RF 어플리케이션을 위한 액정 및 반도체 소자 기반 전자적으로 재구성 가능한 메타표면 기술 = Electronically Reconfigurable Metasurface Technology Based on Liquid Crystals and Semiconductor Components for RF Applications

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 액정과 반도체 소자를 활용한 전자적으로 재구성 가능한 메타표면 기술을 제안 및 소개한다. 메타표면은 전자기파에 대한 비정상적인 응답을 구현하기 위해 인위적으로 설계된 메타물질의 개념이 진화한 형태로 볼 수 있으며, 기존 3차원 구조인 메타물질이 가지는 두께, 손실, 제작 난이도 등의 한계를 극복하고자 제안된 2차원적 구조이다. 메타물질은 일반적으로 전파의 파장보다 작은 구조물들을 주기적으로 배열하여 전체 구조가 특정한 전자기 응답을 갖도록 구성되는데, 메타표면은 이 중 2차원적인 배열과 매우 얇은 두께를 통해 전자기파의 위상, 진폭, 편파 등의 특성을 제어할 수 있는 특수 표면을 지칭한다. 이러한 메타표면은 서브파장 단위의 단위 셀로 구성되며, 각 단위 셀은 입사파에 대해 국소적인 위상 응답을 갖도록 설계되어 있어 전체적으로는 전파의 경로, 세기, 편광 상태 등을 자유롭게 조작할 수 있다. 따라서 메타표면은 마치 전자기파에 작용하는 '인공 경계 조건'을 부여하는 역할을 하며, 입사파의 반사 방향, 굴절 방향, 통과 조건을 재정의할 수 있다.
메타표면의 이러한 기능은 렌즈, 위상 조절기, 편광 변환기, 파장 변환기 등의 다양한 전자기 소자를 평면 구조로 구현할 수 있는 기반이 되며, 특히 통신 및 센서 분야에서 메타표면은 공간 자원 활용도를 극대화하고 시스템의 전체 성능을 향상시키는 데 유리한 특성을 제공한다. 이로 인해 메타표면은 전자기학 및 광학, 나아가 RF와 THz 대역에 이르기까지 광범위한 주파수 영역에서 응용 가능성을 인정받고 있다. 특히 RF 대역에서는 비교적 큰 구조물들이 허용되기 때문에 다양한 설계 자유도와 구조적 실험이 가능하고, 동시에 고효율의 통신 시스템을 설계하는 데 실질적인 성과를 기대할 수 있다.
대표적인 RF 응용 사례로는 반사형 메타표면을 이용한 반사 배열 안테나, 투과형 메타표면을 이용한 투과 배열 안테나동적으로 전자기 응답을 제어할 수 있는 RIS, 특정 주파수만을 선택적으로 투과시키는 주파수 선택 표면, 레이더 반사면적을 감소시키기 위한 스텔스용 흡수형 메타표면 설계 등이 있다. 이러한 응용 사례는 각기 다른 기능을 필요로 하지만, 공통적으로 입사 전자기파에 대한 국소적 응답을 조정하여 전체 파면을 제어한다는 메타표면의 본질적 원리를 기반으로 한다. 또한 메타표면 설계에서는 각 단위 셀의 구조를 등가 회로 모델로 환산하고, 이를 통해 표면 전체의 임피던스 또는 전도도 분포를 제어하는 방식이 널리 활용된다. 이러한 방식은 물리적 직관성과 수치 해석 효율성을 동시에 확보할 수 있으며, 실제 안테나, 필터, 반사 구조물 등 다양한 시스템 설계에 적용 가능하다.
