에 적용하기에는 제한이 따를 수 밖에 없는 바, 제한사항을 극복하고 안테나의 성능 한계를 개선할 수 있다면 전자기스펙트럼 작전수행 능력 또한 크게 향상될 것이다.

다. 플라스마 안테나의 개념

도체 기반 안테나의 한계는 대부분 안테나의 형상에서 나타나는데 안테나의 형상이 안테나의 특성과 성능에 직접 관여하기 때문이다. 만약 도체가 형상 변경이 자유로운 물질이었다면 도체 기반 안테나 형태를 자유롭고도 간단하게 재구성하여 다양한 기능 구현이 가능한 안테나를 사용할 수 있었을 것이다.

도체는 고체이기 때문에 자유롭고 간단하게 형상을 재구성 하는 것이 불가능하나, 도체 고유의 특성을 보유하면서도 형상 재구성이 용이한 물질을 사용한다면 문제는 해결 가능한데 이것이 바로 플라스마이다.

「그림 3」 물질의 4가지 상태

물질에 충분한 열 혹은 전기력을 가해주면 「그림 3」과 같이 전자와 원자핵이 분리된 플라스마(Plasma) 상태가 된다. 언뜻 기체와 비슷해 보이는 플라스마 상태의 가장 큰 특징은 물질 전체가 전하를 띠고 있다는 점이다. 플라스마는 이온화 기체 즉 전하의 구름처럼 생각할 수 있으며, 풍부한 전하를 가졌다는 점에서 도체와 비슷한 성질을 가진다. 따라서, 플라스마는 특정 상황에서 도체를 대체할 수 있는데 이러한 특성을 이용하여 기존 도체 기반 안테나를 플라스마 기반으로 구현하려는 아이디어가 제시되었다.

플라스마 기술은 도전적인 분야였기 때문에 20세기 후반에 연구를 시작한 미국을 제외하고 대부분의 국가에서는 21세기에 들어서야 비로소 연구가 시작되었고 현재는 ‘반도체형’과 ‘이온화 기체형’ 두 가지 분야로 나뉘어 연구 및 개발이 진행되고 있다. 

2. 반도체형 플라스마 안테나

가. 반도체 소자와 PIN 다이오드

반도체형 플라스마 안테나는 반도체 내부에 플라스마층을 형성하여 이를 안테나로 이용하는 기술인 바, 반도체형 플라스마 안테나에 대한 설명을 위해서는 반도체 소자에 대한 소개가 선행 되어야 한다. 

「그림 4」 PIN 다이오드 개념도

반도체는 기본적으로 세 가지로 분류된다. 아무런 처리 없는 중성 상태의 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor), 내부에 전자가 풍부해지도록 처리한 n형 반도체(n-Type Semiconductor), 내부에 정공이 풍부해지도록 처리한 p형 반도체(p-Type Semiconductor)가 있으며, 세 종류의 반도체를 다양한 방식으로 조합해 각종 반도체 소자들을 만들어낼 수 있다. 「그림 4」의 반도체 소자는 p형 반도체와 n형 반도체의 사이에 두꺼운 진성 반도체가 위치하는 것으로, 그 형태에서 명칭을 착안해 PIN 다이오드(PIN Diode)라고 불린다. 

PIN 다이오드에 「그림 4」와 같이 전압을 가해줄 경우, p형 반도체와 n형 반도체에서 각각 정공과 전자를 진성 반도체로 주입하게 된다. 이러한 상태의 진성 반도체 내부에는 풍부한 전하가 자리 잡고 이 전하들은 내부에서 기체처럼 움직이는데 이러한 전하들을 ‘반도체 플라스마’라고 하며, 이러한 특성으로 인해 반도체 플라스마는 도체 내부에 존재하는 전자처럼 안테나의 요소로 응용될 수 있다.

나. 반도체형 플라스마 안테나

「그림 5」 반도체형 플라스마 안테나 개념도

PIN 다이오드(플라스마 셀)를 작은 크기로 반도체 기판 위에 구현할 경우 「그림 5」와 같이 PIN 다이오드의 배열을 만들 수 있다. 이때 원하는 위치의 소자에만 선택적으로 전압을 가해줄 경우, 「그림 5」의 노란색 부분으로 표현된 것처럼 반도체 기판상에 의도된 모양의 플라스마 영역을 형성할 수 있다. 이와 같은 플라스마 영역은 도체처럼 작동하여 안테나의 기능을 수행할 수 있으므로 PIN 다이오드 소자의 배열은 곧 자유롭게 모양을 변경할 수 있는 안테나와 같은 역할을 하게 된다. 

