60GHz 주파수 대역의 무선 통신 연구동향

장병준*

정보통신 및 무선 통신 기술의 발전으로 밀리미터파 대역에 대한 연구가 활발한 가운데 이중 60GHz 주파수 대역은 주파수 재사용 측면에서 우수한 전파 특성으로 인해 전세계적으로 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 본 원고에서는 이 대역의 주파수 특성을 비롯하여 각국의 60GHz 대역의 주파수 정책 및 연구동향을 기술하고 이 대역이 상용화되기 위해 선결되어야 하는 기술적인 문제점 및 앞으로의 발전 전망 등을 기술한다. ▧

I. 머리말

현재 국내외적으로 정보의 광대역화 및 초고속화에 대한 요구가 폭발적으로 증가하고 있으며 이러한 요구에 적합한 밀리미터파 대역(30~300GHz)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 밀리미터파 대역과 마이크로파 대역의 경계인 20~40GHz 대역은 과거 위성통신 등에서 성숙된 기술을 바탕으로 현재 고정 및 이동용으로 확장되고 있는 단계로, 미국의 LMDS, 유럽의 MVDS, 국내의 B-WLL 등이 이러한 응용 예이다. 그 다음으로 서서히 관심이 높아지고 있는 주파수 대역이 60GHz 대역이다.

60GHz 대역(대략 55~65GHz)은 광대역 전송이 가능할 뿐만 아니라 산소에 의한 전파의 흡수감쇄가 크기 때문에 여러 응용 분야에 사용될 수 있다. 대표적인 응용 예로는 위성간 통신(satellite cross link), 군사용 응용분야, 차량 충돌 방지 시스템 및 상업용의 다양한 대용량 무선시스템 등이 있다. 이 중에서 상업용 시스템의 적용 예로는 대용량의 단거리 통신 시스템, 무선 LAN, 가정의 구내 배선의 무선화(wireless homelink) 등이 있다. 여기에 광통신과 결합되어 광대역 통신을 가능케 하는 이동통신 시스템에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 현재 4세대 이동통신부터 60GHz 응용 시스템이 나타날 것으로 예측되고 있다. (그림 1)에 60GHz 대역의 다양한 상업용 응용 예를 나타내었다.

 

본 원고에서는 이러한 응용 예 중에서 무선 통신에 포커스를 맞추어 60GHz 대역의 주파수 특성을 비롯하여 각국의 60GHz 대역의 주파수 정책 및 현재까지의 연구 동향 등을 기술한다. 또한 60GHz 주파수 대역이 상용화되기 위하여 선결되어야 하는 기술적인 문제점 및 이 주파수 대역의 앞으로의 발전방향 등을 기술하는 것을 목적으로 한다

II. 60GHz 대역의 주파수 특성

60GHz 대역의 주파수 특성은 다음과 같다.

○ 광대역 특성

60GHz 대역은 반송파 주파수가 높기 때문에 허용 주파수 대역폭이 수GHz까지도 가능하므로 초고속 데이터 전송이나 멀티미디어 데이터 전송에 적합하다.

○ 전파 특성

60GHz 대역의 전파 특성은 대기중의 산소 분자에 의한 흡수현상 때문에 동일채널 간섭확률이 작아진다. 따라서 동일한 주파수를 재사용하므로 경제적인 시스템의 구성이 가능해진다. (그림 2)에 60GHz 대역의 감쇄특성을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 신호의 98%는 대기중 산소분자에 의해 흡수되어 버린다.

○ 장비의 소형화

60GHz 대역의 파장은 밀리미터 단위로 아주 작기 때문에 안테나 및 RF 송수신기의 소형 경량화가 가능하다. 따라서 송신신호를 수신 안테나까지 전달하기 위하여 고이득 안테나의 사용이 가능하다. 안테나에서 방출되는 전자파의 빔폭은 안테나의 지름에 반비례하므로 파장이 짧을수록 안테나를 작게 만들 수 있다. 또한 도파관과 같이 파장에 비례하는 크기를 가지는 소자들도 소형화 효과가 있으므로 장비의 소형화가 가능하다.

○ 저전력

현재 이동통신 주파수 대역에서는 무선신호에 대한 인체의 영향이 큰 사회적인 문제가 되고 있다. 하지만 60GHz 대역의 신호는 기본적으로 저전력(수십mW단위)을 사용하게 되어 있으므로 인체에 비치는 영향이 작으며, 비록 인체에 전자파가 조사가 된다고 하더라도 피부 바깥에서 상쇄되어 버린다.

