6G로 가는 길은 그래핀으로 포장될 수 있다

무선 통신 기술의 미래는 빠르게 발전하고 있습니다. 전 세계 운영자들이 5G를 출시하기 시작한 것은 2019년에 불과했습니다. 5G가 아직 전 세계적으로 구현 중인 반면, 6G는 이미 개발 단계에 들어섰습니다. 

6G는 무선 기술의 여섯 번째 세대입니다. 첫 번째 세대인 1G는 1980년대에 등장해 아날로그 음성을 제공했습니다. 이어 1990년대 초에 2G가 도입되어 디지털 음성을 제공했으며, 음성 품질뿐 아니라 배터리 수명과 네트워크 보안도 향상시켰습니다.

2000년대 초에 3G가 이어 등장했으며, 모바일 데이터와 영상 통화, 멀티미디어 메시징 지원 등 새로운 가능성을 열었습니다. 2010년대의 4G는 지연 시간이 감소하고 대역폭 속도가 높아진 모바일 브로드밴드 시대를 열었습니다. 한편 5G는 속도를 더욱 높이고 증강 현실(AR) 및 자율 주행과 같은 애플리케이션을 지원합니다.

따라서 무선 통신 기술의 각 새로운 세대는 새로운 기능을 제공했으며, 6G도 마찬가지입니다. 

무선 통신 분야의 혁신과 개선 추세를 이어가면서, 6G는 대역폭과 속도의 증가, 극도로 낮은 지연 시간 및 신뢰성을 제공할 것입니다. 이 기술을 통해 궁극적으로 어디서든 무선 지능과 통신을 제공하는 것이 목표입니다.

새로운 기술은 기존 네트워크와 동일한 기본 요소인 기지국, 라우터, 안테나 등을 사용할 것이지만, 무선 통신 능력을 더욱 향상시키는 새로운 기술을 활용한다는 점에서 차별화됩니다. 

이는 6G가 5G 위에 구축되어 현재 기술이 제공하는 네트워크 연결성 향상을 더욱 완벽하게 만들겠다는 의미입니다. 

높은 속도와 예측 가능한 낮은 지연 시간을 제공하는 것 외에도, 6G 네트워크는 비용 효율적인 방식으로 급증하는 트래픽 수요를 처리할 것으로 예상됩니다. 또한 궁극적으로 전 세계적인 완전 커버리지를 달성해 모든 사람에게 접근성을 제공할 수 있습니다. 그러나 이렇게 많은 디바이스를 지원하려면 서비스 제공자와 소비자 모두에게 지속 가능한 비용이 필요합니다. 

하지만 이것만으로는 충분하지 않습니다. 이러한 개선과 원격 지역 연결을 통한 전 세계 커버리지 외에도, 기술 발전은 인프라에 대한 악의적인 공격에 대한 저항력과 자연 재해 및 지역 교란에 대한 회복력을 제공해야 합니다.

6G 기술의 이러한 모든 진보는 정밀 의료, 스마트 농업, 스마트 시티, 디지털 트윈, 우주 통신 및 로봇 내비게이션에 도움이 될 것입니다. 또한 네트워크 에지에서 실시간 데이터 처리와 분석을 가능하게 하고 수십억 개의 상호 연결된 디바이스를 일상 생활에 원활히 통합할 수 있게 합니다. 6G 도입은 환경 영향을 최소화하고 지속 가능한 개발을 촉진하는 친환경 혁신에도 기여할 것으로 기대됩니다.

6G가 매우 진보된 미래를 약속하지만, 비용과 보안 등 여러 과제에 직면해 있습니다. 이 기술을 구현하려면 대규모 새로운 인프라가 필요하며, 이는 구축 비용이 많이 듭니다. 또한 오픈소스 기술, 가상 네트워크 및 IoT는 보안 침해에 대한 취약성을 높일 것입니다.

여기서는 양자 암호화, 블록체인 및 AI의 예측 능력이 가능한 보안 솔루션으로 탐구되고 있으며, 많은 물리적 구성 요소의 가상화가 비용 절감에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

이 기술의 전 세계 시장 규모는 2032년까지 405억 달러에 이를 것으로 예상되며, 초연결성에 대한 수요, 낮은 지연 시간과 높은 데이터 전송률의 이점, 차세대 애플리케이션에 대한 기대, 테라헤르츠 주파수와 AI 활용, 디지털 격차 해소 가능성 등이 원동력입니다.$40.5 billion

6G 기술은 이번 십년 말까지 롤아웃을 시작할 것으로 예상됩니다. 현재는 아직 초기 연구 단계에 있습니다.

양자 물질을 활용한 무선 통신 개선

전 세계적으로 무선 통신 기술을 획기적으로 개선하려는 관심이 커짐에 따라, 연구자들은 무선 통신에서 더 빠르고 효율적인 기술을 구현할 다양한 방법을 탐구하고 있습니다.