반도체형 플라스마 안테나는 기존 고가의 위상배열 안테나 대비 저비용, 소형화, 고효율 등의 장점으로 인해 다양하고 도전적인 연구가 진행되고 있다. 해외의 경우 영국의 Plasma Antennas 社에서 4건 이상의 특허를 등록하였으며, 미국의 Sarnoff Corporation 社 또한 3건의 특허를 등록하고 관련 논문을 국제저널에 발표하는 등 연구 성과를 거양하고 있으며,  국내에서도 한국전자통신연구원(ETRI) 주도로 한국과학기술원(KAIST), 세종대학교 등이 참여한 개발 사업이 진행된 바 있어, 이를 바탕으로 새로운 생산공정 기술을 확보하고 시제품을 제작하는 등의 성과를 달성했다.

「그림 6」 Plasma Antennas 社의 반도체 플라스마 안테나 형상

다. 군사적 활용방안

반도체형 플라스마 안테나 기술은 기존 반도체 공정 기술을 응용하여 제작하기 때문에 경제적이고 효율적인 생산이 가능함은 물론 현존하는 첨단 안테나인 위상배열 레이더 대비 소형화·경량화·고성능화 또한 가능한 바, 이러한 장점을 군사적으로 활용하기 위한 방안은 다음과 같다.

  1) 통신 분야

기본적으로 안테나를 재구성할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 본 기술이 적용된 장비는 반도체 플라스마 영역을 원하는 형태로 변형함에 따라 주파수, 방향, 대역폭, 이득, 빔 폭 등의 안테나 특성을 원하는 만큼 조절할 수 있다. 특히, 항재밍과 보안 기능에 필요한 주파수 호핑 기술은 넓은 주파수 대역에서 통신 주파수를 정해진 함수에 따라 변형하는 기술로 반도체 기판의 제어부에서 호핑 함수를 받아들이기 때문에 기존 호핑기술 대비 주파수 변형 소요시간을 단축할 수 있다. 

단일 안테나만으로도 이러한 효과를 얻을 수 있어 재밍 위협에 노출되어 있거나 광대역 통신이 요구되는 통신장비에 적용한다면 상당히 효과적일 것으로 예상된다.

또한, 반도체형 플라스마 안테나 기술은 대량의 안테나를 이용하여 통신 간에 발생하는 간섭과 노이즈를 제거하고 작은 신호로도 통신을 가능하게 하는 기술인 Massive MIMO(Multi-Input Multi-Output) 기술을 효과적으로 구현할 수 있다. 안테나로 기능하는 반도체 기판을 겹쳐서 쌓아 올리기 때문에 빔 형성이 가능한 대량의 송·수신부를 간단하게 구현할 수 있어 험준한 산악 등 난청 지역에서 통신환경 개선도 가능하다. 

  2) 센서 분야

반도체형 플라스마 안테나는 위상배열 안테나 대비 저비용으로 제작 가능하여 위상배열 안테나를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 소형·경량화를 통해 고성능인 위상배열 안테나와 동일한 성능 구현이 가능한 안테나를 더 많은 플랫폼에 적용할 수 있다. 이는 합성개구레이더, 위상배열 레이더와 같이 성능은 우수하지만 비싸고 무거워 활용성이 낮다는 단점을 보완할 수 있는 획기적인 대안 중 하나라는 것을 의미한다. 

  3) 전자기전 분야

전자기전 분야 중에서도 전자공격에서는 빔 형성 및 지향성 확보가 필수적인 기술이기에 반도체형 플라스마 안테나 기술을 통해 소형·경량화된 전자공격 장비를 저비용으로 제작할 수 있다. 이외에도, 반도체형 플라스마 안테나를 적용할 경우 항재밍 기술이나 적 레이더 파형을 분석해 기만 표적 신호를 생성하는 DRFM(Digital Radio Frequency Memory) 기술 등 전자기전 분야에서 많은 활용이 기대된다. 

3. 이온화 기체형 플라스마 안테나

이온화 기체형 플라스마 안테나는 가스를 봉입한 관을 안테나로 사용하는 기술이다. 기체 플라스마를 사용하기 때문에 2절에서 설명한 반도체형 플라스마 안테나와는 작동 원리에 차이가 있으며 이 차이로 인해 장·단점 또한 다르게 나타난다. 그렇기에 본 기술은 반도체형 플라스마 안테나와 서로 상호 보완적인 역할을 하게 될 것으로 예상된다.(양 기술의 비교는 결론에서 기술)

이온화 기체형 플라스마 안테나 기술은 플라스마의 중요한 특성인 플라스마 주파수를 조절하는 것이 핵심으로, 기체 플라스마의 특성과 플라스마 주파수의 개념을 간단히 소개한 후에 이온화 기체형 플라스마 안테나 기술과 그 군사적 활용에 대해 기술하고자 한다.

