Special 5G 및 차세대 통신을 위한 소재부품 개발 동향(1)

5G 및 차세대 통신과 세라믹스

서승종_㈜월간세라믹스 대표이사

1. 서 론

달리는 기차에서도, 하늘을 나는 비행기에서도 무선통신이 가능한 시대이다. 4세대 LTE보다 속도가 무려 20배나 빨라진 5세대 무선통신의 등장은 데이터 고속도로의 개통을 알렸다. 5G는 5세대 이동통신 기술(5th Generation Mobile Telecommunication)을 의미한다. 4G와 비교하면 최대속도는 20배에 이용자 체감 속도는 10배 빠른 통신 기술이다.
  1G(1세대 이동통신)는 음성통화만 가능한 아날로그 통신 시대를 의미하며, 2G(2세대 이동통신)는 디지털 이동전화를 말하며, 음성통화 외에 문자메시지, E메일 등의 데이터 전송이 가능한 시대이다. 3G(3세대 이동통신)는 국제전기통신연합의 3세대 이동통신기술 규격으로 2G 헤르츠의 주파수를 사용하며, 전송속도가 2Mbps에 달해 동영상을 주고받을 수 있고 고음질의 음성통화와 고속 데이터 통신이 가능한 시대이다. 4G(4세대 이동통신)는 기존 3세대 이동통신의 진화된 기술로 차세대 통신 기술 LTE(Long Term Evolution)가 국제 4G 규격 속도에 약간 모자라 3.9G라고도 불리지만 기존 무선통신 규격 중 와이파이 다음으로 빠른 속도를 지니고 있다.
  5G는 초광대역 통신 인프라를 기반으로 기가바이트급의 속도를 구현하며, 응답속도를 1ms로 최소화하고 1㎢ 면적 당 100만 개의 연결을 지원한다. 이러한 5G의 초고속·초저지연·초연결이라는 3대 특징은 타 산업의 신규 서비스 형성에 기폭제의 역할을 수행하며 인프라의 확산과 함께 새로운 산업 생태계를 만들어내고 있다.

그림 1. 5G(5세대 이동통신) 이미지

  소형 셀 기술은 반경 1km 내에서 마치 무선 AP(Wireless Access Point)처럼 붙여 사용하는 작은 기지국을 말한다. 5G 네트워크는 광대역을 구현하기 위해서 주로 밀리미터파를 사용한다. 그러나 밀리미터파는 직진성으로 인해 장애가 있을 때 충돌 및 분산이 발생할 수 있다. 하지만 1G 이상의 광대역 서비스를 제공하려면 밀리미터파를 사용해야 하므로 중간에 손상되지 않도록 하기 위한 방법이 필요하다. 그 방법이 셀을 구성한 소규모 네트워크를 구축하여 5G 네트워크의 연결이 끊어지지 않도록 하는 것이다. 셀은 약 250~300m의 거리에 작은 규모로 구성되어 있으며 그 지역에는 여러 개의 수많은 MIMO 안테나가 있다. 이것을 5G 고정 무선 서비스(5G Fixed Wireless Sevice)라고도 부른다.
  빔포밍은 안테나에서 신호를 사방으로 유포하는 것이 아니라 특정한 수신 기기에 집중시키는 기술이다. 이러한 직접적인 연결은 빔포밍이 없는 연결보다 더 빠르고 더 안정적인 것이 특징이다. 안테나가 무선신호를 유포할 때 신호는 장애 요소가 있거나 물체에 의해 차단되지 않는 한 사방으로 송출된다. 이 신호를 특정 방향으로 집중시켜 전자기 에너지 광선을 생성하는 방법이 있다. 그 방법은 가까운 거리에 여러 안테나를 배치하고 이들이 약간의 시차를 두고 동일한 신호를 방사하는 것이다. 중복된 파장은 일부 영역에서는 신호를 강화시키고, 다른 영역에서는 신호를 약화시키거나 검출할 수 없도록 만들어야한다. 이 과정이 올바르게 진행된다면 신호를 원하는 방향으로 집중시킬 수 있다.
  5G에 대한 관심은 기업뿐만 아니라 국가 사이에서도 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 우리나라는 2018년 12월 1일부로 상용화를 위한 5G 무선 이동통신을 개통했고, 2019년 4월 3일에 SKT, KT, LG U+ 이동통신 3사가 상용화를 개시하여 세계 최초로 5G상용화 국가로 등극했다. KT는 2018평창동계올림픽에서 세계 최초 5G 시범서비스를 선보였다.
  정부는 2016년 ´제4차 소재·부품 발전 기본계획´에서 5세대 이동통신(5G) 모뎀 등 첨단 소재·부품 기술 100개를 집중 개발해 왔고 디지털 뉴딜정책을 수립하고 5G 및 차세대 통신분야를 핵심 개발사업으로 선정 추진하고 있다.

그림 2. 5G 네트워크 (출처 : 과학기술정보통신부)

  이동통신 인프라는 정부가 추진하는 디지털 뉴딜의 한 축인 ‘데이터 고속도로’의 핵심이자 국민 편의는 물론 사회와 산업 발전의 필수 기반기술로서 세계시장 주도권 확보를 위해
국가간 치열한 경쟁이 예상된다. 미국 중국 등 세계 주요국들은 5G 다음 세대 기술인 6G 선점 경쟁에 돌입한 상황이다. 이에 정부는 제12회 과학기술관계장관회의(위원장 : 국무총리 정세균)를 개최하고 2020년 8월 6일 6G 시대 선도를 위한 미래 이동통신 R&D 추진전략을 확정․발표 했다.
  4차 산업혁명은 디지털 뉴딜이 선도하게 되며, 디지털 뉴딜은 데이터 고속도로가 성공을 좌우한다. 데이터 고속도로는 결국 하드웨어가 기반되어야 하며 그 하드웨어 구동을 위해서는 소재부품 원천기술 개발이 핵심이다. 휴대폰, 노트북 등 통신기기에는 70%의 세라믹 소재부품이 활용되고 있다. 본고에서는 통신기기에 응용되고 있는 주요 전자세라믹소재기술을 살펴보고 시장 및 산업동향을 개괄적으로 소개하고자 한다.

그림 3. 6G-Upgrade 시범사업 예시 (출처 : 과학기술정보통신부)

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