음향학에 대한 새로운 통찰이 차세대 통신 장치를 재정의할 수 있다

인터넷이 전 세계에 날개를 펼친 지금, 일부 사람들은 통신 붐의 시대가 끝났다고 느릴 수도 있습니다. 또 일부는 통신 장치, 솔루션 및 서비스 분야에서 더 이상 달성할 것이 없다고 생각할 수도 있습니다. 

산업을 오직 추정 성장률만으로 판단한다면 그 성장폭이 미미해 보일 수 있다는 점은 사실입니다. 그러나 이는 성장률을 계산하는 기준 시장 규모가 엄청나게 크기 때문입니다. 전망에 따르면 전 세계 통신 서비스 시장은 2024년부터 2028년 사이에 US$1.5 trillion to US$1.6 trillion 로 성장할 것으로 예상됩니다. 

수조 달러 규모의 시장에서 성장하려면 지속적인 획기적 혁신이 필요합니다. 이러한 솔루션 중 하나는 음향학을 활용해 더 작고 강력한 통신 장치를 만드는 것입니다. 아래에서는 애리조나 대학교 Wyant 광학 과학 대학과 Sandia 국립 연구소의 연구원들이 만든 이 혁신에 대해 논의합니다. 

음향학을 활용한 무선 통신의 차세대 혁명

혁신과 세부 사항을 논의하기 전에, 먼저 음향학을 이해해 보겠습니다. 과학계는 음향학을 “전통적 및 인공적으로 구조화된 재료에서 내재된 기계적 움직임의 본질을 밝히고, 이 지식을 활용해 재료 수준이든 구조/장치 수준이든 물리적 반응의 경계를 확장하려는 신흥 분야”라고 정의합니다. 

핵심 과학적 정의는 이해하기 어려워 보일 수 있지만, 광학과의 비유를 통해 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 광학은 광자를 활용해 광기술을 발전시킵니다. 마찬가지로 음향학은 거의 들리지 않을 정도의 높은 주파수로 재료를 통해 기계적 진동을 전달하는 물리 입자인 포논을 활용합니다. 

우리가 논의하는 연구에서 과학자들은 고도로 특수한 반도체와 압전 재료를 혼합해 포논 간의 거대한 비선형 상호작용을 만들어냈습니다. 이어서 같은 재료로 만든 포논 증폭기를 적용해 스마트폰과 데이터 전송기를 포함한 보다 효율적이고 강력하며 작은 무선 장치를 만들었습니다. 

아리조나 광학 과학 대학과 Sandia 국립 연구소에서 공동 직책을 맡고 있는 연구의 수석 저자 Matt Eichenfield에 따르면:

“대부분의 사람들은 휴대폰 안에 라디오파를 음파로, 다시 라디오파로 변환하는 역할만을 하는 약 30개의 필터가 있다는 사실에 놀랄 것입니다.”

이제 훨씬 작은 음향학 재료를 적용하면, 한 포논 빔이 다른 빔의 주파수를 변환할 수 있어 이러한 다수의 필터가 필요 없게 될 것입니다. 

이 성과는 연구자들이 트랜지스터 기반 전자 대신 음향 파동 기술로 라디오 주파수 신호 처리를 위한 모든 부품을 제작하려는 비전과 일치합니다. 그 결과는 표준 마이크로프로세서가 제조되는 방식과 호환되는 단일 칩에 모든 것이 탑재되는 것입니다. 

그들의 혁신이 가져올 영향에 대해 더 자세히 설명하며, Eichenfield는 다음과 같이 말했습니다:

“이제 라디오 주파수 프론트엔드 프로세서 다이어그램의 모든 부품을 가리키며 ‘네, 이 모든 것을 음향 파동으로 하나의 칩에 만들 수 있습니다. 이제 전체를 음향 영역에서 구현할 준비가 되었습니다.’라고 말할 수 있습니다.”

단일 칩에 모든 것을 탑재하면 통신 장치와 기기를 100배 정도 축소할 수 있을 것이라고 Eichenfield는 추정합니다. 

유사한 연구가 지난해 미시건 대학교 연구팀에 의해 수행되었으며, 그들은 나노스케일 두께의 강유전체 반도체를 이용한 새로운 형태의 재구성 가능한 트랜지스터를 고안했습니다. 

강유전체 고전자 이동도 트랜지스터(FeHEMT)로 스마트폰 통신 장치 축소

FeHEMT가 HEMT보다 우수한 가장 큰 특징은 전기적 편극을 유지할 수 있다는 것으로, 이는 자성의 전기적 형태와 유사합니다. 트랜지스터에 행동 유연성을 부여해 이 반도체는 양극과 음극 사이를 전환할 수 있습니다. 

