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1958호2020.08.05.

「주간기술동향」은 과학기술정보통신부 「ICT 동향분석 및 정책지원」 과제의 일환으로 정보통신기획평가원(IITP)에서 발간하고 있습니다.

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1958호

기획시리즈 2그래핀 기반 웨어러블 디바이스 기술 동향

[김완수/한국산업기술대학교]

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재 기술 동향

Ⅲ. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 기술 동향

Ⅳ. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 형태/기능 기술 동향

Ⅴ. 결론

ICT 신기술 16미래 전술통신체계 적용기술 동향

[김동일/육군정보통신학교]

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 현재의 전술통신체계 운영개념과 적용기술

Ⅲ. 미래 전술통신체계에 적용이 필요한 핵심기술 소요

Ⅳ. 결론

ICT R&D 동향 28200Gbps MIMO RF Front-end 및 전송 시스템 기술 개발

[박철순/한국과학기술원]

유전자-개미 식민지 최적화 알고리즘을 기반으로 한 소프트웨어 정의

네트워킹의 동적 부하분산 기법 기술

[윤희용/성균관대학교]

주간기술동향 2020. 8. 5.

2 www.iitp.kr

*

I. 서론

그래핀(graphene)은 2차원 평면 상에서 탄소원자 1층으로 구성되어 있으며, 특히 탄소

원자들이 6각형의 벌집 형태로 결합되어 있는 구조를 가지고 있다. 즉, 탄소원자들은 평면

상에서 3개의 결합을 하고 있다. 탄소원자들 간의 결합은 공유결합으로서 강하다.

이러한 그래핀의 구성 및 구조에 기인하여, 그래핀은 다음과 같은 우수한 특성을 가진

* 본 내용은 김완수 교수(☎ 031-8041-0751, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

그래핀 기반 웨어러블 디바이스(Wearable Device)는 최근 많은 관심을 끄는 분야 중의 하나로 여겨지고 있다. 그래핀의 기계적으로 우수한 유연하고 신축적인 특성 및 전기적으로 우수한 전기 전도 특성은 웨어러블 디바이스에서 착용감 향상에 요구되는 초소형화, 유연화, 신축화, 및 장시간 사용에 요구되는 저전력화 등의 요구사항들을 충족시킬 잠재적 가능성을 가지고 있으며, 차세대 나노 소재인 그래핀과 차세대 IT 플랫폼인 웨어러블 디바이스의 융합은 전혀 새로운 제품과 기술을 개척할 수 있을 것으로 생각되기 때문이다. 본 고에서는 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 최근 기술 개발 동향을 살펴보고자 한다. 특히, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재, 부품, 형태, 기능 측면에서의 기술 동향을 살펴봄으로써 그래핀 기반 웨어러블 디바이스에 대한 이해를 돕고자 한다.

chapter 1

그래핀 기반 웨어러블 디바이스 기술 동향

•••김완수 ‖ 한국산업기술대학교 교수

기획시리즈

기획시리즈-디바이스

정보통신기획평가원 3

다. 즉, 그래핀은 구조적으로 약 0.34nm 정도의 매우 얇은(Ultra Thin) 두께, 광학적으로

약 97.7%의 투명한(Transparent) 투과도[1], 기계적으로 유연성(Flexible)[2] 및 약 20%

의 늘어날 수 있는(Stretchable) 탄성 신장률, 전기적으로 Si 대비 약 100배의 전하이동

도, Cu 대비 낮은 비저항 및 높은 전기전도도 등의 전기 전도성(Electrically Conducting),

열적으로 양호한 열 전도성(Thermally Conducting)을 가진다. 원재료 측면에서 그래핀

은 탄소(Carbon)를 기반으로 하기 때문에 자연계에 풍부하고 싼 가격과 비금속이라는

특징을 가진다. 구현 측면에서 그래핀은 고품질 및 대면적 제작이 가능한데 이것은 주로

열 화학기상증착법(Thermal CVD)에 의한다.

또한, 앞서 언급한 그래핀의 여러 가지 우수한 특징들에 기인하여, 그래핀은 유연 투명

전극(Flexible Transparent Conducting Electrode) 및 그 응용 부품/제품 등을 비롯

(a) 모형 (b) Scanning probe microscopy이미지

(c) 그래핀의 특성 - 투과율 (d) 유연성

<자료> 참고문헌 [23], [24], [1], [2]

[그림 1] 그래핀의 구성 및 구조

[터치패널] [플렉시블 디스플레이] [나노 바이오 분자 디바이스]

<자료> 참고문헌 [3], [4]

[그림 2] 그래핀의 응용

주간기술동향 2020. 8. 5.