연구팀은 이제 그래핀 기반 구조에서 테라헤르츠(THz) 파의 주파수 변환을 증폭하는 방법을 발견했습니다. 

테라헤르츠(THz) 무선 통신 시스템은 특히 넓은 대역폭을 포함한 THz 스펙트럼에서 점점 더 넓은 대역폭과 주파수를 추구함에 따라 큰 주목을 받고 있습니다.

현재 애플리케이션에는 메가헤르츠 대역폭으로 충분하지만, 미래 네트워크 통신 시나리오에서는 수 기가헤르츠(GHz) 수준의 대역폭이 필요합니다. 고주파이며 파장이 매우 짧은 THz 파는 데이터를 더 빠르게 전달할 수 있습니다.

테라헤르츠(THz)는 0.1~10 THz 범위의 전자기파를 측정하는 주파수 단위입니다. 이 파는 인체, 동물, 식물에 비침습적이며 안전하고, 적외선과 밀리미터파 사이의 전자기(EM) 스펙트럼에 위치합니다.

즉, THz 파는 불투명한 물질을 통한 비침습적 이미징에 활용될 수 있어 품질 관리 및 보안 애플리케이션에 사용됩니다.

그 엄청난 대역폭 잠재력은 초고속 데이터 전송률을 가능하게 하며, 물론 5G를 넘어서는 기능을 구현합니다. 그러나 이 유망한 기술은 공기와 수증기와 같은 대기 성분에 쉽게 흡수되어 거리와 함께 신호 강도가 감소합니다. 

THz 파의 무선 통신 잠재력에 관해, THz 비선형 광학 분야에서 진전이 이루어졌습니다. 비선형 광학은 빛과 물질의 상호 작용을 연구하여 독특한 현상을 만들어내며, 여기에는 광학 고조파 생성이 포함됩니다.

THz 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 오타와 대학교 연구진은 전자기 신호를 더 높은 진동 주파수로 업컨버트할 수 있는 장치를 개발했습니다. 이는 GHz 전자와 THz 광자 사이의 격차를 효과적으로 좁힐 수 있습니다.

최신 연구 결과는 Nature에 발표된¹ 연구에서 팀이 그래핀 기반 장치의 THz 비선형성을 향상시키는 혁신적인 전략을 보여주었습니다.

“[This]는 THz 주파수 변환기의 효율성을 개선하는 데 있어 중요한 진전이며, 다중 스펙트럼 THz 응용 및 특히 6G와 같은 미래 통신 시스템에 필수적인 요소입니다.”

새로운 연구에서 시연된 방법을 사용하면 그래핀의 고유한 광학적 특성도 활용될 수 있습니다.

흑연에서 추출된 그래핀은 순수 탄소로 구성되어 있으며, 이는 자연에서 가장 중요한 원소 중 하나입니다. 이 새로운 양자 물질은 실제로 단일 탄소 원자 층으로 이루어져 있으며, 강인하고 가볍고 유연한 특성으로 알려져 있습니다.

이 2D 물질은 또한 저항성 및 높은 열·전기 전도성으로 알려져 있습니다. 더 중요한 것은 그래핀이 뛰어난 광학적 특성을 가지고 있다는 점입니다. 여기에는 밴드 구조에 따라 달라지는 가시광선 영역에서의 높은 투명도, 조절 가능한 적외선 광 흡수율, 그리고 THz 주파수 범위까지의 광반응성이 포함됩니다.

이러한 놀라운 특성들 덕분에 그래핀은 에너지, 건설, 의료 및 전자 분야에서 귀중한 소재가 됩니다. 특히 큰 광학 비선형성과 장치에의 쉬운 통합 덕분에 그래핀은 신호 처리 및 무선 통신 애플리케이션을 위한 전광 스위칭 및 주파수 변환 기술의 핵심 부품이 되기에 이상적인 후보입니다.

이전에 THz 빛과 그래핀을 결합한 연구들은 주로 기본적인 빛-물질 상호작용에 초점을 맞추었습니다. 단일 매개변수만을 평가하면 비선형 효과가 다소 약합니다.

따라서 최신 연구는 여러 혁신적인 접근 방식을 결합하여 이러한 비선형 효과를 개선하고 동시에 그래핀의 고유한 특성을 최대한 활용했습니다.

그래핀 기반 구조에서 THz 비선형성을 강화하기 위해, 팀은 다층 설계를 사용해 상호 작용 길이를 늘리고 전기 게이트로 캐리어 밀도를 제어했으며 금속 메타표면 기판으로 THz 필드의 공간 분포를 조절했습니다. 