본 논문에서는 메타표면의 다양한 응용 중 특히 통신 인프라 분야에서 최근 주목받고 있는 RIS의 구현과 성능 검증에 초점을 맞춘다. RIS는 전파의 직접적인 경로가 확보되지 않는 NLOS 환경에서 기지국과 사용자 단말기 간의 통신을 가능하게 하는 능동적 반사면으로 활용된다. 예를 들어, 도심지 환경에서는 고층 건물이나 수목 등에 의해 직선 경로로의 신호 전달이 어렵고, 이에 따라 통신 품질이 크게 저하되는 경우가 빈번하다. 이러한 상황을 해결하기 위해 기존에는 중계기나 소형 기지국을 추가로 설치하거나 리피터 장비를 활용하는 방식이 사용되어 왔다. 그러나 이러한 장비들은 물리적인 설치 장소 확보, 전원 공급, 고비용의 유지관리 등 많은 제약을 동반하며, 구조적으로도 빔조향의 유연성이 부족하여 다양한 환경 변화에 실시간으로 대응하기 어렵다.
RIS는 이러한 한계를 극복할 수 있는 대안으로서, 신호의 반사 방향과 위상 응답을 능동적으로 제어할 수 있어 가시 경로가 확보되지 않은 사용자에게도 안정적인 신호 경로를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라 하나의 RIS를 통해 다양한 사용자에게 동시에 신호를 전송하거나, 다중 홉 구조로 RIS를 연쇄적으로 배치하여 보다 복잡한 공간 환경에서도 통신 커버리지를 확장할 수 있다. 이를 위해서는 기지국에서 송신되는 편파와 대역폭에 대응할 수 있는 RIS 구조의 구현이 필요하며, 일반적으로 기지국은 45도 경사의 원형 편파를 사용하므로, 이에 대응하여 RIS 또한 두 개의 직교 편파에 대해 독립적으로 위상 및 진폭을 제어할 수 있어야 한다. 이러한 다기능성을 확보하기 위해서는 고속 응답이 가능한 능동 소자들과 이를 제어할 수 있는 정밀한 회로 설계가 필수적이다.
본 연구에서는 액정 기반의 RIS를 중심으로 그 구조적 구현과 성능 개선 방법에 대하여 다룬다. 액정은 원래 디스플레이 기술에 주로 사용되어 온 소재로서, 온도에 따라 물리적 상태가 바뀌고, 전기장을 인가하면 이방성 유전율 변화가 발생한다는 점에서 전자기 응답을 제어하는 데 매우 유용하다. 그러나 RF 대역에서 액정을 사용하는 경우에는 마이크로파 특성에 적합한 물성 모델링이 선행되어야 하며, 또한 액정 특유의 점성으로 인해 반응 속도가 느리다는 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 액정의 물리적 특성과 전자기적 응답 특성을 RF 대역에 맞게 재정의하였고, 공정 측면에서는 기존 유리 기판 기반의 고가 공정 대신, 저비용 고효율 구현이 가능한 PCB 기반 공정 기술을 적용하였다. 이를 통해 마이크로파 대역에서 반사 손실을 줄이고, 대면적 구조에서도 균일한 성능을 확보할 수 있도록 하였다. 특히 다층 액정 구조를 활용하여 수직 및 수평 편파를 독립적으로 제어할 수 있는 설계 구조를 구현하였으며, 외부 전원 없이도 특정한 빔포밍 상태를 유지할 수 있는 간소화된 바이어스 구조를 적용하여 전체 시스템의 복잡성과 소비 전력을 모두 낮추는 데 성공하였다.
또한 액정의 느린 반응 속도를 개선하기 위한 연구도 함께 수행되었다. 기존의 네마틱 액정은 응답 시간이 수십 밀리초에서 수백 밀리초에 달하지만, 본 논문에서는 반응성 단량체를 활용한 폴리머 네트워크 액정 구조를 구현하여 기존 대비 약 50배 이상의 응답 속도 개선을 달성하였다. 이와 함께 IPS 구조를 접목하여 수평 방향 전기장을 효과적으로 형성하고, 이를 기반으로 보다 정밀하고 빠른 동적 빔포밍 기능을 구현하였다.