III. 각국의 주파수 정책 동향

60GHz 대역의 무선 통신시스템을 위한 주파수 분배는 국제적 규격이 아직 정해져 있지 않으므로 시스템의 조기 개발 및 시장 선점이 무선통신 시장을 주도할 수 있는 중요한 요인이 될 것이다.

1. 미국

1994년 FCC는 59~64GHz 주파수 대역을 허가 없이 사용할 수 있는 저전력 장치에 할당하였다. 1997년에는 이 주파수 대역을 공유하기 위한 산업체의 요구를 받아들여 규칙을 수정하였고, 2000년 12월에는 규칙 개정과 함께 주파수 대역을 57~64GHz 대역으로 확장하였다. 개정된 규칙에 의하면 옥내 시스템은 identifying code를 전송해야 하며coordination 채널로서 57~57.05GHz의 50MHz 대역을 사용하는 것을 요구하고 있으나, 옥외시스템의 경우는 이러한 요구조건이 없다. 또한 57~64GHz 대역에는 FDD나 TDD 등의 요구 조건이 없으므로 장비 설계자는 시스템 설계에 융통성을 발휘할 수 있다. 이러한 요구 조건에 따라 최초로 FCC의 인증을 받은 장비가 2000년 11월 Massachusetts주에 있는 Harmonix Corporation의 GigaLink라는 장비로 622Mb/s의 속도로 점대점(point-to-point) 데이터 전송을 할 수 있는 시스템이다.

2. 유럽

유럽에서는 1990년 ERC(European Radiocommunication Committee)가 CEPT Recom-mendation T/R 22-03E를 작성하였는데, 여기에 54.25~66GHz 사이의 주파수 대역의 할당이 기록되어 있다. 아직까지는 구체적인 규격은 정해져 있지 않으며 주로 연구 개발에 초점이 맞추어져 있다. 유럽에서는 ’90년대 60GHz 대역에 대한 다양한 연구가 이루어졌는데, MBS(Mobile Broadband System), SAMBA(System for Advanced Mobile Broad-band Applications), MEDIAN 등이 그 대표적인 예이다. MEDIAN을 예로 들면 155Mbps까지 무선가입자 근거리망을 위한 파일럿 시스템을 구현하고 시연하기 위한 프로젝트로 멀티캐리어 변조방식과 무선 ATM 기술을 근간으로 하여 60GHz에서 동작하는 시스템을 구현하는 것을 목표로 한다.

3. 일본

일본 MPHPT(Ministry of Public management, Home affairs, Posts and Telecommuni-cations)는 2000년 8월에 60GHz 대역의 무선시스템에 대한 기술적 요구조건을 작성하였다. 60GHz 대역내에서 낮은 주파수 대역(54.25~59GHz)은 HDTV나 FWA(Fixed Wireless Access)의 전송을 위해 허가가 필요한 주파수 대역으로 할당하였고 높은 주파수 대역(59~66GHz)의 무선 homelink나 무선 LAN과 같이 허가가 필요하지 않은 장치에 할당하였다. 현재 일본에서는 CRL, MMAC(Multimedia Mobile Access Communication System)을 포함하여 다양한 기구들이 이 주파수 대역을 연구하고 있다.

IV. 연구동향 및 기술적인 문제점

60GHz 대역은 그 우수한 전파 특성으로 인해 ’80년대 후반부터 많은 연구기관에서 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어 초기에는 이 주파수 대역이 3세대 이동 통신용으로도 이용될 수 있도록 연구가 진행되기도 하였다. 하지만 많은 기술적인 문제, 특히 MMIC 및 회로설계 측면에서의 문제 때문에 현재는 4세대 이동통신에서 옥내 통신용으로 사용되어 질 것으로 생각되고 있다. 이 주파수 대역에서의 무선 통신 시스템이 상업적으로 성공하기 위해서는 넘어야 할 기술적인 과제가 아직도 많이 있다. 같은 밀리미터 대역이라도 30GHz 대역(Ka-band)은 위성통신 등에서 서비스가 시작됨에 따라 그 동안 축적되어온 기술의 성숙도로 인해 상업화의 가능성이 높다. 예를 들어 현재 서비스를 하고 있는 무궁화 위성 3호의 경우 3개의 Ka-band 중계기를 탑재하고 있으며, 이 중계기를 이용하여 초고속 인터넷 서비스 등을 국내 업체들도 실시하고 있다. 하지만 60GHz 대역은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 등의 소자기술과 어셈블리(Assembly) 및 패키징(Packaging) 기술 등의 성숙도가 떨어지며, 따라서 가격적인 면에서도 현재 시장성을 갖추기에는 아직 제조 단가가 상당히 높다. 따라서 MMIC의 수율(yield)의 개선, 어셈블리 및 패키징 기술의 저가격화 등 생산성을 갖추어야만 상업적으로 경쟁력이 있다. 본 절에서는 60GHz 대역이 상업적으로 성공하기 위한 여러 조건들을 반도체 공정(Process) 측면과 회로 설계 측면에서 기술하고 앞으로의 발전 전망 등을 기술한다.