새로운 실험과 그 장치 구조에 대해, uOttawa 초고속 THz 그룹의 박사과정 학생 Ali Maleki는 “그래핀을 넘어선 다양한 소재를 탐색하고 새로운 비선형 광학 메커니즘을 식별할 가능성을 제공한다”고 언급했습니다. 

팀은 제3 고조파 생성(THG) 향상 계수가 30배를 초과했으며, 두 자릿수(두 배) 증가를 달성할 수 있는 설계를 제안했습니다. 

연구 결과를 수집하고 분석한 Maleki는 이 연구가 THz 주파수 변환 기술을 정교화하는 데 필수적이라고 믿습니다. 그의 말에 따르면, 이 개발은 궁극적으로 이 기술을 실제 애플리케이션에 통합하는 데 도움이 될 것이며, 특히 미래 통신 시스템을 구동할 효율적인 칩 통합 비선형 THz 신호 변환기를 구현하는 데 기여할 것입니다.

6G 주요 기업

6G 개발을 주도하기 위한 경쟁은 중국, 미국, 한국, 유럽, 인도 등 모든 국가가 고급 계획을 실행하고 있습니다. 

기업들은 개발을 가속화하기 위해 협력하고 있습니다. 삼성전자는 일본 최대 이동통신사인 NTT Docomo와 파트너십을 맺어 “통신 산업에서 AI 기반 혁신을 가속화”하고, 이는 6G와 같은 미래 통신을 실현할 것입니다. 소프트뱅크는 AI를 활용한 6G 기술 통신 시스템 개발을 위해 노키아와 양해각서를 체결했습니다. 한편, 애플은 6G 분야에 더 깊이 파고들기 위해 팀을 확대하고 있습니다.

따라서 모두가 6G 열차에 탑승한 지금, 발전으로 큰 이익을 얻을 수 있는 주요 상장 기업 몇 곳을 살펴보겠습니다.

1. Qualcomm Inc.

이 반도체 거대 기업은 이미 5G 모뎀 공급에 관여하고 있으며, 리더십 유지를 위해 지속적으로 투자하고 있습니다. Qualcomm (QCOM ) 은 정기적으로 6G에 대한 비전을 제시하고 있으며, 이를 위한 인프라와 디바이스를 지원하는 고급 반도체 솔루션 및 무선 표준을 개발해 왔습니다.

지난 달, 회사는 언급했으며, 6G가 확장된 스펙트럼 가용성과 사용 효율성 향상의 과제를 해결하도록 설계되었다고 밝혔습니다. 또한 저·중·고 스펙트럼 대역 전반에 걸친 기회를 열어 커버리지와 용량을 향상시키고, 생성 AI 및 몰입형 XR과 같은 고성능 애플리케이션을 가능하게 할 것입니다.

Qualcomm의 목표는 새로운 스펙트럼을 개척하고 기존 대역의 운영 효율성을 향상시키는 혁신을 주도하는 것입니다. 

다가오는 6G 시대를 대비하기 위해 Qualcomm은 스펙트럼 규제 기관, 이동통신사, OEM 및 학계와 협력해 왔습니다. 특히 7GHz에서 16GHz 범위의 상위 중대역을 6G에 대비해 준비하고 있습니다.

‘Giga-MIMO’라 불리는 이 기술은 기지국에 훨씬 더 밀집된 안테나 배열과 보다 복잡한 디바이스 베이스밴드 및 무선 주파수(RF) 설계를 특징으로 합니다. Qualcomm은 또한 확장된 5G mmWave 테스트 네트워크를 도입했으며, 이는 통합 통신 및 센싱을 위한 기본적인 기반이 될 것입니다.

Qualcomm의 글로벌 무선 연구 책임자인 John Smee는 인터뷰에서 6G가 공기 인터페이스 기반과 통합 지상/비지상 네트워킹(TN/NTN)을 더욱 구축할 것이라고 말했습니다. 5G에서 6G로의 전환에 대해 그는 무선 연결성을 크게 향상시키고 AI, 센싱, 디지털 트윈과 같은 새로운 서비스를 가능하게 할 것으로 기대합니다. 

특히 AI에 관해 Smee는 AI가 5G뿐 아니라 6G 시스템 성능, 운영 효율성 및 사용자 경험을 향상시키고, 대규모 새로운 사용 사례를 열어줄 것이라고 언급했습니다. 그에 따르면 AI 네이티브 패러다임은 디바이스와 네트워크에 더 많은 혁신을 가져올 수 있습니다.

현재 Qualcomm의 재무 상황을 살펴보면, 시가총액 1902.4억 달러인 이 회사의 주가는 현재 $174에 거래되고 있습니다. 주가는 연초 대비 12.04% 상승했습니다. EPS(TTM)는 8.95이며, P/E(TTM) 비율은 19.24입니다. 또한 배당 수익률은 1.98%입니다. 