한편 RIS 응용의 또 다른 축으로는 센싱과 통신을 동시에 수행하는 ISAC 시스템이 있으며, 본 논문에서는 이를 위한 핀 다이오드 기반의 RIS 구조도 구현하였다. 핀 다이오드는 스위칭 속도가 빠르고 구동 전압이 낮은 반도체 소자로서, 단위 셀에 삽입하여 위상 응답을 이산적으로 제어할 수 있도록 한다. 본 연구에서는 단위 셀 하나당 총 4개의 핀 다이오드를 배치하여 수직 및 수평 편파에 대해 독립적인 위상 제어가 가능하도록 하였고, 이를 통해 2bit의 위상 가변 범위를 구현하였다. 나아가 이 구조를 기반으로 6G Upper-mid 대역에서의 ISAC 시나리오를 검증하였으며, 모노스태틱 기지국에서 이중 편파 신호를 송신하고, RIS를 통해 한 편파는 사용자에게 통신 신호로, 다른 편파는 타겟에게 센싱 신호로 전달하는 방식으로 테스트를 수행하였다. 이러한 방식은 통신과 센싱 간의 자원 충돌을 최소화하고, 시스템의 편파 다이버시티를 극대화함으로써 기존 방식보다 향상된 통신 효율과 정확도를 동시에 확보할 수 있음을 입증하였다.
이상의 연구를 통해 본 논문에서는 액정과 반도체 소자 기반의 다양한 RIS 구현 사례를 중심으로, RF 대역에서의 실질적인 설계 방법론, 소재 선정, 공정 최적화, 성능 검증 등의 전 과정을 통합적으로 다루며, 차세대 통신 시스템에서 메타표면 기반 RIS의 실용 가능성을 제시하고자 한다. 본 논문은 다음과 같은 내용으로 구성되어진다. 먼저 서론에서 메타표면의 정의, 메타표면의 원리 및 RF 대역에서의 메타표면 응용들에 대해 기술하며 이후 전자적으로 재구성 가능한 메타표면들에 대해서 설명한다. 2장과 3장에서는 액정 기반 메타표면과 핀 다이오드 기반의 메타표면을 소개한다. 액정 기반 메타표면을 소개하기에 앞서 2장 1절에서 액정의 기본적인 원리와 RF 활용에 필요한 지식들을 논의하며 2장 2절에서는 기존에 RF 대역에서의 액정 기반 메타표면 구현에 있어서 몇 가지 문제점들과 본 연구에서 제안하는 구현 방법 방식들을 소개한다. 이후 액정 제어에 필요한 배향에 대해서도 논의한다. 액정의 기초를 다룬 후에 2장 3절에서 저자가 개발한 다양한 전자적으로 재구성 가능한 액정 기반 메타표면들을 소개한다. 먼저 기존에 보고된 적 없었던 초고효율 액정 기반 메타표면을 소개하며 이후에 액정을 두 층 활용한 이중 편파 독립 제어가능한 액정 기반 메타표면, 이를 활용한 초대면적 RIS의 밀리미터파 5G FR2 대역 검증 등을 소개한다. 마지막으로는 초대면적 RIS의 이차원 빔포밍을 위해선 각 단위 셀을 제어해야 하며 제어능을 유지하면서 바이어스 노드를 최소화할 수 있는 액티브 매트릭스 기반의 대면적 RIS를 소개하며 액정 기반 메타표면에 관한 연구를 마친다. 3장 1절에서는 핀 다이오드 기반의 메타표면 구조를 소개한다. 핀 다이오드의 원리와 구현 방식 등을 설명한 뒤에 3장 2절에서 6G Upper Mid-Band에서의 ISAC 검증 구현을 위한 핀 다이오드 기반의 메타표면을 소개한다. 해당 메타표면도 이중 편파 독립 제어가 가능하며 각 편파는 ISAC을 위해 각각 통신과 센싱을 위해 사용된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metasurfaces are two-dimensional extensions of metamaterials, which were originally engineered to exhibit electromagnetic properties not found in nature, such as negative refractive index and anisotropy. While traditional three-dimensional metamaterials are composed of subwavelength periodic structures, their physical thickness, fabrication complexity, and intrinsic losses have posed significant challenges for practical implementation. In contrast, metasurfaces are designed as ultra-thin planar structures composed of subwavelength unit cells that are periodically or quasi-periodically arranged across a surface. Each unit cell is engineered to provide a localized electromagnetic response, such that the entire surface can control the phase, amplitude, and polarization of an incident wave in a highly controllable manner. This enables metasurfaces to function as artificial boundary conditions for electromagnetic waves, manipulating their behavior at the interface through engineered discontinuities.
