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Nikkei X-TECH_2020.9.25

6G 테라헤르츠로 게임체인지
2030년대의 실용화, 소재 및 네트워크 구성이 일변

2030년대의 실용화를 목표로 하는 무선기술 ‘6G’의 논의가 활발해지고 있다. 6G에서는 5G(5세대 이동통신 시스템)에서 취급하는 주파수대보다 더욱 높은 테라헤르츠(THz) 대역 활용의 실현 가능성이 보이기 시작했다. 테라헤르츠대 활용은 네트워크 토폴로지에서 디바이스의 소재까지를 일변시키는 게임체인저가 될 가능성이 있다. 노하우를 재빨리 획득하는 것이 6G 시대의 주도권을 잡는데 필수적이다.

6G는 5G 보다 고속화된 100G 비트/초의 통신과 하늘과 바다, 우주 등 모든 장소로의 초(超) 커버리지 확장 등이 요구 조건으로서 논의되고 있다. 100G비트/초의 초고속·대용량을 실현하는데 있어서 열쇠를 쥐고 있는 것이 테라헤르츠대의 활용이다. 높은 주파수대일수록 빈 공간이 많아, 넓은 대역폭을 사용할 수 있다.

5G에서는 현재 밀리파대인 52.6GHz 사용까지 표준화되어 있다. 장래적으로는 90 GHz대의 이용까지 확장될 전망이다. 6G에서는 한층 더 높은 테라헤르츠대 100G~300GHz대에 초점이 맞춰져 있다. 테라헤르츠대는 산업용 도로는 거의 다루지 않아 막대한 전파 자원이 잠자고 있다.

-- 테라헤르츠대는 벽의 요철로 인해 산란 --
그러나 테라헤르츠대의 전파를 다루는 것은 5G의 밀리파대에 비해 한층 더 어렵다. 빛에 가까운 특성을 갖고 있기 때문에 전망 환경 이외의 장소에 전파가 닿기 어렵기 때문이다. 나무와 인체, 강우, 대기의 영향으로 전파가 쉽게 차단된다. 게다가 테라헤르츠대의 파장은 1 mm레벨이 되기 때문에 “지금까지 평평하게 보였던 벽의 요철도 보이게 된다”(NTT 도코모 네트워크 이노베이션 연구소의 스야마(須山) 씨)라고 한다. 벽의 재질에 의한 전파의 산란이라는 지금까지의 무선통신에서는 상정하지 않았던 작용이 일어나게 된다.

쓰야마 씨는 이러한 과제를 해결해 테라헤르츠대의 장점을 살리기 위해 “6G는 분산 네트워크 토폴로지가 적합하다」라고 지적한다.

분산 네트워크 토폴로지란 단말기 주위에 가능한 한 다수의 안테나를 설치해 근거리 전망 환경의 통신 경로를 다수 만드는 구성이다. “어느 하나의 통신 경로가 끊어졌다고 해도, 다른 경로로 커버할 수 있다. 신뢰성을 높일 수 있으며 테라헤르츠대와 같은 높은 주파수대는 물론, 무선 급전과의 궁합도 좋다”(기시야마 씨)라고 한다.

과거의 무선통신은 셀 사이가 간섭하지 않도록 하는 육각형 셀 구성이 이상적인 것으로 알려져 왔다. 4G(제 4세대 이동통신 시스템) 이후에는 스몰셀과 매크로셀을 중첩하는 ' 헤테로지니어스(Heterogeneous) 네트워크'라고 불리는 토폴로지 구성이 일반적이 되었다. 6G로 분산 네트워크 토폴로지가 주류가 된다면 지금까지의 네트워크 구축 방식에서 완전히 바뀌게 된다.

무엇보다 분산 네트워크 토폴로지에는 과제가 남아있다. 다수의 안테나를 설치하는데 따른 전파 간섭을 어떻게 억제할 것인가 하는 점, 그리고 수많은 안테나를 눈에 띄지 않게 어떻게 설치할 것인가 하는 점이다. 후자에 대해 기시야마 씨는 “사람이 생활하고 있는 장소에는 불빛이 비추고 있다. 그 때문에 가로등이나 조명 등에 안테나의 기능을 탑재하는 것이 이상적일 것이다」라고 지적한다.

-- 소재도 실리콘계에서 화합물계로 --
6G로 테라헤르츠대의 활용이 실용 국면에 들어가게 되면 무선 디바이스의 제작 방법이나 소재도 완전히 바뀌게 될 전망이다. 고주파수대가 되면 될수록 고성능인 안테나와 신호 처리, 앰프가 요구된다. 전력 소비도 많아지기 십상이다. 얼마나 저소비 전력으로 저비용인 디바이스 기술을 확립할 지가 포인트가 된다. “배선에 의한 손실이 많아지기 때문에 안테나와 회로 부분을 일체화하는 것과 같은 어프로치도 포인트가 된다”라고 스야마 씨는 말한다.

디바이스 소재로 말하자면, 테라헤르츠대의 영역에 들어가면 지금까지의 실리콘계와 함께, 갈륨(Ga)이나 인듐(In), 인(P) 등의 화합물계도 유력 후보가 된다. “6G의 디바이스 소재로서 화합물계가 좋은 것인가? 그렇지 않으면 지금까지의 실리콘계가 좋은 것인가? 향후 반도체의 진화 시나리오와 함께 2030년대에 매치한 소재를 고려할 필요가 있다”라고 스야마 씨는 지적한다.

6G로 미지의 영역인 테라헤르츠대를 개척하는 것은 지금까지의 무선통신 상식을 크게 바뀌게 한다. 이 시점에서 빨리 노하우를 터득하는 것이 세계를 리드하는 다시없는 기회가 될 것이다.

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