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[2045년 ⑭] 표준연구원, “5G 넘어 6세대 이동통신 기술 검증한다”- 자율주행차 레이더, 한국형전투기(KF-X) 레이더 검증 활용 가능
- 미래 6G, 7G 대비 유망 측정기술, 측정플랫폼 선행 연구 추진 예정
한국표준과학연구원 전자기표준센터 연구팀(홍영표, 이동준, 강노원 박사)은 공동 개발한 광섬유 기반 초소형 센서를 포함한 5G 안테나 측정 시스템은 초고속·고품질 측정플랫폼을 기반으로 하는 새로운 패러다임의 5G 측정 솔루션을 제공한다./에이티엔뉴스=이기종 기자

 우리는 올해 3.1 운동 100주년을 맞았지만 국가적으로나 사회경제적으로 이보다 중요한 시점이 도래하고 있음을 직시해야 한다.

바로 2045년이다.

1945년의 100주년이 되는 2045년은 우리에게 현재 겪고 있는 이념적 대립, 분단적 충돌, 세대·계층별 갈등 등을 해결할 수 있는 시간을 부여하고 있다.

이러한 국내 정치사회적인 변화의 계기뿐만 아니라 과학적인 변화에도 레이먼드 커즈와일(Raymond Kurzweil)는 ‘특이점이 온다(The Singularity Is Near)’를 통해 2045년 시기에 나노공학, 로봇공학, 생명공학 분야의 획기적인 발전을 예고했다.

본지는 ‘2045년’ 연재를 통해 현재 대한민국이 안고 있는 갈등, 대립과 충돌, 불균형과 불평등 등을 해소하고 정치, 경제, 사회적으로 통합하고 화합할 수 있는 ‘한반도의 더 큰 대한민국’을 그려보려고 한다.

5세대 이동통신 기술(5G, 5th Generation Mobile Telecommunication)은 모든 사람과 사물을 연결하는 ‘초연결’을 지향하고 있어 앞으로 5G는 자율주행, 사물인터넷, 인공지능 등 다양한 목적을 지닌 단말기에 서비스를 제공할 것으로 기대되고 있다.

이에 5G의 품질 확보와 함께 통신망의 고품질 여부를 판가름하는 측정기술도 그 중요성이 더 커지고 있고 최근 해외 유명 제조사들이 측정 솔루션을 제시하고 있지만 아직 세계적으로 확립된 5G의 측정 기준은 없는 실정이다.

최근 한국표준과학연구원(KRISS) 전자기표준센터 연구팀(홍영표·이동준·강노원 박사)은 이러한 제한점을 해결하기 위해 광섬유 기반의 초소형 센서를 이용해 5G 통신시스템을 위한 초고속 정밀 측정시스템을 개발했다.<편집자 주>

- 연구배경은?

▷ 최근 해외 유수 계측기 제조사들이 5G 측정 장비를 제안하고 있지만 5G 측정표준이 아직 정해지지 않은 실정이다.

  계측기 제조사의 측정 솔루션은 대부분 전자파무향실이라는 특수한 시설 안에서 5G 이동통신시스템을 평가했다.

그러나 이 방법은 측정 센서가 측정하려는 5G 안테나보다 커서 근접측정이 불가하고 센서의 일부 재질이 도체여서 5G 안테나 성능에 영향을 줘 안테나 자체의 전기적인 특성을 정확하게 측정하기 어렵다.

특히 계측기 제조사들이 제안하는 측정시스템으로는 MIMO(다중입력 다중출력) 안테나의 방사패턴만 측정할 수 있고 빔 조향 오차의 원인을 분석하는 것은 불가능했다.

더욱이 고가의 전자파무향실을 사용하기 때문에 물리적인 공간제약이 따른다.

현재 5G는 하나의 기지국과 다수의 스마트폰 사용자와의 통신을 위해 기지국 안테나 및 스마트폰 내장형 안테나는 빔포밍 기능을 반드시 갖추어야 한다.

이는 기존에 하나의 안테나를 사용하는 4G와 구별된다.