4 www.iitp.kr

하여 다양한 분야에 응용할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 즉, 유연 투명 터치 패널

(Touch Screen Panel)[3], 플렉시블 디스플레이(Flexible Display)[3], 웨어러블 디바

이스(Wearable Device), 유연 투명 전자파 차폐(Electromagnetic Wave Shield) 소재,

유연 투명 정전기 방전(Electrostatic Discharge) 방지 막, 유연 투명 발열(Heating) 소

재, 유연 투명 방열(Heat Dissipation) 소재, DNA 시퀸싱(Sequencing) 센서 등 나노

바이오 분자 디바이스(Nano Bio Molecular Device) 소재[4] 등에 응용할 수 있다.

이 중에서 특히, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스(Wearable Device)는 최근 많은 관심

을 끄는 분야 중의 하나로 여겨지고 있다[5]. 앞서 언급한 그래핀의 기계적으로 우수한

유연하고 신축적인 특성 및 전기적으로 우수한 전기 전도 특성은 웨어러블 디바이스에서

착용감 향상에 요구되는 초소형화, 유연화, 신축화 및 장시간 사용에 요구되는 저전력화

등의 요구사항들을 충족시킬 잠재적 가능성을 가지고 있으며, 차세대 나노 소재인 그래핀

과 차세대 IT 플랫폼인 웨어러블 디바이스의 융합은 전혀 새로운 제품과 기술을 개척할

수 있을 것으로 생각되기 때문이다.

본 고에서는 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 최근 기술 개발 동향을 살펴보고자 한다.

특히, II장에서는 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재 측면에서의 기술 동향, III장에서

는 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 측면에서의 기술 동향, IV장에서는 그래핀 기

반 웨어러블 디바이스를 형태 및 기능 측면에서의 기술 동향을 살펴보고, V장에서 결론을

제시함으로써 그래핀 기반 웨어러블 디바이스에 대한 이해를 돕고자 한다.

II. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재 기술 동향

서론에서 상술한 바와 같이 그래핀은 우수한 특성을 가지기 때문에 웨어러블 디바이스

용 소재에 요구되는 박형, 경량화, 투명성, 전도성, 유연성, 신축성, 기체 불투과성 등의

여러 요구사항들을 충족시킬 잠재력을 가지고 있다. 본 II장에서는 유연/신축 투명 전극

(Flexible/Stretchable Transparent Electrode)을 중심으로 그래핀 기반 웨어러블 디

바이스용 소재 측면에서의 기술 동향을 살펴본다.



1. 그래핀 기반 유연/신축 투명 전극

그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 유연/신축 투명 전극 소재 기술은 지속적으로 연구되

어 왔으며, 최근 더욱 관심의 대상이 되고 있다. 서울대 및 LG전자 연구팀은 2017년 전기

적인 전자기파 차폐 향상 및 기체 불투과성과 관련된 탈수 저감을 목적으로 그래핀을 적용

하여 전자기파를 흡수하여 열복사로 방출하고 수분 등의 기체 투과를 저감시킴에 의해

기능성 콘택트렌즈 등 인체 부착형 웨어러블 디바이스용 소재로서 활용의 가능성을 보여

주었다([표 1] 및 [그림 3(a)] 참조[11]). UNIST 연구팀은 2020년 기계적인 유연성 및

굽힘성(Bendability) 등 내구성 향상을 목적으로 그래핀 상에 폴리이미드를 직접 통합시

켜 유기 태양 전지 등 유연/경량 인체 부착형 웨어러블 디바이스용 소재로서 활용의 가능

성을 보여주었다([표 1] 및 [그림 3(b)] 참조[13]). 한편, 건국대 및 한양대 공동 연구팀은

2020년 미세한 접촉에도 민감도의 향상 및 소자 간 크로스토크 저감을 목적으로 그래핀

전극으로 축전기 형성 및 정전용량 방식 압력 센싱을 구현하여 초민감형 투명 촉각 센서

[표 1] 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재 기술 동향

소재 목적 방법 관련 웨어러블 디바이스 참고

유연 투명 전극(그래핀 기반)

