진짜 빠른 5G, 고성능 필터로 실현한다
- 스티커처럼 붙여 반영구적 사용 가능한 ‘5G 주파수 필터’ 개발 -
- 인공지능 기반으로 최적화 설계… 원하는 주파수만 통과시켜 5G 통신품질 향상 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 5G 통신품질을 높여줄 ‘5G 주파수 필터’를 개발하는 데 성공했다. 통신사 간 주파수 간섭을 개선하고, 세계 최고 수준의 5G 통신품질을 구현하는 데 도움이 될 것으로 전망된다.

▲ KRISS 융합연구팀
(왼쪽부터 첨단측정장비연구소 윤달재 선임연구원, 물리표준본부 황인준 선임연구원,

소재융합측정연구소 이인호 책임연구원, 물리표준본부 홍영표 책임연구원)

KRISS 융합연구팀*은 인공지능을 기반으로 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 ‘5G 주파수 필터’ 구조를 설계했다. 이를 바탕으로 제작된 필터는 외산 제품보다 성능이 뛰어나고 가격이 저렴해 산업 현장에 즉시 투입이 가능하다.

  * KRISS 전자파표준그룹(5G플러스팀), 소재융합측정연구소(저차원소자물질연구팀) ,첨단측정장비연구소(연구장비플랫폼팀)

2019년 4월 서비스를 시작한 5G는 공간의 제약 없이 많은 양의 데이터를 고속으로 즐길 수 있다. 최근 한 대기업은 4 GB(기가바이트) 용량의 영화 1편을 약 6초 만에 내려받을 수 있는 기술을 선보이기도 했다.

5G 통신품질을 높이기 위해서는 주파수 상호간섭을 최소화하는 고성능 필터가 필요하다. 5G의 핵심기술로 꼽히는 밀리미터파 5G*의 통신 성능을 향상하려면, 통신사별로 주어진 가용 주파수 대역을 명확하게 구분해야 한다. 이상적인 필터는 특정 주파수 사이에서는 신호를 모두 통과시키고 그 외의 주파수 대역에서는 신호를 완전히 차단한다.

  * 밀리미터파 5G: 종래의 주파수 대역(3.5 GHz)보다 훨씬 더 높은 주파수 대역(28 GHz 등)을 이용하는 5G 기술이다. 국내 이동통신 3사(KT, LGU+, SKT)의 가용 주파수 대역은 매우 인접해 있어, 이를 구분하기 위한 필터가 필요하다.

대규모 다중입출력(Massive MIMO)* 기술을 활용하는 5G 기지국 통신장비에는 안테나 수만큼 많은 필터가 사용된다. 시장의 80% 이상을 점유한 외산 제품의 경우, 안테나와 필터를 연결할 때 체결 및 접합 같은 조립 과정이 필요해 필터 간 품질 편차가 발생할 수 있다.

  * 대규모 다중입출력(Massive MIMO): 수백 개의 안테나를 2차원 평면에 배치해 여러 사용자를 동시에 연결하고 통신 속도를 높이는 기술이다.

▲ 5G 안테나(좌)와 인공지능을 기반으로 설계한 5G 주파수 필터(메타표면 필터) 개념도

KRISS 융합연구팀은 외산 제품보다 성능이 뛰어나면서 품질이 균일하고, 가격은 저렴한 필터 개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 ‘5G 주파수 필터’는 명함 두께 4분의 1인 50 μm(마이크로미터, 100만분의 1 미터) 정도로 매우 얇은 필름 형태다. 필터와 안테나를 연결하는 추가 공정이 필요한 외산과 달리, 단일층 금속 시트(sheet) 형태로 제작돼 유연하고 스티커처럼 탈부착할 수 있다.

  ㅇ 필터 성능평가는 상용 수준의 5G 안테나와 결합한 환경에서 이뤄졌다. KRISS에서 개발한 필터는 외산 필터보다 대역폭, 손실특성, 주파수 선택특성 등에서 더욱 우수한 성능을 나타냈다.

연구팀은 인공지능을 기반으로 자체 개발한 광역최적화 방법을 적용해 5G 통신시스템에 최적화된 성능을 가진 필터를 설계했다. 이를 ‘메타표면 필터’라고 하는데, 2차원 표면에 미세하고 복잡한 단위 구조를 주기적으로 배열해 전자파나 빛의 반사, 굴절, 투과 등의 성질을 조절하는 구조이다.

▲ KRISS 융합연구팀이 개발한 얇은 필름 형태의 5G 주파수 필터를 들고 있다.

KRISS 홍영표 책임연구원은 “융합연구팀이 개발한 필터는 고성능, 저비용, 획기적 설계방법으로 5G 주파수 필터 시장의 판도를 바꿀 경쟁력 있는 제품”이라며, “이번 기술은 5G 안테나 빔포밍 기술뿐만 아니라 국방 스텔스 기술 등에도 쓰일 수 있다”라고 밝혔다.

이번 연구 완성을 위해 개발된 요소기술은 통신 분야의 저명한 국제학술지(IEEE Access)에 지난 2월 게재됐으며, 인공지능을 기반으로 한 설계기술은 특허로 출원됐다.