안녕하세요. 저는 전자공학과에서 밀리미터파/RF devices를 박사과정으로 연구하고 있는 대학원생입니다. 오늘은 제 연구분야를 간단하게 설명하려고 합니다. 밀리미터파를 설명하기 이전에 간단하게 몇가지 소개하자면,
주파수는 1초동안 어떤 파동이 진동하는 횟수를 의미한다. 헬스장에서의 로프 운동 떠올리면 쉽게 연관지어 이해 할 수 있다. 줄을 천천히 움직이면 줄의 움직임이 느리고 줄을 빠르게 흔들면 줄의 움직임이 빠르게 지나가는데 이 상황을 주파수가 빠르다고 설명 할 수 있다.
무선통신은 전자기파 (Electromagnetic wave)를 통해 이루어진다. 한 마디로 무선통신은 선이 없이 신호를 주고받는다는 것이다. 전자기파는 3000 GHz 이하의 주파수를 의미한다. 이러한 전자기파가 흔히 사용되는 예시로는 전자레인지, 이동통신(스마트폰), 테블릿, 와이파이, TV, 그리고 레이더 등이 있다. 우리가 공유기를 사용해 와이파이를 연결하기 위해서는 전자기파 신호가 필요하다. 스마트폰의 비디오 스트리밍과 화상통화 그리고 전자기파를 이용하여 근거리에서 정보를 식별하는 기술인 RFID, 전자태그라도 불리는데 (예시: 교통카드, Apple pay, Samsung pay, 무선충전), 무선을 이용한다는 의미는 모두 전자기파를 사용한 신호 전달기술이다.
전자기파의 역사는 맥스웰 방정식으로부터 시작된다. 전자기파의 아버지라고 불리는 영국의 물리학자 맥스웰이 전자기파의 에너지 파동 현상을 맥스웰 방정식을 사용해 이론적으로 예측했으며, 독일의 과학자 헤르츠는 전자기파의 예측을 실험으로 증명해냈고 이에 헤르츠의 이름을 딴 헤르츠(Hz) 주파수 단위가 생긴것이다 (1Hz: 1초동안 파동이 진동하는 수는 1번).
그리고 헤르츠는 이런 문장을 남겼다
‘ I do not think that wireless waves I have discovered will have any practical application. ‘
그 시대의 헤르츠는 자신이 입증한 전자기파의 현상 실험이, 현재 무선통신의 발전과 함께 인류에게 새로운 시대를 가져올 것이라고 상상도 하지 못했던 것이다.
그렇다면 이 글의 주제인 밀리미터파는 무엇이며 왜 그것이 필요할까?
밀리미터파는 아주 높은 고주파수를 의미하며 매우 빠르게 진동하는 주파수이다. 보통 GHz 단위를 사용하고 G(기가)의 단위는 10^9Hz이다. 즉, 1초동안 1,000,000,000번 진동한다는 것이다. 밀리미터파는 mm단위의 아주 짧은 파장을 가지는 주파수 대역이다. 보통 30GHz(0.1mm) – 300GHz(1mm)를 밀리미터파라고 정의한다. 그렇다면 밀리미터파는 아-주 빠르게 진동하는 주파수인데, 우리는 왜 빠르게 진동하는 주파수가 필요할까?
첫 번째 이유는 저주파수대역에서 급격히 증가하는 모바일 데이터 트래픽 때문이다.
- 트래픽(Traffic): 사전적 정의로는 특정 도로를 따라 이동하는 차량을 의미한다. 고속도로의 교통상황을 떠올리면 쉽다.
- 모바일 데이터 트래픽 (Mobile data traffic): 무선통신에서 전파를 사용하여 전송되는 데이터의 양(정보량)을 의미한다.
차량 트래픽에도 교통정체가 있듯이, 데이터의 트래픽에도 정체가 있다. 처리하는 데이터의 양이 많아질수록 정해진 전자기파의 도로 상황이 막히는 것이다. 전자기파 신호를 통해 데이터를 전송하기 위해서는 특정 도로가 필요한데 이것은 주파수 할당을 통해 이루어진다.
