중국, 레이더 전파를 항공기 전력으로 변환하는 '스마트 표면' 기술 공개

적의 빔을 기내 전력으로 전환하기

시안(Xi’an)의 한 실험실에서 Xidian University 연구진은 레이더 에코를 조작하는 동시에, 다른 작동 모드에서는 무선 에너지를 수집하여 입사되는 레이더 빔을 가용 전력으로 효과적으로 전환할 수 있는 얇고 재구성 가능한 메타표면 설계를 발표했습니다. 2025년 11월 3일 National Science Review에 게재된 이 논문은 개별 메타 원자(meta-atom)가 방사 패치, 3-dB 커플러 및 스위칭 가능한 다이오드를 결합하여 방사, 산란 또는 에너지 하베스팅 모드를 선택할 수 있는 "올인원 방사-산란 재구성 가능 지능형 메타표면(all‑in‑one radiation‑scattering reconfigurable intelligent metasurface)"에 대해 설명합니다.

올인원 재구성 가능 메타표면

핵심 아이디어는 의외로 간단합니다. 표면을 반사형(레이더로부터 은폐) 또는 투과형(통신용) 중 하나로 취급하는 대신, Xidian 팀은 전자적으로 재구성이 가능한 단일 프로그래밍 가능 층을 구축했습니다. 프로토타입의 각 메타 원자에는 작은 방사 패치와 PIN 다이오드 또는 버랙터(varactor)가 장착된 커플러가 포함되어 있습니다. 다이오드 상태를 변경함으로써 표면은 제어된 방사 패턴 생성(위상 배열 송신에 유용), 입사파를 산란시켜 원하는 에코 생성, 또는 에너지를 무선 에너지 하베스팅을 위한 정류기로 보낼 수 있도록 경로를 차단하는 모드 사이를 전환합니다. 저자들은 논문에서 12×12 배열을 시연하여 통신 및 하베스팅 모드 모두에서 개념 증명 성능을 보여주었습니다.

레이더가 전력과 통신 채널이 되는 과정

에너지 하베스팅 모드에서 메타표면은 렉테나(rectenna) 배열처럼 작동합니다. 입사되는 전자기 에너지를 가로채고, 패치에 유도된 교류를 정류하여 기내 시스템에 직류를 공급하거나 배터리를 충전합니다. National Science Review 기사는 이 설계가 무선 정보 전송 및 에너지 하베스팅(WEH)을 어떻게 통합하는지 명시적으로 설명하며, 표면이 다른 상태에서 제어 가능한 산란체로 기능하면서도 입사 파형의 일부를 수집 및 정류할 수 있음을 확인하는 실험실 측정 결과를 보고합니다. 이러한 이중성, 즉 감지, 통신 및 WEH의 동시 또는 전환 가능한 수행은 저자들이 "전자기 협력 스텔스(electromagnetic cooperative stealth)"라고 부르는 하드웨어 기반이 됩니다.

스텔스 및 6G에서 이것이 중요한 이유

여기서 관건은 오랜 기간 지속된 트레이드오프(trade-off)의 개념적 반전입니다. 스텔스 항공기는 적의 레이더 에너지가 기체를 노출시킬 뿐만 아니라 내부 시스템을 압도할 수 있기 때문에 이를 피하도록 설계되어 왔습니다. 만약 표면이 그 에너지의 일부를 캡처하여 센서, 통신 중계기 또는 소형 액추에이터와 같은 저에너지 페이로드를 구동하는 데 사용할 수 있다면, 공격자의 방사 에너지는 갑자기 위험 요소가 아닌 자원이 됩니다. 이 연구를 다룬 기자들은 이 아이디어가 전자전의 양상을 재편할 수 있으며, 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이 커버리지와 주파수 효율성을 개선하기 위해 이미 탐구되고 있는 차세대 6G 하드웨어에도 기여할 수 있다고 주장합니다.

실험실 결과 대 실제 비행 환경의 현실

극적인 헤드라인에도 불구하고, Xidian의 논문과 후속 보도들은 탁상 위의 시연과 실제 전투기 통합 사이의 격차를 주의 깊게 언급하고 있습니다. 연구진이 사용한 프로토타입 배열은 실험실 규모의 12×12 소자 표면입니다. 이를 평방미터 단위의 형상 적응형(conformal) 항공기 외피로 확장하고, 고온, 공기역학적 변형 및 유지보수 주기를 견디면서 무게, 신뢰성 및 스텔스 특성을 수용 가능한 수준으로 유지하는 것은 일련의 엔지니어링 과제를 제시합니다. 작전 이격 거리에서 레이더 방사로부터 얻을 수 있는 에너지 밀도는 낮습니다. 수집된 전력은 거리에 따라 급격히 감소하며 방출기의 주파수, 빔 포커스 및 듀티 사이클(duty cycle)에 따라 달라집니다. 저자들은 즉시 비행 가능한 동력 시스템이 아니라 프레임워크와 하드웨어 빌딩 블록을 제시한 것입니다.