가. 기체 플라스마와 플라스마 주파수

「그림 7」 플라스마 밀도에 따른 통신 가능 주파수 대역

기체 플라스마는 전도성 기체로 도체와 비슷하게 풍부한 전하를 가진다. 그러나 기체 플라스마가 도체와 완전히 동일한 물리적 특성을 갖지는 않기 때문에 기체 플라스마를 안테나로 활용하기 위해서는 전자기파에 대한 상호작용 특성을 고려해야 한다. 플라스마를 구성하는 전하가 공간상에 얼마나 밀집되어 있는지를 플라스마 밀도라는 수치로 표현하며, 이 밀도에 비례해서 플라스마 주파수라는 고유의 특성값이 결정된다.

플라스마 주파수는 플라스마와 상호작용 하게 될 일반 전자기파의 주파수와 비교되어 결정된다. 즉, 플라스마 주파수가 일반 전자기파의 주파수보다 클 때 플라스마는 전자기파와 상호작용 하면서 안테나로 기능하게 된다. 반대로 플라스마 주파수가 전자기파의 주파수보다 작을 때 일반 전자기파는 플라스마와 상호작용 하지 않고 통과하게 된다. 주의할 점은, 플라스마 내부에 상호작용이 있는 상황에서 일반 전자기파가 흡수되거나 반사되는 조건은 단순히 플라스마 주파수와 일반 전자기파의 주파수를 비교하여 결정되는 것이 아닌, 많은 실험과 계산을 병행해 도출한다는 것이다.

나. 이온화 기체형 플라스마 안테나

「그림 8」 이온화 기체형 플라스마 안테나 개념도, 실물 시제품(이탈리아)

이온화 기체형 플라스마 안테나는 「그림 8」과 같이 전기신호를 주고받는 급전부와 송·수신부 역할을 하는 플라스마 관으로 이루어져 있다. 관 내부에는 가스가 봉입되어 있으며, 이 관에 전압을 가해 가스를 플라스마 상태로 바꿀 수 있도록 구성되어 있다. 이때 가해주는 전압의 세기가 강해질수록 플라스마 밀도가 높아지며 플라스마 주파수 또한 높아진다. 이처럼 이온화 기체형 플라스마 안테나는 반도체형 플라스마 안테나와는 다르게 형태가 아닌 플라스마의 성질을 통해 안테나 특성을 나타내는데 「그림 9」와 같이 관과 급전부를 더 복잡하게 구성할 경우 가해주는 전압의 특성을 조절하여 방향, 대역폭, 이득, 빔 폭 등의 안테나 특성 또한 조절할 수 있다. 특히, 각 안테나를 구성하는 요소들은 플라스마 주파수에 따라 상호작용 특성을 조절할 수 있으므로 저주파 대역 안테나 내부에 더 높은 고주파 대역 안테나를 융합한 중첩 안테나 등 기존 안테나로는 서로의 간섭 때문에 구현할 수 없었던 특수한 형태의 안테나 구성이 가능하다. 

「그림 9」 미 해군연구소의 방전관 배열 안테나 시제품, 중첩 안테나 개념도

이온화 기체형 플라스마 안테나는 대부분 상업용 보다는 군사용 안테나 혹은 위성용 안테나와 같이 특수 목적 안테나 대체를 목표로 연구되고 있다. 특히, 미국의 경우 해군 연구소를 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며, Lockheed Martin 社와 항공기용 플라스마 안테나 기술 개발을 위한 공동 연구 협약을 맺기도 하였다. 유럽의 경우에도 이탈리아의 Alma Systemi SRL 社를 중심으로 유럽 연합의 산·학·연 7개 기관이 참여해 이온화 기체형 플라스마 안테나 기술을 개발하고 있다. 이처럼 이온화 기체형 플라스마 안테나 연구 및 개발은 단일 기업 혹은 기관에서 수행 하기보다는 정부 주도의 프로젝트를 통해 추진되는 양상이 두드러진다. 

국내의 경우 반도체형 플라스마 안테나와는 대조적으로 직접적인 연구가 추진된 바가 거의 없으며, 한국원자력연구원(KAERI)에서 2019년부터 이온화 기체형 플라스마 안테나 개발 사업을 위한 사전 조사 차원의 연구를 시행하여 향후 5∼10년 이내에 플라스마 안테나가 상용화될 가능성이 크다고 평가하며 후속 연구를 기획하고 있음을 밝혔을 뿐이다.