FeHEMT는 재구성 가능하기 때문에 여러 장치 역할을 할 수 있습니다. 하나의 증폭기가 여러 증폭기의 역할을 수행하며 각각 동적 제어가 가능합니다. 이 특성 덕분에 연구진은 회로 면적을 줄이고 비용과 에너지 소비를 낮출 수 있습니다. 

The FeHEMT에서 HEMT로의 전환은 심도 있는 과학 탐구와 다수의 시도, 테스트, 실험을 포함했습니다. 이 반도체는 스칸듐이 첨가된 알루미늄 나이트라이드로 만들어졌습니다. 최초의 질화물 기반 강유전체 반도체가 되면서 차세대 반도체인 갈륨 나이트라이드와 원활히 통합될 수 있었습니다. 출력은 실리콘보다 최대 100배 빠른 속도를 달성할 수 있었습니다. 고속일 뿐만 아니라 효율도 높고 비용도 저렴했습니다. 

전기·컴퓨터 공학 연구 과학자이자 공동 교신 저자인 Ping Wang은 다음과 같이 말했습니다:

“HEMT에 강유전체성을 추가하면 스위칭을 더 선명하게 만들 수 있습니다. 이것은 고이득에 더해 전력 소비 감소를 가능하게 하여 훨씬 더 효율적인 장치를 만들 수 있습니다.”

또 다른 사례로, 미시건 대학교 전기·컴퓨터 공학 연구팀은 최초의 밀리미터 규모 송신기와 안테나를 구축했으며, 이는 ‘Bluetooth Low Energy를 손쉽게 구동할 수 있다‘
마이크로미터 규모 태양전지가 장치 소형화에 어떻게 길을 열 수 있는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

최초의 밀리미터 규모 송신기와 안테나 구축

David Wentzloff 교수는 팀을 이끌어 최종적으로 Bluetooth Low Energy와 정확히 통신할 수 있는 최초의 밀리미터 규모 장치를 개발했습니다. 송신기와 안테나는 전송 중에 단지 606마이크로와트, 즉 0.6밀리와트만 소비했습니다. 이 시스템은 발진기와 안테나의 독특한 결합을 통해 증폭기를 불필요하거나 중복되지 않게 함으로써 이러한 규모를 달성했습니다. 
이 발명의 잠재력을 설명하면서, Wentzloff 교수는 다음과 같이 말했습니다: 

“무선 연결 장벽을 없애는 것이 열어줄 미래 연구 방향에 대해 기대가 큽니다!”

이 성과는 사물인터넷 분야에 새로운 길을 열고 채택 가능성을 크게 향상시킬 것입니다. 

이 발명은 대학의 핵심 혁신인 Michigan Micro Mote (M3), 세계 최초의 밀리미터 규모 컴퓨터에도 중요했습니다. 이러한 송신기가 M3에 통합되면 일반 스마트폰과의 통신이 더욱 효율적이 될 것입니다. 

그 사용성을 설명하면서, Wentzloff는 다음과 같이 말했습니다: 

“이 라디오는 M3 스택에 최초의 표준 준수 통신을 추가합니다. 이는 M3 장치를 더 빠르게 배포하고 스마트폰에 직접 연결함으로써 감지 데이터를 클라우드로 더 쉽게 전달할 수 있게 합니다.”

이러한 뛰어난 연구는 차세대 통신 표준을 혁신할 것입니다. 전 세계 기업들은 미래를 대비한 통신 장치를 만들기 위해 연구와 자원을 투자하고 있습니다. 이러한 기업들은 이 연구와 실험으로부터 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 아래 섹션에서는 이러한 기업 중 몇몇을 논의합니다. 

#1. Nokia

Nokia는 방대한 통신 장치 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 특히 공간 최적화가 뛰어난 제품군으로는 AirScale Small Cells가 돋보입니다. 

Nokia는 업계에서 가장 방대한 소형 셀 포트폴리오를 보유하고 있으며, 라디오는 모든 배치 시나리오에서 이동통신 사업자와 기업을 지원하도록 최적화되었습니다. AirScale Shikra 라디오라고도 불리며, 밀리미터 파 라디오와 실내 솔루션용 피코 라디오 형태로 제공됩니다.  

Shikra 라디오는 소형이며 독립형 또는 연계형으로 쉽게 배치할 수 있고, 소형 셀에 최적화된 베이스밴드 유닛이 네트워크 구축을 가속화합니다. 컴팩트한 특성 덕분에 mmWave 라디오는 고밀도 도시 지역, 쇼핑 구역, 스포츠 경기장 및 대용량이 필수인 대형 공공 장소 등 다양한 위치에 바로 배치할 수 있습니다. 