1. 60GHz 대역 MMIC 공정

60GHz 대역은 마이크로파 주파수 대역에서 일반적으로 사용되는 하이브리드 MIC(Microwave Integrated Circuit) 공정으로는 제작과정의 오차 및 기생 성분, 하우징 공진 등의 영향으로 신뢰성 있는 회로를 만들기가 어렵기 때문에 MMIC를 사용하여 회로를 설계하여야 한다. 하지만 MMIC 공정은 그 응용분야가 하이브리드 MIC와 경쟁하면서 발전되어 왔기 때문에 현재까지도 주로 30GHz 이하에서 연구가 집중되어 왔다. 따라서 60GHz 대역에서 MMIC를 설계하는 것은 아직도 많은 기술적인 문제가 산재되어 있다. 다행히 최근 밀리미터파 대역 MMIC의 설계 기술 및 설계 tool의 발전으로 60GHz 대역에서 MMIC 연구가 많은 연구기관에서 활발히 진행되고 있어 많은 문제들이 해결되고 있는 단계이다.

먼저 공정분야의 기술 개발 상태를 살펴보면 60GHz 대역의 MMIC 공정은 주로 GaAs HEMT, InP HEMT 및 InP HBT 공정을 주로 사용한다. 기타 SiGe 등 다른 종류의 화합물 반도체 및 RF-CMOS 반도체, MEMS(Micro ElectroMechanical System) 기술의 응용에 대한 연구도 활발하나 60GHz 대역의 특성상 실제 적용 예는 많지 않으며 이러한 반도체 기술은 낮은 주파수 대역에서 주로 사용되고 있다.

GaAs HEMT의 경우 화합물 공정 중에서는 기술의 성숙도가 높아 양산성이 뛰어난 프로세스이긴 하지만 60GHz 대역의 MMIC를 설계하기 위해서는 기존의 공정과는 차이가 있다. 기본적으로 pseudomorphic InGaAs 채널을 이용하는 pHEMT가 주로 사용되며, 반도체 웨이퍼의 두께도 통상 사용되는 4 mil보다는 2 mil 정도의 두께를 사용하는 것이 유리하다. 2 mil을 사용하게 되면 전력 증폭기의 경우 열적으로 안정될 뿐만 아니라 동일 구조의 경우 4 mil로 설계하는 것보다 25~35% 우수한 전력밀도 특성을 얻을 수 있다. Gate Length역시 보통 사용되는 0.25㎛ 보다 가는 0.15㎛나 0.1㎛ 정도로 개선되어야 한다. 또한 gate recess etching이나 passivation 등에서도 개선이 이루어져야 한다.

InP HEMT의 경우 다른 공정보다도 높은 fmax(600GHz까지 보고됨)를 가지고 있으므로 60GHz 이상의 주파수에서도 우수한 성능의 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)나 높은 전력효율을 갖는 고출력 증폭기의 설계에 사용될 수 있지만 프로세스의 안정도는 GaAs HEMT에 비해 낮은 편이다. 또한 InP 웨이퍼는 GaAs 웨이퍼가 6인치까지도 만들어지는데 비해 2인치나 3인치 정도로 작으며, 가격 역시 5배 이상 비싸다. 현재 대부분의 InP MMIC는 2인치 웨이퍼에서 만들어지고 있다. 하지만 성능의 우수성으로 인해 생산성 및 신뢰성 있는 InP HEMT MMIC의 개발에 대한 많은 연구가 진행되고는 있으나 상용화에는 많은 시간이 소요될 예정이다.

GaAs 나 InP 웨이퍼 기판을 이용한 HBT의 경우 60GHz 대역에서 사용할 수 있으며 최근에는 일본 NEC에 의해 250GHz까지의 fmax 성능도 보고되고 있다. 최대 동작 주파수는 HEMT보다는 낮다. 하지만 HBT의 경우 저주파 잡음이 작기 때문에 위상잡음 특성이 좋은 VCO 등을 설계하는 데 사용할 수 있다.

각각의 Application 및 적절한 주파수 대역은 <표 1>에 나타내었다.