아날로그 기반의 단순 음성 신호를 주로 제공하던 mobile device의 기존 서비스와는 달리, 스마트폰 출현을 시작으로 새로운 응용 데이터 서비스가 많아지고 있다. Mobile contents에서 주로 고화질 동영상, SNS 등과 같은 서비스가 특정 주파수에서 이루어지고 있으며 LET 및 5G 네트워크를 통해 스마트폰 기기 수요와 함께 데이터 사용량도 증가했다.
따라서 데이터 교통체증을 피하기 위해서는 떠올릴 수 있는 방법이 있다.
바로 교통상황을 개선하는 것.
1,2차선 도로를 4,5차선과 같이 늘려주는 것이다.
통신의 관점에서 도로폭을 대역폭(Bandwidth)이라고 하는데 이것이 밀리미터파와 무슨 관련이 있을까?
밀리미터파는 앞서 설명했지만 고주파수대역을 의미한다. 아래는 국내 이동통신의 주파수 할당을 나타내는 표이다.
첫 번째 표에서 LGU+의 LTE가 쓰이는 대역은 839Hz-849Hz로 대역폭은 10Hz이다. 하지만 마지막 표, 5G가 쓰이는 3.5GHz의 주파수를 보면 LGU+는 3400Hz-3500Hz로 100Hz의 대역폭을 가지고 있다. 대역폭이 무려 10배가 증가했으며, 이것은 처처리할 수 있는 데이터 양이 많아지고 동동시에 데이터 처리 속도도 빨라졌다는 뜻이다. 그래서 우리가 5G 스마트폰을 사용하면 고화질 영상을 매우 짧은 시간에 다운받아서 시청 할 수 있는 것이다. 데이터 속도가 빨라졌다고들 말한다. 사실 3.5GHz은 완벽한 5G라고 할 수 없지만 한국에서는 더 높은 주파수 대역의 사업이 줄어드는 추세이기 때문에 3.5GHz에서 통신망을 구축한다.
이러한 이유로 이동통신 시스템에서 우리는 밀리미터파, GHz 단위 주파수를 사용하여 더 빠르고 지연 없는 데이터 전송을 가질 수 있다.
밀리미터파를 사용해야하는 두 번째 이유로는 진짜 5G 때문이다.
미국에서는 5G에 대한 주파수를 sub 6GHz뿐만 아니라 24GHz – 52 GHz, over 60GHz로 정의했는데 와이파이가 사용되는 5.8GHz를 넘어서 28GHz, 77GHz등의 더 높은 주파수 대역으로 가면 단순 데이터 처리량 문제를 해결함과 이를 능가하는 AR/VR, IoT, 자율주행과 같은 데이터 통신을 가능하게한다. 5G 무선통신이 의미하는 것은 단순 음성, 영상 서비스를 넘어서는 data communication이다.
차량 레이더에 5G 시스템이 구축되면, 차량간 차량의 데이터 통신을 통해 차량이 밀집하고 빠르게 이동하는 순간에도 데이터 전송 지연없이 데이터를 주고받으며 정보를 공유할 수 있다. 사고가 일어나는 급박한 상황에 차량이 자동적으로 정보를 주고받아 교통상황을 아주 빠르게 사용자에게 업데이트 할 수 있는 셈이다. 아마 네이버지도나 구글지도에 실시간 교통상황, 경찰정보가 뜨는 이유가 이와 같을 것이다. AR/VR의 특징을 보면 여러가지 데이터 처리과정이 있는데 CG와 같이 고도화된 서비스를 제공받기 위해서는 이러한 데이터 처리과정에 있어서 데이터 전송 지연이 매우 낮아야한다. 5G가 아닌 주파수를 사용하게되면 데이터 전송속도가 느려지게되고 우리는 버퍼링이라고 표현하기도 한다.
이러한 이유들로 밀리미터파는 짧은 파장, 높은 주파수, 넓은 주파수 대역, 확장된 데이터 처리 용량 등으로 차세대 통신 시스템인 5G를 위한 필수적인 요소로 주목받고 있다.
끝으로 밀리미터파는 이동통신의 발전에서 볼 수 있듯이 cellular generation이 증가함에 따라(1G-2G-3G-4G LTE -5G) 고주파수 필요성과 함께 연구가 활발히 진행되고 있다. 내 연구 논문 페이퍼를 작성하던 중, 블로그에도 남겨서 많은 사람들이 재밌게 읽었으면하는 생각으로 밀리미터파에 대한 간략한 소개를 마치겠습니다.