Pico 라디오는 다양한 기업용 사례에 대응하는 실내 솔루션으로, 다중 무선 접속 기술과 유연한 네트워크 구성을 지원합니다. Nokia는 별도의 베이스밴드 유닛이 필요 없는 올인원 소형 셀 솔루션도 제공하여 실내외 모두에서 간편한 플러그 앤 플레이 설치와 배치 유연성을 제공합니다. 

2023 회계연도에 Nokia는 연간 매출이 222.58억 유로라고 보고했으며, 이는 전 회계연도 249.1억 유로에 비해 크게 감소한 수치입니다. 영업 이익도 2022 회계연도 310.9억 유로에서 2023 회계연도 237.5억 유로로 감소했습니다. 

#2. Motorola Solutions

Motorola는 미래지향적이고 정교하며 최첨단 통신 장치를 세계에 소개하는 선구자였습니다. 이 연구의 혜택을 크게 받을 수 있는 장치 중 하나는 Motorola의 TLK 25 웨어러블 통신 장치로, 무게는 73그램이며 크기는 3.2×1.9×0.7입니다. 

핵심적으로 TLK 25는 워키토키의 푸시투톡 기능을 넘어서는 웨어러블 WAVE PTX 장치입니다. 이 장치는 소형이고 견고하며 직관적인 음성 비서를 탑재했습니다. Wi-Fi 연결이 가능하고 Wi-Fi가 없을 경우 전국 LTE를 사용합니다. 직관적인 음성 비서는 통신, 장치 설정, 안전 기능, 상태, 알림 및 경고에 손쉽게 접근할 수 있게 합니다. 

Motorola의 TLK 25 제품군은 소형화와 기능의 간결함을 강점으로 합니다. 이러한 장치는 연구와 전송 솔루션을 통해 더욱 슬림하고 효율적으로 개선될 경우 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 

현대 세계에서 통신 장치의 역할

인류 문명이 효율적인 통신 수단과 도구 없이 제대로 살아가기란 어려울 것입니다. 차세대 통신 장치는 미래에 더 쉽게 채택될 수 있도록 다양한 특성을 갖추어야 합니다. 

예를 들어, 이러한 장치는 가장 혹독한 환경을 견딜 준비가 되어 있어야 합니다. 이들은 효율적이어야 하며 지금까지 이 분야에서 이루어진 모든 혁신, 특히 음성, 비디오 및 데이터 피드를 동시에 처리할 수 있을 만큼 충분히 효율적이어야 합니다.

이 모든 서비스를 제공하면서도 장치의 무결성을 손상시켜서는 안 됩니다. 책임 있게 구축된 AI 분석을 활용한 정교한 보안 시스템 덕분에 이는 더 이상 문제되지 않습니다. 

하지만 이러한 모든 특성과 기능을 갖추면서도 부피가 크거나 빠르게 과열되거나 제조 비용이 비싸지는 않아야 합니다. 

차세대 통신 장치는 이러한 점을 고려해 진화할 것입니다. 이미 새로운 기술 패러다임이 등장해 이러한 진화를 가속화하고 있습니다. 예를 들어, 가시광 통신(VLC)/Li-Fi와 같이 데이터 전송이 라디오파가 아닌 빛을 통해 고속으로, 강도 조절을 통해 이루어지는 기술에 대한 논의가 활발합니다. 

이러한 솔루션은 기존 통신의 대역폭을 넘어서는 매우 높은 속도를 제공한다. 전통적인 방식과 달라 보안 및 신뢰성 표준을 강화할 수 있다. 연구자들은 이러한 솔루션이 군사 분야에 적합하다고 믿고 있다.

데이터 전송 하드웨어 외에도 센서 기술 분야에서 많은 진전이 이루어졌으며 이러한 기술은 기존 IoT 및 자동화 지원 인프라를 업데이트하는 데 도움이 될 것입니다. 

ASSIA Inc.가 제시한 데이터에 따르면, 2024년 3월 초부터 미국 내 PC/휴대폰 업로드 트래픽이 최대 80% 증가할 것으로 예상됩니다. 세계는 COVID-19 팬데믹 이전보다 훨씬 더 가상화되었습니다. 웹캠, PC, 노트북이 지속적으로 영상 스트림을 송출하고 있습니다. 의료 서비스, 교육 및 기타 긴급 서비스 제공도 훨씬 더 가상화되었습니다. 이러한 상황을 해결하려면 보다 공간 최적화되고 효율적인 장치가 필요합니다. 또한 5G 대응이 가능해야 합니다. 

조직과 기업은 차세대 통신을 보다 효율적이고 비용 효율적으로 만들기 위해 지속적으로 자원과 연구에 투자해야 합니다.

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