2. 60GHz 대역 회로 설계 기술

60GHz 대역의 시스템은 낮은 주파수 대역의 시스템과는 회로 측면에서 많은 다른 특성이 있으므로 서비스 계획 및 성공적인 시스템 구축을 위해서는 회로 설계 기술 측면에서 이슈가 되는 문제점과 현재의 상태 등을 정확히 인식하여야 한다.

가. 능동소자 및 수동소자의 모델링

60GHz 대역에서 동작하는 MMIC를 설계하기 위해서는 정확한 능동소자와 수동소자의 모델이 필수적이다. 최근 몇 년 동안 on-wafer측정 및 측정장비의 교정(calibration) 기술에 있어 많은 새로운 기술이 개발되었으며, 주파수 대역은 120GHz까지도 확장되는 추세이다. 하지만 여전히 60GHz 대역에서 정확한 능동소자 모델링을 하는 것은 고도의 기술적 지식과 경험을 필요로 하므로 대부분 반도체 파운드리(foundry) 회사들도 60GHz 대역에서 신뢰성 있는 모델을 만들지 못하고 있다. 사용하는 소자의 모델이 부정확하다면 제작된 회로의 특성이 나쁘게 되며 설계 사이클이 여러 번 반복되게 되므로 생산성이 떨어지게 된다.

또한 60GHz 대역에서는 전송선로의 불연속, 결합 효과, 패키징 효과 등이 MMIC의 설계에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 정확한 전자기 시뮬레이션을 사용하여야 회로 소자들간의 결합효과 및 기생성분 등이 정확히 계산될 수 있어 MMIC 설계가 가능하다. 다행히 이러한 전자기 시뮬레이션에 대한 연구 및 상용화는 활발히 이루어져, 현재 많은 상용 Simulator가 있다. 이런 상용 Simulator를 이용하면 결합효과 등 많은 기생 성분들의 효과를 이해할 수 있다.

나. 회로 설계 기술

밀리미터파 대역의 회로 설계 기술은 저주파 대역과는 다른 접근법이 필요하다. 가장 큰 차이점은 이 주파수 대역에서 안정된 국부발진기(Local Oscillator)를 만드는 것이 어렵기 때문에 국부발진기는 낮은 주파수 대역에서 설계하고 이를 주파수 체배기 등의 회로로 60GHz 대역까지 주파수를 올리는 방식이나 Sub-Harmonic 주파수 혼합기(Mixer)를 사용하여 낮은 주파수의 국부발진기를 그대로 사용하는 방식 등이 사용된다. 이러한 회로의 설계 기법 자체가 무선 통신에서 보편적으로 사용되는 방식이 아니므로 앞으로도 많은 연구가 필요하다.

시스템 설계시 전체 시스템의 잡음 특성을 결정하는 수신단의 저잡음 증폭기의 경우는 잡음지수가 낮은 주파수 대역에 비해 상당히 높다. 예를 들어 10GHz 대역에서는 1dB이하의 잡음지수를 갖는 저잡음 증폭기를 설계하는 것이 가능하지만 60GHz 대역에서는 수 dB정도의 잡음지수를 갖는다. 따라서 수신단 설계시 이를 고려하여 전체 시스템을 설계하여야 한다.

송신단의 고출력 증폭기의 경우는 수 W이상의 고주파 출력을 만드는 것이 어렵기 때문에 수십 mW단위의 고출력 증폭기를 만들거나 이를 결합하여 수백mW단위의 고출력 증폭기를 만들 수 있다. 시스템 설계시 이러한 60GHz대역의 회로 특성 등을 모두 고려하여 적절한 시스템을 구성를 하여야 한다.

다. 어셈블리 및 패키징

60GHz 대역의 회로가 상업적으로 경제성을 갖기 위해서는 어셈블리와 패키징이 중요한 문제가 된다. 어셈블리와 패키징은 높은 신뢰도와 생산성을 요구함과 동시에 경제성까지 가져야 한다. 종래에는 MMIC를 입출력에 도파관을 갖는 금속 모듈안에 장착하고 wire-bonding을 이용하여 회로를 연결하는 방식이 주로 사용되어 왔다. 이러한 방식은 고정밀도의 소량 생산에 사용하는 방식으로 숙련된 작업자가 필요하며 대량 생산은 불가능하다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹 패키징이나 플립칩(flip-chip) 본딩, 멀티칩 모듈(MCM: Multi-Chip Module) 등의 기술이 활발히 연구되고 있으며 30GHz 대역부터 서서히 상용화된 기술이 개발되고 있다. 예를 들어 플립칩 본딩은 MMIC의 뒷면의 접지면을 없앨 수 있는 CPW(CoPlanar Waveguide)기술과 함께 사용한다면 패키징 문제를 상당 부분 해결할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지는 60GHz 대역은 많은 연구 및 기술의 개선이 필요한 실정이다.

