Special 5G 및 차세대 통신을 위한 소재부품 개발 동향(2)

5G 및 차세대 통신 구현을 위한 유전체세라믹 기술개발 동향

권도균_한국항공대학교 항공재료공학과 교수

1. 서론
5G 이동통신 또는 5G 네트워크 기술은 4차 산업혁명 시대를 대표하는 키워드로 자주 언론에 등장하고 있다. 5G 통신은 단순히 데이터 전송 속도에 국한된 기술이 아니라 ‘초고속, 초저지연, 초연결성’ 등 3가지 특성을 지닌 통신기술로 설명할 수 있다. ‘초고속성’은 4세대 이동통신기술인 LTE와 비교했을 때 가장 큰 차별점이기도 하며, 5G는 이론상 LTE보다 최대 20배 빠른 20Gbps의 속도를 구현할 수 있으며 AR, VR과 같은 초대용량 멀티미디어 컨텐츠를 더욱 빨리 전송하는 기술로 정의된다.
  ‘초저지연’은 끊김 없는 통신서비스를 의미하여 단말기와 기지국 간의 통신 시간을 최소화 하여 실시간 서비스를 가능하게 한다. 이는 특히 자동차업계의 자율주행차 상용화에 직접적으로 기여하여, 5G 기술을 활용하면 차량통신기술(V2X)과 정밀측위 등을 활용한 자동차 제어가 가능하고, 최저 1ms(0.001초)의 초저지연 특성을 활용한 실시간 자율주행차 제어가 실현된다.
  ‘초연결성’은 동시에 접속할 수 있는 기기의 수가 많아지는 것을 뜻하며, 5G 시대에는 1㎢ 이내 사물인터넷과 스마트 기기를 동시에 연결할 수 있는 양이 100만 개로, 4G의 10만 개 보다 10배 정도 늘어나게 된다. 이는 무선연결 스마트시티의 실현이 가능해지는 것을 의미한다. 이러한 5G 통신의 특징을 활용하면 사회의 혁신 속도를 더욱 가속시킬 수 있으며, 4차 산업혁명 시대에 만나볼 스마트시티나 자율주행, 사물인터넷(IoT) 등은 5G 없이는 구현이 어렵다. 즉, 5G 이동통신기술은 4차 산업혁명의 핵심 기반기술이자 ‘대동맥’ 역할을 하는 인프라를 의미한다.

그림 1. 5세대(5G) 이동통신의 개념과 특징

그림 2. 5G로 바뀌는 세상

  이렇듯 5G 이동통신기술은 우리 생활에 직접적으로 영향을 주며 변화를 일으키는 현재진행형 이슈임에도 불구하고 여전히 대중들에 있어서 5G라는 단어는 최신 스마트폰 또는 통신기업의 광고에 끊임없이 등장하는 기호일 뿐 그에 대한 정확한 특징 및 요구되는 부품/소재 등의 하드웨어적인 기술의 이해는 다소 부족한 현실이다.
  본고에서는 5G 이동통신기술의 정확한 이해를 위해 그간의 이동통신기술의 발전과정과 앞으로의 차세대 통신기술의 방향, 그리고 이를 뒷받침하는 핵심 부품/소재기술, 특히 기판, 안테나, 필터, 도파관 등 이동통신 핵심부품으로 활용되는 유전체세라믹 기술에 대해 중점적으로 알아보고자 한다.

2. 5세대 (5G) 이동통신 기술
이동통신은 10년 주기로 변화하면서 1980년대 1세대 아날로그 이동통신을 시작으로 2세대, 3세대 2010년대 4세대를 거쳐 2020년대 5세대 이동통신으로 진화를 하고 있는 상황이다. 세계 최초의 1세대 이동통신은 아날로그 방식으로 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)라고 하며, 음성 위주의 서비스만을 제공하였으며, 1983년에는 미국 시카고에서 Ameritech사가 세계 최초로 서비스를 개통하였고 국내에서는 1984년도에 도입되어 이동통신 서비스를 시작하였다.
  AMPS는 셀 내 사용자 구분을 위한 다중접속방식으로 FDMA를 사용하며, 통신 자원 중에 주파수를 나누어 사용자를 구분하는 방식이었으며 한 사용자의 채널 대역폭은 30kHz를 가졌다. AMPS 이후에 유럽에서도 아날로그 방식이 다수 출현하였지만 시스템 별로 각기 다른 변조 방식과 주파수 대역, 채널 대역폭을 사용함으로써 상호 호환성이 없는 문제로 인하여 이동통신 시스템의 표준화 필요성을 제기하게 되었고 결국 유럽에서 GSM 시스템이 탄생하게 된 계기가 되었다.
  2세대 디지털 CDMA 방식은 확산된 주파수 대역을 사용자가 공유할 수 있도록 한 방식으로 직접 확산에 사용되는 부호시퀀스로 사용자를 구분하는 방식을 사용하였으며, 주파수와 시간을 같이 사용하면서 코드로 사용자를 구별하는 것은 이동통신 기술에 하나의 획을 긋는 기술로 여겨졌다. CDMA 방식의 주요기술로는 전력 제어와 소프트핸드오버 기술로 TDMA와 구별이 되는 가장 큰 특징을 가지고 있다.
  3세대 이동통신인 W-CDMA에서 2세대 이동통신 대비 크게 달라진 부분은 보다 넓은 대역폭(5MHz)과 기지국 간 비동기방식을 채택한 것이고, 또 다른 3세대 이동통신인 CDMA2000은 2세대와 같은 대역폭인 1.25MHz를 사용하였다. 3세대 이동통신 (W-CDMA와 CDMA2000)의 최대 전송속도의 핵심기술로는 각각 STTD(Space Time Transmission Diversity)와 STS(Space Time Spreading) 두 가지로 안테나 다이버시티에 대한 기술로 나뉜다.
  4세대 이동통신 기술인 LTE 기술은 다중의 입출력이 가능한 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기반의 안테나 시스템으로 기지국과 단말기의 안테나를 2개 이상으로 늘려 데이터를 다중 경로를 이용하여 전송하는 기술로서 서로 다른 주파수대역, 서로 다른 가용 주파수 크기(주파수대역폭), 서로 다른 듀플렉스 방식 등의 다양한 주파수 환경에서도 시스템 구축 가능한 장점을 가지고 있으며 최대 가능 전송속도를 75Mbps까지 향상시켰다. LTE-Advanced 기술은 3세대 이동통신 대비 40배 이상의 고속 데이터 전송속도 및 접속지연시간 2배 이상 향상을 기반으로 고품질의 이동 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 해당기술을 통해 고속으로 이동 중인 사용자도 다양한 서비스를 자유롭게 사용할 수 있게 되었다.

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