"따라 올테면 따라 와봐"…'세계 1위' 지킬 한국의 5G 기술들[과학을읽다]

[아시아경제 김봉수 기자] 2018년 12월 1일 0시, 대한민국이 세계 최초로 5세대 이동통신(5G)의 첫 주파수를 발사했다. 선수를 놓친 미국이 뒤늦게 55분 후 5G 전파를 발사하면서 땅을 치고 후회했다. 5G 통신 세계 최초 상용화라는 타이틀을 놓쳤기 때문이었다. 이처럼 세계적으로 4차 산업혁명의 '핏줄' 역할을 할 차세대 이동통신, 5G·6G 기술 개발을 위한 경쟁이 치열하다. 우리나라도 5G를 가장 먼저 상용화했지만 서비스 미흡 논란과 중국과 미국의 추격에 시달리고 있기도 하다. 하지만 아직까지 우리나라는 꾸준한 관련 기술 개발을 통해 여전히 선두 지위를 굳건히 지키고 있다. 다음은 국가과학기술연구회가 소개한 한국의 최신 5G, 6G 기술들이다.

◇ 위성과 5G를 합친다

우리나라가 5G를 최초 상용화하긴 했지만 기대와 달리 서비스 품질 논란에 시달리고 있다. 이동통신 3사들이 도시 지역엔 대부분 기지국과 단말기 등 5G 서비스 망을 구축했다. 하지만 산간, 도서 지역은 물론 지방 소도시들은 여전히 인프라 부족에 시달리고 있다. 이를 해결하기 위해 한국전자통신연구원(ETRI)은 지난 1월 위성 통신을 활용해 5G 서비스 영역을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. ETRI는 세계 최초로 5G-위성 다중연결망을 구축해 서비스 시연에 성공했는데, 5G와 위성통신을 동시 연결하여 5G 서비스를 이용하다가도 기지국이 없거나 부족한 지역에서는 위성 통신 서비스를 유지하는 방법이다. 언제 어디서나 5G 서비스를 이용할 수 있다는 얘기다. 이 기술이 실제 서비스되면 5G망이 부족한 도서 산간 지역은 물론 해상 또는 재난 상황에서도 지속적인 초고속 인터넷, 통신 서비스가 가능하다. 특히 2개의 5G-위성 다중연결망을 이용해 한국과 프랑스를 잇는 대륙 간 5G 서비스를 실현해내기도 했다.

◇5G 통신 기반 열차 자율 주행 기술

?한국철도기술연구원은 2020년 9월 세계 최초로 5G 통신 기반의 열차 자율주행시스템 핵심 제어기술을 개발했다. 기존엔 열차의 위치만 고려하던 제어방식이었지만, 이 기술은 선행 열차의 주행 정보를 실시간으로 반영해 열차 간 간격을 제어하고, 열차와 열차가 직접 통신해 분기기를 제어할 수 있다. 열차끼리 직접 통신에 성공한다면 자신의 위치와 방향을 스스로 결정하고 제어할 수 있게 되므로 지상의 신호 설비를 최소화 할 수 있다. 또 정밀 간격제어기술로 열차의 운행 간격을 지금보다 30% 이상 단축할 수 있어 출퇴근 열차 운행 집중시간에 효율적인 운행도 가능하게 된다.

◇기지국 데이터 간섭 현상 해소

2.6GHz가 가장 높은 주파수 대역이었던 4G에 비해, 5G는 3.5GHz 뿐만 아니라 28GHz의 초고주파 대역까지 사용하게 되면서 전송 거리가 짧아져 촘촘한 기지국의 건설이 필요하다. 그런데 너무 촘촘한 기지국의 배치는 데이터 간섭 현상이 생겨 통신 품질이 떨어지게 되는 문제가 있다. 한국표준과학연구원은 2021년 2월 이같은 문제를 해결할 수 있는 5G 주파수 필터를 개발했다.

주파수 필터는 특정 주파수만을 통과시키고 그 외 대역에서는 신호를 차단하는 역할을 하는데요. 5G 통신의 품질을 높이기 위해서는 고성능의 수많은 필터가 필요하게 된다. 연구팀은 기존 해외에서 수입되던 제품보다 뛰어나면서도 저렴한 가격을 자랑하는 필터를 개발했다. 머리카락 두께의 반 정도인 50μm의 필름이다. 필터와 안테나를 연결하는 추가 공정이 필요한 수입 필터와는 달리, 단일층 금속 시트(sheet) 형태로 제작돼 유연하고 스티커처럼 탈부착이 가능하다. 특히 2차원 표면에 미세한 단위 구조를 주기적으로 배열해 전자파나 빛의 반사, 굴절, 투과를 조절하는 ‘메타표면 필터’를 이용했다. 5G 통신 시스템에 최적화된 성능을 가져, 기존 필터 대비 대역폭, 손실특성, 주파수 선택특성 등에서 우수한 성능을 나타낸다.

◇전자파 흡수 소재 개발로 5G 성능 향상

5G 통신망의 핵심 기술 중 하나는 다른 주파수의 간섭을 최소화하는 것이다. 특히 우리 주변의 많은 전자제품에서 발생하는 전자파 노이즈는 다른 제품에 간섭을 일으켜 성능 저하를 발생시키게 된다. 이를 막기 위해선 전자파 차폐 소재가 필수다. 기존의 반사 차폐 소재는 고전도성의 소재를 사용해 들어오는 전자파의 90% 이상은 반사하고 나머지 10% 정도만 흡수한다. 5G의 상향된 통신 주파수를 효과적으로 이용하기 위해서는 단순히 반사만 하는 차폐 소재가 아닌, 흡수 및 제거가 가능한 소재가 필요했다.

한국재료연구원이 올해 3월 세계 최초로 개발한 5G 통신용 필름은 이같은 수요를 완벽히 감당할 수 있는 성능을 가졌다. 1% 이하의 전자파만을 반사하고 90% 이상을 흡수하는 데 성공한 것이다. 연구팀은 먼저 5G 통신에 사용되는 주파수에서 우수한 흡수 성능을 보이는 자성 소재와 고분자를 혼합한 복합소재 필름 위에 전도성 섬유를 격자 형태로 재봉했다. 얇고 유연해 10회 이상 접었다 폈을 때도 성능의 저하가 없었다. 전파간 혼선을 없애고 5G의 통신 성능을 크게 향상 시킬 수 있어 자율주행기술 등의 신뢰성을 크게 높일 것으로 기대된다.