3. 현재까지의 개발 동향

가. 전력 증폭기

전력 증폭기의 경우 30GHz 대역의 경우는 수 W급의 MMIC 소자도 개발되어지고 있다. 하지만 60GHz 대역에서는 병렬로 여러 개의 칩을 결합하는 경우에도 수백 mW정도의 소자만이 보고되고 있다. 일반적으로 60GHz 대역에서 전력 증폭기의 특성은 출력전력 24~28dBm(0.3 ~0.7W), 이득 10~13dB, 전력효율 10~27% 정도의 결과가 보고되고 있다.

나. 저잡음 증폭기

저잡음 증폭기의 경우 InP HEMT MMIC가 가장 높은 NF특성을 나타내고 있다. 보통 60GHz대역에서 2dB 정도의 잡음지수가 가장 우수한 것으로 보고되고 있으며, 이는 GaAs보다 0.5dB 이상 우수한 특성이다. 하지만 이 특성은 협대역으로 저잡음 특성을 얻기 위해 설계한 경우를 말하며, 일반적으로 저잡음 증폭기는 이득 특성 및 입력 정합 특성도 우수하여야 하므로 이를 고려하는 경우 1dB정도의 특성의 열화는 설계시 고려하여야 한다. 또한 실제 모듈을 구성하는 경우 손실 등을 감안하면 이 값보다 적어도 0.5dB 정도 더 나빠질 수 있다.

V. 맺는 말

본 원고에서 설명한 바와 같이 60GHz대역의 전파 특성을 이용하여 다양한 무선 통신 시스템에 응용하는 것이 가능하다. 60GHz 대역(대략 55~65GHz)은 광대역 전송이 가능할 뿐만 아니라 산소에 의한 전파의 흡수감쇠가 크기 때문에 다양한 대용량 무선시스템에 응용될 수 있다. 이러한 시스템의 적용 예로는 대용량의 단거리 통신 시스템, 무선 LAN, 가정의 구내 배선의 무선화(wireless homelink) 등이다. 여기에 광통신과 결합되어 광대역 통신을 가능케 하는 이동통신 시스템에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

하지만 이러한 시스템이 본격적으로 상용화되기 위해서는 극복해야 할 기술적인 과제가 많이 산재되어 있으며, 이러한 기술적인 과제를 극복하여야만 이 주파수 대역에서 경제성이 있는 상용 시스템이 출현할 수 있다.

가장 중요한 문제는 안정적이고 신뢰성 있는 반도체 공정을 유지하는 것이다. 현재 국내의 GaAs 반도체 공정은 주로 연구소나 학교에 의해 운용되고 있으므로 생산성과 신뢰성이 많이 떨어진다. 또한 대부분의 응용분야가 최대 30GHz 정도에만 한정하고 있으므로 60GHz 대역에서는 그 신뢰성 및 정확한 모델조차도 보장하고 있지 못하는 형편이다. 따라서 이러한 측면에서 많은 연구와 개선이 이루어져야만 한다. 다음으로 중요한 문제는 경제성 있는 모듈을 만들기 위해 어셈블리 및 패키징 등에도 많은 투자가 이루어져야 한다. 대부분 모듈을 수동작업에 유지하고 있는 한 대량 생산 및 저가격화는 요원한 문제이다.

이상과 같이 60GHz 대역은 발전 가능성이 높은 반면 극복해야 할 기술적인 현안도 산적되어 있는 주파수 대역이다. 따라서 많은 관심과 동시에 현재 이슈가 되고 있는 기술적인 문제점 및 연구동향 등을 정확히 알고 효율적으로 연구 개발에 임하는 것이 중요하다고 판단된다.

현재 국내외적으로 이 주파수 대역의 연구는 활발히 진행되고 있으므로 앞으로 60GHz 대역의 무선 통신시스템이 상용화될 날도 멀지 않았다. 또한 이 주파수에 대한 주파수 분배 역시 국제적 규격이 아직 정해져 있지 않으므로 시스템의 조기 개발 및 시장 선점 등이 60GHz 대역의 무선통신 시장을 주도할 수 있는 중요한 요인이 될 것이다.

<참 고 문 헌>

[1]    http://www.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Orders/2000/fcc00402.doc

[2]    http://www.fcc.gov/oet/dockets/et94-124/etiquette.pdf

[3]    Michael J. Marcus, “Millimeter-wave Spectrum Policy in the USA,” 2001.

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[9]    D. Pavlidis, “HBT vs. PHEMT vs. MESFET : What’s best and why,” 1999 GaAs Mantech.

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