다. 군사적 활용방안

플라스마 주파수의 특성을 활용하기 때문에 이온화 기체형 플라스마 안테나는 은밀성과 항재밍 능력을 확보할 수 있다. 운용 중 플라스마 주파수를 적 레이더 주파수 보다 낮추면 적 레이더에 탐지되지 않으며 안테나의 전원을 차단(Off)하면 EMP(Electromagnetic Pulse) 무기의 전방위적 공격에도 피해가 없다. 이에 더해, 광대역 폭에서 주파수를 바꿔가며 운용할 수 있기 때문에 물리적으로 직접적인 타격을 받지 않는 한 정상적인 임무수행이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 이온화 기체형 플라스마 안테나는 다른 목적 보다는 군사적으로 활용되었을 때 큰 장점을 보일 것으로 평가받는다.

  1) 공중 자산용 안테나

도체 물질을 활용해 전자기파를 송·수신해야 하는 기존 안테나의 특성상 안테나의 RCS(Radar Cross Section) 값은 클 수밖에 없었으나, 플라스마 안테나는 플라스마 주파수보다 높은 주파수의 레이더에 대해 플라스마 관의 아주 낮은 RCS 값만 남기 때문에 기본적으로 RCS 값이 작으며, 레이더의 탐지성능이 고도화 되면 될수록 레이더 안테나가 보이는 RCS 값 또한 상승하기 때문에 이는 무시할 수 없는 취약 요소인 바, 이온화 기체형 플라스마 안테나로 대체함으로써 적 레이더에 의한 공중자산의 피탐 위험을 현격히 저하시킬 수 있을 것이다.

또한, 플라스마 주파수를 낮추는 것으로 적의 전자공격 신호(EMP 신호 포함)와 상호작용 하지 않고 투과시킬 수 있으므로 공중자산의 전자기적 방어 능력 향상이 가능하며 광대역 통신이 가능한 장점을 활용하여 통신의 보안성 향상도 기대해 볼 수 있다.

  2) 전자기전 분야

ES 및 EA 장비는 적과 근접할수록, 출력과 민감도가 높을수록 효과적인 임무 수행이 가능하다. 그러나, 이는 적에게 탐지될 피탐 위협을 높혀 결국 적의 전자공격에 취약할 수 밖에 없게 된다. 이온화 기체형 플라스마 안테나는 피탐에 대한 저항성을 보유하고 있기 때문에 적에게 탐지되지 않으면서도 더욱 근접하여 고출력의 전자공격과 민감도 높은 신호첩보 수집이 가능하다.

또한, 광대역 특성을 통해 폭 넓은 주파수 대역에 걸친 전자기전 임무 수행은 다양한 전장상황에서 큰 장점으로 작용할 것이다.

4. 맺은말

지금까지 반도체형 플라스마 안테나와 이온화 기체형 플라스마 안테나 기술을 소개하고 군사적 활용방안을 제시해 보았다. 

정리하자면, 반도체형 플라스마 안테나는 기존 반도체 기술을 활용하여 경제적으로 유리한 다기능 안테나를 구현할 수 있는 기술이며, 이온화 기체형 플라스마 안테나는 플라스마의 성질을 이용하여 다기능 안테나를 구현하는 동시에 전자기전에서 큰 장점을 확보할 수 있는 기술이다. 이러한 플라스마 안테나는 현용 도체 기반 안테나를 대체할 차세대 안테나 기술로 평가되며 전자기스펙트럼 작전에서도 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다.

더불어 본 기술을 적용하는 데 있어 가장 큰 장점은 현재 우리군에서 사용중인 안테나들과 완벽히 호환 가능하다는 점이다. 플라스마 안테나 기술을 적용하기 위해 전체 체계를 일괄적으로 교체할 필요가 없으며 점진적으로 적용해 나가도 체계 운용에는 문제가 없다.

이는 기존 체계에서 새로운 체계로 넘어가는 과도기 과정에 반드시 나타나게 되는 혼란 상태 혹은 공백 상태 없이 추진 가능하다는 점에서 국방 분야에 적용하기 더할 나위 없는 장점이다.

그러나, 각 기술은 「표 1」과 같이 그 특징과 한계가 뚜렷하게 구분되기에, 이를 고려하여 분명한 목적과 방향성을 설정하고 섬세한 연구와 개발이 추진된다면 미래 전장에서 우리 군 전투력 향상에 크게 기여할 수 있을 것이다.

「표 1」 플라스마 안테나 종류별 특징 비교