포스테키안

2022 봄호 / 포스텍 연구실 탐방기

2022-04-15 61

POSTECH MADs 연구실

Microwave Antenna, Device and System Lab

Microwave Antenna, Device and System Lab 연구실에서는 많은 양의 데이터 전송을 위한 100GHz 이상의 고주파 통신용 반도체 집적 회로와 양자 현상을 이용하기 위한 양자 컴퓨팅용 집적 회로 개발을 목표로 하고 있다.

약 160여 년 전 맥스웰Maxwell에 의해 전자기파의 존재가 예언된 이후, 전자기파 기술은 꾸준히 발전되어 현재 우리의 일상생활 곳곳에서 활용되고 있다. 우리는 전자레인지로 음식을 데워 먹고, 휴대전화로 실시간 스트리밍되는 최신 음악을 무선 이어폰으로 듣고 있다. 최신 전파 레이더를 장착한 자율 자동차는 스스로 도로를 주행할 수 있다. 저 멀리 위성에 장착된 전파 망원경은 우주 끝을 관찰하거나, 지구 대기와 환경 변화를 감시하고 있다. 물론 모든 관측 데이터는 전파를 통해 다시 지구로 전송된다. 이 외에도 우리가 의식하지 못하는 다양한 곳에서 전파는 사용되고 있다.

그중에서도 무선 통신 기술은 지난 2 ~ 30년간 가장 발전한 분야 중 하나이다. ‘삐삐’라고 하는 숫자 몇 개를 겨우 받을 수 있었던 수준에서, 이후 스마트폰이 탄생하면서 이 세상 인터넷이 모두 손안의 작은 무선 기기로 언제 어디서든 연결되게 되었다. 또한 최근에는 최신 통신 기술인 5세대 이동통신이 상용화되면서 다양한 플랫폼을 이용한 끊김 없는 초고속 통신이 가능하게 되었다. 현재 선두 통신 기업과 세계적인 연구 그룹들은 이러한 5세대를 넘어서 50 – 100배 더 빠른 6세대 이동통신 기술 선점을 위한 기술 경쟁에 뛰어들고 있다. 그리고 그 경쟁의 핵심은 미지의 주파수 대역인 100GHz 이상의 테라헤르츠파 대역을 활용하는 데 있다. 과연 100GHz 이상의 6세대 이동통신 개발은 어떤 의미를 지닐까?

어떤 곳에서 다른 곳으로 정보를 보내기 위해 사용되는 물리적인 통로를 채널Channel이라고 한다. 채널에서 정보가 오류 없이 보내질 수 있는 최대의 속도를 채널 용량이라고 하며, 이는 전송 매체가 수용할 수 있는 정보의 전송 능력으로 볼 수 있다. 채널 용량은 그 채널의 대역폭Bandwidth에 비례하는데 대역폭은 주파수가 올라갈수록 증가하므로 수 GHz 대역에서 동작하는 4세대나, 30GHz에서 동작하는 5세대에 비해, 6세대 이동통신은 이론상 1,000Gbps의 보다 빠른 통신을 가능케 한다. 이러한 초고주파를 이용한 초고속 무선 통신 기술은 단순히 많은 데이터를 짧은 시간에 주고받는 것에 그치지 않고, 보다 순발력 있는 정보 공유를 가능하게 한다. 인공 기술로 구현된 실제와 유사한 가상현실Virtual Reality, VR 및 증강현실Augmented Reality, AR 서비스나 자동차의 자율 주행, 그리고 드론의 사용이 보편화하는 미래가 가까워지는 것이다.

문제는 이 6세대 이동통신에 활용될 것으로 유력한 테라헤르츠파 대역은 인류가 지금까지 단 한 번도 활용해 보지 못한 주파수 대역이라는 것이다. 이는 테라헤르츠 신호를 생성하거나 생성된 신호를 검출할 기술적 수단이 전무했음을 의미한다. 훨씬 높은 주파수의 전자파에 해당하는 X-선의 경우 이미 100여 년 전 음극관을 이용해 발생시킬 수 있었던 것을 상기해 보면, 테라헤르츠파 대역 통신을 위한 연구는 어떤 의미에서 인류가 마지막 전자파 자원을 정복하는 의미를 지닌다고 할 수 있다.