특히 빔포밍 기능을 얻기 위해서는 기지국 안테나의 경우 다수의(1024개 수준) 안테나를 동시에 운용하여야 하며 개별 안테나들은 신호의 크기와 위상 등 다른 입력조건을 갖게 된다.

또 측정시스템은 무향실이라는 고가의 특수한 시설에서 측정을 수행하며 비교적 먼거리(수십 센티미터~수 미터)에서 다중안테나의 전체 특성을 얻을 수 있다.
  

한국표준과학연구원 전자기표준센터 홍영표 박사는 초고속·고품질 측정플랫폼을 기반으로 하는 새로운 패러다임의 5G 측정 솔루션을 제공하는 휴대용 5G 안테나 측정시스템을 설명하고 있다./에이티엔뉴스=이기종 기자

 연구자들의 역할은?

▷ 연구자들의 역할을 보면 이동준 책임연구원은 5G 안테나 측정시스템 제작과 고속·정밀 측정에 꼭 필요한 광섬유의 편광 안정화 방법을 측정시스템에 접목시켰다.

또 강노원 책임연구원은 광섬유 기술을 이용한 100 GHz급 안테나 측정시스템 구축과 초소형 센서기반 5G 안테나 측정시스템의 초고주파 부품을 최적화 시켰으며 초기 단계의 5G 안테나 측정시스템의 문제점 개선에 기여했다.

마지막으로 홍영표 선임연구원은 5G 안테나 측정방법으로 다수 안테나의 개별소자를 초근접거리(0.1 mm이내)에서 측정했고 광섬유 기반 초소형 센서의 설계·평가, 5G 이동 통신 시스템의 개발, 양산 단계에 적합한 5G 안테나 측정시스템 설계, 5G 안테나 측정수행 및 개선된 평가 방법 고안 등을 했다.

- 연구개발의 특성은?

▷ 우리 연구팀은 두께 0.05 밀리미터(mm)의 초박형 센서 결정을 미세한 광섬유에 결합한 머리카락 수준의 두께와 형상을 갖는 초소형 완전유전체 전자파 센서를 제작해 기존 기술의 문제점을 해결했다.

이 센서를 운용하기 위한 광학 계측시스템을 컴퓨터 본체 크기로 일체화 제작했고 이 센서와 계측 시스템을 활용하면 안테나에 별다른 공간 제약 없이 0.1 mm 이내의 초근접 거리까지 분석이 가능해진다.

특히 센서의 가장 중요한 파라미터인 공간분해능은 마이크로미터(µm) 급으로 세계에서 가장 우수한 수준이다.

그래서 초미세선로까지 구별할 수 있을 뿐만 아니라 입출력이 제각각인 수많은 안테나들을 정확하게 분리해 개별적으로 측정할 수 있다.

이는 산업현장에서 5G 다중 안테나의 개발 및 검사에 바로 적용할 수 있는 수준이다.

기존의 챔버(무향실) 기반 측정시스템과 차별화된 KRISS만의 독자적인 측정플랫폼을 기반으로 6 GHz 이하 및 밀리미터파(예. 28/39 GHz) 5G 이동통신시스템의 품질 측정 및 검증서비스를 제공할 수 있다.

또 컴퓨터 본체 크기의 측정시스템을 구현하였으며 외부전자파에 영향을 주거나 받지 않기 위해 차폐된 케이스를 활용했다.

특히 실험실 뿐만 아니라 야외 실험에도 휴대가 가능하도록 측정시스템을 제작했다.

이번 시스템과 광섬유 기반 초소형 센서 조합을 통해 초고속·고품질 측정플랫폼을 기반으로 하는 새로운 패러다임의 5G 측정 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

- 연구개발의 기대효과는?

▷ 차량통신 및 자율주행이 주요한 5G 적용 분야의 하나로 대두되고 있다.

실제로 5G 이동통신망 기반의 차량통신이 제안 및 표준화 진행되고 있어 5G의 주요한 적용 분야로 각광받고 있다.

자율주행차의 핵심 기술인 차량용 레이더는 5G 이동통신시스템과 유사하게 다수의 안테나를 동시에 운용하는 방식을 채택한다.