These properties allow metasurfaces to serve as compact and lightweight alternatives to bulky optical and RF components such as lenses, phase shifters, polarizers, and wavefront converters. Due to their structural flexibility and high degree of control over electromagnetic wavefronts, metasurfaces have seen wide-ranging applications across various frequency bands, from optics and terahertz to microwaves and RF domains. Especially in the RF regime, where larger unit cell sizes are feasible and fabrication techniques are more mature, metasurfaces present practical advantages in terms of beam shaping, frequency selectivity, and spatial wave manipulation.
Well-established applications in the RF domain include reflectarrays and transmitarrays for planar beam-steering antennas, frequency selective surfaces (FSS) for spectral filtering, radar cross-section (RCS) reduction for stealth technologies, and more recently, reconfigurable intelligent surfaces (RIS) for next-generation wireless communications. Despite their varying purposes, these implementations all rely on the same underlying principle: local manipulation of the electromagnetic response of each unit cell to synthesize a desired global wavefront transformation. Modeling approaches commonly use equivalent surface impedance or circuit analogs to describe the unit cell response, enabling both intuitive understanding and computational efficiency in full-system design.
This research focuses on one of the most promising emerging applications of metasurfaces in wireless communications reconfigurable intelligent surfaces (RIS). RIS are artificial electromagnetic surfaces capable of dynamically altering the propagation path of incident signals by adjusting the phase or amplitude response at each unit cell. In urban environments, direct line-of-sight (LOS) communication between a base station and a user device is often blocked by physical obstacles such as buildings, trees, or vehicles, resulting in severe signal degradation or complete loss of service. Traditional solutions have involved deploying repeaters or additional base stations to circumvent such non-line-of-sight (NLOS) issues. However, these approaches suffer from high deployment costs, energy consumption, and limited adaptability to dynamic environments.
RIS offer a cost-effective and energy-efficient alternative by providing passive or semi-passive reflection of signals towards the intended receiver, even in the absence of a direct transmission path. By accurately controlling the reflection phase across its surface, RIS can steer the signal in the desired direction, effectively creating an intelligent relay point. Multiple RIS panels can even be cascaded in a multi-hop configuration to extend coverage further into obstructed areas. To operate effectively within a wireless communication infrastructure, RIS must meet certain performance criteria, such as bandwidth compatibility with the transmitted signal, high radiation efficiency, and support for polarization diversity. In particular, base station antennas often employ ±45° slanted or circular polarization, requiring the RIS to independently control orthogonal polarization components for optimal performance.
In this thesis, we explore the development and optimization of liquid crystal (LC)-based RIS for microwave and millimeter-wave applications. Liquid crystals, though widely used in optical displays, have not been extensively adopted in RF domains due to their relatively slow response times and limited understanding of their high-frequency dielectric behavior. To address this, we first develop a physical model that accurately captures the frequency-dependent dielectric properties of liquid crystal materials in RF bands. We then modify the conventional LC fabrication process—which is typically based on glass substrates and thus costly and time-consuming—by adapting it to low-cost, PCB-compatible fabrication techniques. This adaptation not only reduces manufacturing complexity and cost but also facilitates integration into large-area RF systems.