주파수가 증가할수록 표피 깊이Skin Depth1나 기생 저항Parasitic Resistance2 및 어드미턴스Admittance3의 영향을 크게 받아 단위 소자 하나가 낼 수 있는 전력이 낮아진다. 결국 큰 신호를 만들 수 없어 무선 통신 활용이 그만큼 어려워진다. 이러한 문제를 극복하기 위해 최신 테라헤르츠 송수신기 연구에서는 위상 배열 안테나Phased Array Antenna를 통한 빔포밍Beamforming 시스템이 필수적으로 고려되고 있다. 이는 적은 출력을 내는 송신기를 다수 사용하여 출력은 높이고, 각 안테나에서 방사되는 전파의 위상을 조정하여 공기 중에 간섭을 일으켜 최종 전파되는 테라헤르츠파의 방향을 변화시킬 수 있는 기술이다(그림1). 한편, 송수신 구조는 크게 정보 혹은 데이터를 의미하는 Baseband 신호를 최종 무선 통신 신호인 RF 신호로 바로 끌어올려 사용하는 Direct Conversion과 중간 주파수IF signal를 거친 이후에 RF 신호로 올리는 Heterodyne 구조로 나뉜다. Direct Conversion의 경우 대부분의 소자를 고주파 대역에서 사용하는데, 주파수가 올라갈수록 노이즈 성능이 떨어지기 때문에 잡음 성능 지표인 신호 대 잡음 비SNR : Signal-to-Noise-Ratio가 낮으며, 위상을 조정할 수 있는 대역 또한 한정적이다. 이와 달리 Heterodyne의 경우 중간 주파수에서 동작하는 소자들로 자유도가 상대적으로 높으며 LO, IF, RF 등의 주파수 대역에서 선택적으로 위상을 조정할 수 있다. 하지만 중간 주파수로 인한 다양한 간섭 문제가 발생할 수 있어서 만들고자 하는 송수신기의 대역폭이나 변조 방식 등을 고려하여 구조를 선택하게 된다.
본 연구실에서는 100GHz 대역 테라헤르츠파 송수신기에 기술적으로 근접한 E-밴드(60-90GHz)에서 Heterodyne 구조 송신기와 빔포밍 수신기를 개발했으며, 이를 기초로 6세대 이동통신의 후보 주파수 대역인 140GHz 대역 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

위상 배열 시스템의 경우 300GHz에서 대략 50개 이상의 많은 양의 안테나, PA 등의 소자가 필요하다. 따라서 본 연구실에서는 적은 전력으로 효율적인 성능을 내는 소자 기술 또한 개발하고 있다(그림2). 증폭기의 위상을 맞추어 적층한 형태로 사용함으로써 보다 많은 전력을 낼 수 있도록 하고 효율을 증가시킨 적층형 전력증폭기Stacked-PA, 안정도를 낮추는 방향의 임베딩 네트워크를 달아 파워 이득을 향상하는 이득 향상 피드백 증폭기Gain-boosting Feedback Amplifier, 공통 게이트4의 작은 입력 임피던스5와 적은 하모닉Harmonic6생성의 장점을 활용한 공통 게이트 더블러Common-gate Doubler가 대표적인 예시로, 모두 성능이 향상된 것으로 나타났다.

양자 컴퓨터 기술 또한 초고주파 집적 회로 기술을 필요로 한다. 복잡한 양자 현상을 사람이 이해할 수 있는 1, 0과 같은 숫자로 표현하기 위하여 전파를 이용하게 되는데, 여기서 사용되는 집적 회로의 성능 향상을 연구하는 것이다. 컴퓨팅에서 정보의 기본 개체가 비트인 것처럼 양자 컴퓨팅의 기본 개체를 큐비트Qubit라고 한다. 기본적으로 양자 현상에 기반한 큐비트가 만들어 내는 신호의 크기는 굉장히 미약하여서 일반적으로 사용되는 트랜지스터 기반 집적 회로 기술로는 사실상 검출이 불가능하다. 본 연구실에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 이상적으로 잡음이 영Zero이 될 수 있는 파라메트릭 증폭기Parametric Amplifier를 기존 집적 회로 기술로 구현하는 연구를 수행하고 있다. 아직 잡음 수준이 영에 이르지는 못하고 있지만, 세계적인 결과에 비추어 볼 때 수 배 이상 개선된 최고 성능 결과를 거둔 바 있다. 관련해서 파라메트릭 증폭기의 단점인 좁은 대역폭을 개선하기 위하여 서로 다른 동작 주파수를 갖는 회로 여러 개를 병렬로 연결하는 방법을 시도하였고(그림3) 측정을 통해 실현 가능성을 확인하였다. 뿐만 아니라 양자 현상을 이용하기 위한 고속의 양자 컴퓨팅 집적 회로를 개발하고 있다.

[각주]

1 도체의 겉 둘레에 전류 밀도가 몰리게 되는 현상
2 MOSFET의 Source와 Drain에서 의도하지 않게 나타나는 저항 성분으로, 기생 저항이 작을수록 소자 성능이 좋아짐
3 교류 회로에서 전류가 흐르는 정도를 나타내는 수치
4 MOSFET의 Source에 입력이 인가되고, Drain에서 출력이 나오는 구조
5 신호가 입력되는 입력단 쪽의 저항
6 원천주파수(Fundamental Frequency)의 배수 주파수 성분으로, 고조파라고도 함

 

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글 / 전자전기공학과 교수 송호진 . 전자전기공학과 석사과정 김지슬