표준과학연구원에서 개발한 초소형 센서 기반 수신기를 일정 부분 수정해 자율주행차의 차량용 레이더 평가에 활용할 수 있다.

또 한국형 전투기(KF-X)에 탑재할 능동주사식 위상배열(AESA, Active Electronically Scanned Array) 레이더 개발이 한창이다.

방위사업청의 설명에 따르면 2020년 하반기에 첫 에이사(AESA) 레이더 시제품이 출고된 후 시험항공기(Flight Test Bed)를 활용해 레이더 성능 테스트 비행시험을 한 후 오는 2023년부터는 KF-X 시제기에 탑재해 지상 및 비행시험을 거쳐 2026년까지 개발을 완료할 것이라고 한다.

여기에서 KF-X의 ‘눈’ 으로 불리는 에이사(AESA) 레이더는 수백 개의 안테나를 레이다의 전면부에 개별적으로 송수신 모듈(Transmitter-Receiver Module)이 부착된다.

수백 개의 안테나를 운용하는 중에 만일 임의의 모듈에서 불량이 발생하면 해당 모듈을 찾기 위해 빠르고 정확한 검사가 필요하다.

이는 한국표준과학연구원 전자기표준센터에서 개발한 초소형 센서 기반 수신기를 활용하면 개별 안테나의 빠른 검사가 가능하며 임의의 방향으로 임의의 주파수를 가진 전파를 발사하는 에이사(AESA) 레이더 평가에 활용할 수 있다

한국표준과학연구원 전자기표준센터 강노원 박사는 5G, 6G 통신에 이용되는 안테나 시스템의 특성평가를 위해 광전자파 변환 소자를 적용한 100 GHz급 광 기반 안테나 측정시스템을 설명하고 있다./에이티엔뉴스이기종 기자


- 향후 연구방향은?
 
▷ 5세대(5G) 통신만 서비스되더라도 이전에 우리가 경험해보지 못했던 새로운 세상이 펼쳐질 것으로 보이지만, 통신 분야 선진국들은 이미 5세대를 넘어 6세대(6G) 통신기반 서비스를 준비하고 있다.

미국의 경우 방위고등연구계획국을 통해 6G 관련 개발에 착수했으며 중국 또한 공업정보화부를 통해 6G 연구를 수행중이다. 일본도 세계 최초로 100 Gbps 무선전송 시연에 성공하면서 6G 서비스에 한발 다가서고 있다.

6G의 이동통신의 경우 5G에 비해 최소 10배 이상 빠른 통신속도를 요구할 것으로 예상되며 이에 따른 전자파의 동작주파수 상향화가 불가피하다.

한국표준과학연구원 전자기표준센터는 2013년부터 100 GHz 이상의 전자파를 정밀측정할 수 있는 임피던스, 안테나, 전력 등 다양한 기반 측정기술을 연구하여 왔으며 보유중인 측정기술 및 측정플랫폼을 계속 발전시켜 6G 이동통신에 선제적으로 대응하기 위해 준비하고 있다.

한국표준과학연구원 전자기표준센터 이동준 박사는 머리카락 크기 수준의 광섬유 기반 초소형 센서를 설명하고 있다./에이티엔뉴스 이기종 기자


- 마지막으로 하고 싶은 말은?

▷ 우리 연구팀에서 오랫동안 준비한 측정기술과 시스템이 5G 측정 시스템에 필요로 한 산업체에서 활용되면서 성취감을 크게 맛보았다.

앞으로 ‘6G’라는 미래 기술을 예측한다는 것은 그만큼 불확실성이 높지만 파급력 높은 미래 기술을 남들보다 먼저 추진할 수 있고 이를 통해 경쟁력을 축적할 수 있는 시간을 확보할 수 있을 것이다.

우리는 현실적인 오류를 최소화하면서 미래의 6G, 7G 등을 위한 유망 측정기술과 측정플랫폼을 발굴하고자 선행 연구들을 착실히 준비할 예정이다.

에이티엔뉴스 이기종 기자  atntv@naver.com

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