To validate the effectiveness of LC-based RIS in real-world scenarios, we propose and fabricate multiple device structures. These include dual-polarized LC-RIS designs capable of independent control over both vertical and horizontal polarizations, high-efficiency LC metasurfaces with reduced reflection loss, and large-area implementations optimized for 5G millimeter-wave frequencies. Furthermore, we propose simplified biasing architectures that minimize wiring complexity and enable passive beamforming states that require no continuous external power, thereby enhancing system robustness and reducing overall power consumption.
A key challenge with LC materials is their relatively slow electro-optic response due to intrinsic viscosity. To address this, we introduce a polymer network liquid crystal (PNLC) architecture formed by doping reactive monomers into the LC host and subsequently UV-curing the composite. This structure offers significantly enhanced switching speeds—up to 50 times faster than traditional nematic LC configurations. Additionally, we implement an in-plane switching (IPS) electrode configuration, which enables faster and more uniform control of the in-plane electric field, thereby further improving dynamic beamforming capability for real-time wireless applications.
Beyond LC-based designs, we also develop a PIN diode-based RIS architecture tailored for integrated sensing and communication (ISAC) scenarios, which are emerging as key components of future 6G systems. PIN diodes are efficient semiconductor switches that can toggle between high and low impedance states under low voltage operation. In our implementation, each RIS unit cell integrates four PIN diodes—two per polarization axis—allowing for independent control of orthogonal polarizations with a 2-bit phase resolution. This discrete phase shifting capability facilitates precise beam steering while maintaining compact device size and low power consumption.
We apply this RIS to an ISAC framework in which a monostatic base station transmits dual-polarized signals, each encoded with distinct communication and sensing functionalities. The RIS reflects each component separately—delivering communication signals to users while directing sensing signals toward designated targets. This polarization-diverse RIS approach enables seamless coexistence of wireless data transmission and environmental monitoring, thereby enhancing the spectral and spatial efficiency of the overall system. Our experimental validation confirms that RIS-assisted ISAC systems can outperform traditional architectures in both flexibility and performance, providing a pathway toward more intelligent, multifunctional wireless infrastructures.