실질적인 제약과 전술적 절충

두 가지 즉각적인 기술적 현실이 단기적인 위협 수준을 완화합니다. 첫째, 렉테나의 전력 변환 효율은 주파수와 입력 전력에 크게 의존합니다. 입사 전력이 약하거나 간헐적일 때, 정류기와 매칭 네트워크는 크고 무거운 캡처 영역 없이는 유용한 직류(DC)를 전달하는 데 어려움을 겪습니다. 둘째, 산란 및 방사 동작을 능동적으로 조작하면 대레이더 시스템이 악용할 수 있는 신호(signature)가 생성될 위험이 있습니다. 부적절하게 송신 지향 상태로 전환하면 항공기의 존재나 방향이 탄로 날 수 있습니다. 한마디로, 적의 레이더를 활용하려면 정교한 제어 로직과 상대의 탐지 및 기만(spoofing)에 대한 강력한 대응책이 필요합니다. 이러한 절충안은 은폐, 활용 및 통신의 균형을 맞추려는 모든 시스템에 내재된 특성입니다.

중국의 광범위한 연구 추진에서의 위치

Xidian의 이번 연구는 전자전 및 스텔스 기술에 관한 중국의 여러 병렬 연구 흐름 속에서 등장했습니다. 최근 보고서들은 플라스마 기반 스텔스, 초박형 레이더 흡수 도료, 양자 레이더 개념에 적합한 단일 광자 검출기 등을 연구하는 중국 팀들을 조명해 왔으며, 이들 각각은 서로 다른 방식으로 은폐와 감지 사이의 균형을 바꾸는 것을 목표로 합니다. 이러한 프로젝트들은 탐지 가능성을 줄이는 스텔스 기술과 상대의 스텔스를 무력화하는 새로운 감지 및 역감지 도구라는 레이더 문제의 양면을 모두 마스터하려는 광범위한 전략적 노력을 보여줍니다. 메타표면 개념은 감지, 통신 및 전력을 별개의 하위 시스템으로 취급하는 대신 단일 표면에 통합하려 한다는 점에서 독특합니다.

정책 및 조달에 미치는 영향

국방 정책 관점에서 이 논문은 전자전 및 무선 주파수(RF) 연구가 왜 지속적인 관심과 자금 지원을 받아야 하는지를 강조합니다. 만약 적군이 레이더에서 기회주의적으로 에너지를 수집할 수 있는 메타표면을 배치한다면, 교리(doctrine)와 전술은 적응해야 할 것입니다. 센서는 무해한 반사 신호와 방출 에너지를 능동적으로 활용하는 적의 표면을 구별해야 하며, 방출 제어(EMCON)에 대한 교전 규칙이 변경될 수 있습니다. 조달 측면에서 항공기 통합 업체들은 재구성 가능한 외피를 내장하여 통신 및 에너지 이점을 얻을 것인지 검토하겠지만, 이는 엄격한 신뢰성, 신호 특성 및 생존성 요구 사항을 충족하는 경우에만 가능할 것입니다. 이러한 평가는 RF 공학, 재료 과학, 열 관리 및 시스템 수준의 안전 분석을 결합한 길고 다학제적인 과정이 될 것입니다.

향후 단계 및 연구 전망

Xidian 팀은 논문에서 몇 가지 후속 방향을 제시합니다. 더 큰 배열, 더 강력한 제어를 위한 상변화 물질(phase-change materials)과의 통합, 원치 않는 격자 로브(grating lobes)를 억제하기 위한 안테나 물리학과 전자 제어층의 더욱 긴밀한 공동 설계 등입니다. 독립적인 검증과 비행 시연은 업계와 국방 관측통들이 주시할 다음 단계의 어려운 이정표가 될 것입니다. 그때까지 이 연구는 즉각적인 전장 능력이라기보다 새로운 가능성 세트를 제시하는 중요하고 신뢰할 수 있는 실험실 수준의 진전으로 읽혀야 합니다.

출처

• National Science Review (연구 논문: "Electromagnetic all‑in‑one radiation‑scattering reconfigurable intelligent metasurface")
• Xidian University (교육부 고속 회로 설계 및 EMC 핵심 실험실)
• South China Morning Post (중국 스마트 표면 및 관련 전자전 개발 보도)