마지막 보고된 분기(2024년 9월 종료)에서, 회사는 비GAAP 매출 102억 달러, 비GAAP 주당순이익 2.69달러를 기록했으며, EPS는 전년 대비 30% 이상 성장했습니다. Qualcomm은 또한 주주에게 22억 달러를 반환했으며, 이 중 13억 달러는 자사주 매입, 9억 4700만 달러는 배당금이었습니다. 2024 회계연도의 자유 현금 흐름은 112억 달러로 보고되었습니다.

이 회사는 또한 다각화 전략에서 상당한 진전을 이루었으며, 이를 통해 PC, 자동차 및 기계용 칩을 생산할 수 있게 되었습니다.

“우리는 Qualcomm을 무선 통신 회사에서 AI 시대를 위한 연결 컴퓨팅 회사로 지속적으로 전환할 것입니다.”

– 당시 CEO Cristiano Amon

2. Verizon Communications 

2020년, 이 통신 제공업체의 CTO는 말했습니다 “6G가 도대체 뭔지 모르겠다”며, 현재는 5G 강화에 집중하고 있다고 밝혔습니다. 그러나 이 회사는 다른 무선 산업 리더들과 함께 Next G Alliance를 설립하는 데 눈에 띄게 참여했습니다.

Verizon은 Qualcomm, Samsung, AT&T (T ), Apple (AAPL ), Google, Ericsson (ERIC ), Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T-Mobile, US Cellular와 함께 연합을 구성했습니다. 이 연합은 국가 차원의 6G 로드맵을 개발하고, 정부 정책 및 자금 지원에 대한 이해관계자 우선순위를 맞추며, 다양한 분야에서 6G 기술 채택을 가속화하기 위한 전략을 식별하는 것을 목표로 합니다.

Verizon의 재무 상황을 살펴보면, 시가총액 1664.5억 달러인 이 회사의 주가는 현재 $40.10에 거래되고 있습니다. 주가는 연초 대비 1.13% 하락했습니다. EPS(TTM)는 4.15이며, P/E(TTM) 비율은 9.54입니다. Verizon은 6.85%에 달하는 높은 배당 수익률을 지급합니다.

2024년 4분기에 Verizon은 보고했습니다 “업계 최고 수준”의 무선 서비스 매출이 200억 달러에 달했다고. 총 영업 매출은 357억 달러였으며, 통합 순이익은 51억 달러였습니다. 회사의 총 무담보 부채는 1,179억 달러였습니다. 

4분기는 맞춤형 myPlan 및 블랙 프라이데이 프로모션에 힘입어 무선 가입자 증가 측면에서 Verizon에게 5년 만에 최고의 분기가 되었습니다. 또한 회사는 약 100만 명의 후불 모바일 및 광대역 가입자를 추가했으며, 이는 10년 넘게 최고의 분기 실적입니다. 고정 무선 가입자는 거의 460만 명에 달했습니다. 또한 Verizon은 AI 붐을 활용해 기업이 AI 워크로드를 대규모로 관리할 수 있도록 하는 Verizon AI Connect를 공개했습니다.

결론

이전 세대 기술에서는 인간 간 커뮤니케이션에 초점을 맞추고 데이터 소비에 근본적인 변화를 일으켰다면, 이제는 IoT 및 자동화 시스템을 연결하는 데 초점이 맞춰지고 있습니다. 그러나 6G와 함께 인간과 디지털 세계는 원활하게 융합되어 향상된 경험을 제공할 것입니다.

기술 발전, 디지털화 확대, 고급 사용 사례 및 극한 성능 제공이 6G 시장을 앞으로 나아가게 할 것입니다. 초고속, 낮은 지연 시간 및 전 세계적인 연결성을 갖춘 6G 기술은 자율 주행 자동차, 스마트 시티 및 가상 현실을 통해 새로운 미래를 구동할 것입니다. 

이 새로운 무선 기술 세대는 2030년 초에 출시되면 경제와 사회를 형성할 것으로 예상됩니다. 그러나 높은 초기 비용, 제한된 스펙트럼 가용성 및 표준화 과제와 같은 장벽이 먼저 극복되어야 합니다.

여기서 논의된 연구와 같은 연구는 이 기술을 현실화하는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 6G의 미래 역량에 핵심적인 테라헤르츠(THz) 주파수 통신을 가능하게 하는 그래핀의 가치를 보여줍니다. 따라서 연구가 진행되고 정부가 이니셔티브를 도입하며 기업들이 협력함에 따라, 우리는 이미 더 연결되고 혁신적인 미래를 약속하는 6세대 무선 기술을 향한 진전을 시작했습니다!

그래핀 정제는 상용화의 핵심입니다.

연구 참고문헌:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}