1초에 1조번 진동하는 THz, 폭발물 및 의약품 검사, 의료영상 분야에 적합
“다수의 사이드로브 줄이고 ADC, DAC 등 난제 기술 연구 선행되어야”

이동통신은 1세대에서 4세대까지 발전과정을 거치면서 속도를 높이고 지연성을 단축했다. 각 세대로 넘어가는 연구 및 개발 속도도 짧아졌다. 그 결과, 5G의 상용화를 앞두고 있다. 최근 미국 방위고등연구계획국(DARPA)과 중국 정부는 ‘6G 선행 통신 연구 프로젝트’에 착수하며 미래 통신을 준비하기 시작했다. 아직 5G의 표준도 정해지지 않은 상황에서 시작한 6G 연구에 이목이 쏠리고 있다.

국내는 1G/2G는 음성 위주의 모바일 서비스로 시작해 3G/4G 시대로 접어들면서 ‘스마트폰’을 통한 모바일 인터넷이 가능해졌다. 최근에는 평창 동계올림픽을 계기로 5G 시범 사업을 시작했다. 5G는 넓어진 대역폭에 20Gbps 이상의 속도를 제공한다. 이는 1Gbps 속도인 4G와 20배 차이다. 또한, 응답 지연속도가 4G보다 10분의 1 이하로, 1000분의 1초까지 응답속도가 빠르다. 초고속, 초저지연성의 특징을 지닌 5G는 사물인터넷 기반의 4차 산업 핵심 요소로 꼽히고 있다.



2018년 1월 과학기술정보통신부는 시티, 복지, 교통, 안전, 국방 등 5대 융복합 분야를 발표했다. 초지능, 초실감, 초연결 정보통신은 5대 융복합 분야를 비롯해 여러 분야에 응용을 가속화할 것으로 보인다. 5G는 각 응용 분야에 기반이 되고 있으며 미래 산업이 요구하는 기술사항은 점점 강화되고 있다. 이러한 기조가 중국과 미국 등이 미래 통신을 대비하는 이유로 보인다.

국내에서도 이러한 논의가 시작됐다. 한국전자통신연구원(이하 ETRI) 방승찬 연구원은 “연구진들은 평창 올림픽 이후로 6세대 이동통신에 대한 관심을 두기 시작했다”며 “IoT에 관련된 Massive connectivity, 자동차와 로봇 등에 관련된 Critical Communication으로 확장할 것”이라고 말했다. 이어 “5G가 각 분야의 기반이 되는 형태고 이 개념은 미래에 더욱 심화될 것으로 예상한다”라고 밝혔다. 5G를 기반으로 한 단계 더 수준 높은 미래 통신 준비에 대한 집중과 연구, 개발을 시사한 것으로 보인다.

응용 분야 미래 서비스로는 초실감 정보통신 AR/VR, 자율주행차, 홀로그램 회의, 국방 등이 있다. AR/VR 분야에서는 6-DoF(6자유도)의 발전으로 미래에는 0.2 ~ 5Gbps 전송속도가 요구된다. 자율주행차 시장은 VR 및 홀로그램의 발전으로 사람 당 1Gbps가 필요하고 자동차 대당 5~10Gbps가 필요하다. 대략 한 셀에 수십 대의 자동차가 있다고 하면 100Gbps~1Tbps/cell이 필요한 것이다. 또한, 다수의 홀로그램 회의를 가정하면 한 회의 장소에서 수 Gbps에서 수십 Gbps가 있어야 한다.

이러한 데이터 속도의 양을 처리하기에 적합한 주파수로 ‘THz 파’가 거론되고 있다. THz는 1초에 1조번 진동하는 전자기파다. 5G 밀리미터파의 후보 주파수는 28GHz 대역으로 가능 주파수 폭은 10GHz다. 100Gbps~1Tbps의 데이터 속도를 제공하려면 주파수 효율이 높아야 한다. 밀리미터파는 전파의 직진성으로 다중안테나 방법에 한계가 있고 이는 주파수 효율 상승에 제한적이다. 대용량의 전송속도를 얻기 위해서는 대역폭을 늘려야 하는데 이를 위해서는 ‘THz’가 적합하다.

그리고 빔 형성 시에는 빔 폭과 사이드로브가 성능의 중요 요소인데 사이드로브는 배열 안테나 가중치에 윈도잉 기술을 사용하여 감소시킨다. 배열안테나 방식은 무조건 사이드로브가 발생할 수 없으나 패치 배열보다는 혼 배열안테나가 감소에 유리하다. 혼 안테나의 넓은 대역폭 수용 능력과 적은 안테나 손실이 장점이다. 밀리미터파 28GHz의 혼 안테나는 42cm지만 THz의 혼 안테나는 4.2cm로 10분의 1에서 100분의 1만큼 사이즈가 작다. 사이드로브가 크면 혼신을 주고 효율이 떨어진다. THz는 사이드로브를 줄일 수 있어 대용량 기지국 기술에 유리하다.



또한, THz는 ▲종이, 나무, 플라스틱 등 비금속 물질에 대한 투과성이 좋고 ▲ 자외선과 가시광과 비교해 낮은 산란 효과 ▲X-선, 감마선과 달리 인체에 무해한 전파 ▲밀리미터파, 마이크로파보다 높은 공간(영상) 분배능 ▲높은 데이터 용량 등의 이점을 갖고 있어 안전, 보함, 결함 등 비파괴 검사, 폭발물 및 의약품 검사, 의료영상, 차세대 무선통신 분야에 적합하다.

이러한 특징을 바탕의 대표적인 사례로 ‘스마트공항’이 될 것으로 보인다. 공항 보안검색 시 THz 기술을 적용하면 인체에 무해한 전자기파이므로 마이크로파나 라디오파보다 고해상도의 3차원 투과 영상획득이 가능하고 가방, 의복 등을 투과할 수 있어 금속이나 액체를 탐지할 수 있다. 그리고 광대역 분광 검색으로 일부 고체, 액체, 기체 등의 위험물 탐지가 가능하다.

하지만 6G 연구, 개발 및 실험, 상용화를 위해 극복해야 할 기술이 있다. 먼저, 빔포밍이다. 물론 밀리미터파보다는 유리하지만, 다수의 빔 형성 시 생기는 다수의 사이드로브로 발생될 혼신은 분명 해결해야 할 과제다. 다음은 ADC, DAC다. 대역폭이 수십 GHz가 되면 고전력 소모의 문제가 발생한다. 셋째, 기존의 RF-PHY 구조는 전력 소모가 많아 이를 대체할 저전력의 RF-PHY 구조 연구가 필요하다.

ETRI 방승찬 연구원은 “매우 짧은 펄스의 New waveform, 저전력 소모 RF-PHY 구조, THz 트랜시버, ADC, DAC 등 6G의 난제 기술 해결을 위해서는 핵심부품 구조기술을 우선 연구 개발할 필요가 있다”고 말했다. 이어 5G 밀리미터파와 함께 THz 기술이 진행되고 일부 응용 분야에서 2030년 전에 상용화될 것이고 2030년경에는 100Gbps에서 1Tbps를 갖는 셀룰러 시스템을 예상한다“고 설명했다.