Through the integration of LC and PIN-diode-based unit cells, advanced modeling techniques, and low-cost fabrication processes, this thesis presents a comprehensive investigation into the design, implementation, and characterization of RIS for practical RF applications. The proposed systems demonstrate the feasibility and potential of metasurface-based RIS technologies in real-world wireless communication and sensing environments, contributing to the broader adoption of metasurfaces in next-generation network infrastructures.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 전자적으로 재구성 가능한 메타표면 1
• 제 1 항 액정 기술 2
• 제 2 항 반도체 소자 기술 2
• 제 3 항 비선형 소자 기술 3
• 제 4 항 MEMS 소자 기술 3
• 제2 절 재구성 가능한 메타표면의 현현 문제점 3
• 제 1 항 공정상의 한계 4
• 제 2 항 대면적에 따른 제어회로의 복잡도 증가 5
• 제 3 항 소자별 반응 속도에 의한 한계 6
• 제 3 절 논문의 목표 7
• 제 1 항 PCB 공정 기반의 액정 메타표면 구현 연구 8
• 제 2 항 배향에 따른 액정 메타표면 동작 특성 연구 8
• 제 3 항 메타표면의 동작 속도 개선을 위한 연구 9
• 제 4 항 초고효율 액정 메타표면 기술 연구 9
• 제 5 항 편파 독립제어 액정 메타표면 기술 연구 9
• 제 6 항 이차원 빔포밍 초대면적 액정 메타표면 기술 연구 10
• 제 7 항 6G ISAC을 위한 핀 다이오드 메타표면 기술 연구 10
• 제 4 절 논문의 구성 10
• 제 2 장 액정의 원리 11
• 제 1 절 소개 11
• 제 2 절 준-결정 상태 12
• 제 1 항 액정의 종류 12
• 제 2 항 네마틱 액정의 특성 14
• 제 3 절 외부 에너지에 따른 네마틱 액정의 동작 특성 15
• 제 3 장 PCB 공정 기반의 액정 메타표면 구현 19
• 제 1 절 글라스 공정 기반 액정 메타표면 구현 `19
• 제 2 절 액정 메타표면의 PCB 공정 구현 20
• 제 4 장 메타표면의 동작 속도 개선을 위한 연구 24
• 제 1 절 러빙 방향에 따른 IPS 메타표면 빔포밍 속도 연구 24
• 제 1 항 러빙 공정 중요성 및 절차 26
• 제 2 항 저전압 IPS 스위칭 메타표면 구조 28
• 제 3 항 동작 속도 및 빔포밍 측정 결과 33
• 제 2 절 고분자 네트워크 액정 기반 단위 셀의 전기적 특성 연구 39
• 제 1 항 도파관을 통한 메타표면 단위 셀 해석 기법 40
• 제 2 항 단위 셀 구현 및 등가회로 42
• 제 3 항 시뮬레이션 및 측정 결과 44
• 제 5 장 초고효율 액정 기반 메타표면 기술 연구 53
• 제1 절 X 대역 저 손실 액정 기반 메타표면 단위 셀 54
• 제 1 항 저 손실 액정 기반 단위 셀 설계 55
• 제 2 항 단위 셀 측정 결과 59
• 제 2 절 초고효율 액정 기반 메타표면 설계 기술 63
• 제 1 항 초고효율 및 2차원 빔포밍을 위한 단위 셀 구조 65
• 제 2 항 메타표면 설계 및 측정 결과 68
• 제 6 장 편파 독립제어 액정 기반 메타표면 기술 연구 79
• 제 1 절 편파 독립제어 단위 셀 80
• 제 1 항 단위 셀 동작 원리 80
• 제 2 항 단위 셀 구조 83
• 제 2 절 편파 독립제어 액정 기반 메타표면 91
• 제 1 항 편파 독립제어 액정 기반 메타표면 구조 91
• 제 2 항 빔패턴 측정 결과 94
• 제 3 항 소형-개구 RIS 측정 104
• 제 3 절 대면적 편파 독립제어 액정 기반 메타표면 112
• 제 1 항 단위 셀 및 메타표면 구조 112
• 제 2 항 밀리미터파 5G 상용 기지국 검증 121
• 제 7 장 이차원 빔포밍 초대면적을 위한 액정 RIS 기술 연구 135
• 제 1 절 초대면적 RIS의 필요성 135
• 제 2 절 능동 매트릭스 결합형 단위 셀 137
• 제 1 항 RIS 단위 셀 설계 137
• 제 2 항 능동 어드레싱 매트릭스 회로 설계 142
• 제 3 절 이차원 빔포밍 가능한 초대면적 액정 기반 RIS 148
• 제 1 항 제작된 RIS 모듈 구조 148
• 제 2 항 측정 결과 150
• 제 3 항 빔홀딩 결과 155
• 제 4 항 소모 전력 분석 157
• 제 8 장 6G ISAC을 위한 핀 다이오드 RIS 기술 연구 162
• 제 1 절 ISAC 소개 및 핀 다이오드 RIS 기술 현황 162
• 제 1 항 ISAC 소개 162
• 제 2 항 핀 다이오드 RIS 기술 현황 165
• 제 2 절 제안하는 ISAC 시나리오 169
• 제 1 항 통신과 센싱 방법 169
• 제 2 항 이중 편파 독립제어용 핀 다이오드 RIS 설계 175
• 제 3 절 측정 결과 182
• 제 9 장 결론 및 전망 192
• 참고문헌 193
• Abstract 206