- 전자기파 차폐 향상- 탈수 저감

- 전자기파 흡수/열복사 - 기체 불투과 콘택트렌즈 등 서울대/LG전자

(2017[11])

유연성 및 내구성 향상 그래핀 상에 폴리이미드를 직접 통합 유기 태양 전지 UNIST

(2020[13])

미세한 접촉에도 민감도 향상 및 소자 간 크로스토크 저감

그래핀 전극으로 축전기 형성 및 정전용량 방식

압력 센싱

초민감형 투명 촉각 센서

건국대/한양대 (2020[14])

신축성(Stretchability) 향상 그래핀 전극 적용 스트레처블 리튬이온

배터리 KIST

(2020[15])

*유연 투명 전극(비 그래핀 기반)

유연 전극 제작 은(Ag) 및 백금(Pt) 적용 당뇨병 지수 진단용 콘택트렌즈

구글(미국)(2014[7])

- 코팅성 향상 - 전기전도성 향상

용액 코팅 가능한 맥신 적용(전기저항체 구현) 투명 히터 탑재 의류 등 KIST

(2019[12])

유연 기판(공통) 내구성 향상 유연 기판 내 부드러운

물질 층 삽입 폴더블 스마트폰 등 포스텍 (2020[16~17])

*패브릭(비 그래핀 기반) 코팅성 향상 용액 코팅 가능한 맥신

적용(실, 직조 구현) 투명 히터 탑재 의류 등 KIST(2019[13])

<자료> 한국산업기술대학교 자체 작성

주간기술동향 2020. 8. 5.

6 www.iitp.kr

등 신체부착형/헬스케어용 웨어러블 디바이스용 소재로서 활용의 가능성을 보여주었다

([표 1] 및 [그림 3(c)] 참조[14]). 또한, KIST 연구팀은 2020년 기계적인 신축성 향상을

목적으로 그래핀 소재를 적용하여 스트레처블 리튬이온 배터리 등 신체/피부 부착형 웨어

러블 디바이스용 소재로서 활용의 가능성을 보여 주었다([표 1] 및 [그림 3(d)] 참조[15]).

이러한 가능성은 그래핀의 충분한 품질 및 생산성 향상, 웨어러블 디바이스에의 적시적합

성 및 그 시장성에 의해 뒷받침되어야 하는 과제를 남겨두고 있다.

2. 비그래핀 기반 유연/신축 투명 전극

물론 그래핀이 아닌 소재를 적용한 웨어러블 디바이스용 유연/신축 투명 전극 소재 기

술 역시 지속적으로 연구 개발되어 왔으며, 가장 대표적인 것 두 가지는 다음과 같다,

즉, 미국의 구글 연구팀은 2014년 기계적 유연 전극 제작을 목적으로 은(Ag) 및 백금(Pt)

을 적용하여 눈물의 포도당 수치를 측정하고 당뇨병 지수 진단용 콘택트렌즈 등 인체 부착

형 웨어러블 디바이스용 소재로서 활용의 가능성을 보여 주었다([표 1] 및 [그림 3(e)]

참조[7]). 또한, KIST 및 연세대 공동 연구팀은 2019년 순응성(Conformability) 및 공정

성 향상을 목적으로 용액 코팅이 가능한 맥신(MXene) 소재를 적용하여 전기 저항체를

구현했을 뿐만 아니라 실을 구현하고 바느질 및 직조를 구현하여 투명 히터가 탑재된 의류

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g)

<자료> 참고문헌 [11], [13], [14], [15], [7], [12], [17]

[그림 3] 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재 기술 동향



등 착용형 웨어러블 디바이스로서 가능성을 보여 주었다([표 1] 및 [그림 3(f)] 참조[12]).

이러한 비 그래핀 소재는 웨어러블 디바이스의 요구조건에의 적합성 및 적시성에 의존하

여 그래핀과 상호 보완 및 경쟁적으로 지속적인 기술 개발이 예상된다.

3. 유연 기판

그래핀은 물론 비 그래핀 기반 모두에 공통적인 웨어러블 디바이스용 유연 기판 소재 기술 역시 지속적으로 연구 개발되어 왔으며, 최근에 가장 대표적인 것은 다음과 같다. 즉, 포스텍 연구팀은 2019년 굽힘성 등 기계적 내구성 형상을 목적으로 유연 기판 내에 부드러운 물질 층(응력 감쇄 층)을 삽입하여 폴더블 디바이스 등 다양한 웨어러블 디바이스용 소재로서 가능성을 보여 주었다([표 1] 및 [그림 3(g)] 참조[16],[17]).

III. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 기술 동향

본 장에서는 전력 공급을 위한 웨어러블 디바이스용 배터리, 발열을 위한 웨어러블 디바이스용 히터, 압력 및 신체 정보 등 여러 가지 센싱을 위한 웨어러블 디바이스용 센서, 정보의 디스플레이를 위한 웨어러블 디바이스용 디스플레이 등을 중심으로 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 측면에서의 기술 동향을 살펴본다.

1. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 배터리 부품

전력 공급을 위한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 배터리 부품 기술은 지속적으로

연구되어 왔으며, 최근 들어 더욱 관심의 대상이 되고 있다. 먼저, 비 그래핀 기반 웨어러

블 디바이스용 배터리 부품 기술은 미국 구글 연구팀이 2012년 내장형 및 소형화 구현을

목적으로 570mAh 내장형 리튬-이온 배터리를 적용하여 구글 글래스 등 웨어러블 디바

이스용 부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그림 4(a)] 참조[6],[18]). 다음에 그래

핀 기반 웨어러블 디바이스용 배터리 부품 기술은 UNIST 연구팀이 2020년 기계적인

유연성 및 굽힘성 등 내구성 향상을 목적으로 그래핀 상에 폴리이미드를 직접 통합시켜

유기 태양 전지 등 웨어러블 디바이스용 부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그

주간기술동향 2020. 8. 5.

8 www.iitp.kr

[표 2] 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 기술 동향

림 4(b)] 참조[13]). 또한, KIST 연구팀은 2020년 기계적인 신축성 향상을 목적으로 그래핀 소재를 적용하여 스트레처블 리튬이온 배터리 등 웨어러블 디바이스용 부품으로서 가능성을 보여 주었다([표 2] 및 [그림 4(c)] 참조[15]).

2. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 히터 부품

발열을 위한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 히터 부품 기술 역시 지속적으로 연구되

어 왔으며, 최근 들어 더욱 관심의 대상이 되고 있다. 먼저 그래핀 기반 웨어러블 디바이스

용 히터 기술은 서울대 연구팀이 2017년 소비 전력 저감, 균일한 온도 분포, 유연함, 가벼

운 중량, 박형, 높은 열전도도 등을 목적으로 그래핀 히터를 방한 의류에 탑재하여 방한

의류 등 웨어러블 디바이스용 부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그림 4(d)] 참조

부품 목적 방법 관련 웨어러블 디바이스 참고

웨어러블 배터리

전력 공급

내장형 및 소형화 구현 내장형 리튬-이온 배터리 적용 구글 글래스 구글(미국)

(2012[6],[18])

유연성 및 내구성 향상 그래핀 상에 폴리이미드 통합

유기 태양 전지 UNIST 2020[13])

신축성(Stretchability) 향상 그래핀 전극 적용 스트레처블 리튬이온

배터리 KIST

(2020[15])

웨어러블 히터 발열

- 소비 전력 저감- 균일한 온도 분포

그래핀 히터를 방한 의류에 탑재 방한 의류 서울대

(2017[10])


용액 코팅 가능한 맥신 적용 투명 히터 탑재 의류 KIST

(2019[12])

웨어러블 센서

촉각 압력 센싱

민감도 향상 및 소자 간 크로스토크 저감

그래핀 전극으로 축전기형성/압력 센싱 초민감형 투명 촉각 센서 건국대

(2020[14])

땀 신체 정보

- 저가(Low Cost)- 대량 생산성

3D 그래핀 구조를 갖는 플라스틱 시트 땀/의학/스트레스 센서 칼텍(미국)

(2019[8],[9])

콘택트

렌즈

신체 정보 유연 전극 제작 은(Ag) 및 백금(Pt)

적용 당뇨병 지수 진단용

콘택트렌즈 구글(미국)(2014[7])

신체 보호


- 그래핀 적용- 전자기파 흡수 콘택트렌즈 서울대

(2017[11]

웨어러블 디스플레이 - 내장형 및 소형화 - 저전력, 초소형

LCoS 디스플레이 및 FFC 칼라 방식 구글 글래스 구글(미국)

(2012[6],[19])




[10]). 한편, 비 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 히터 기술은 KIST 및 연세대 공동 연구

팀이 2019년 순응성 및 공정성 향상을 목적으로 용액 코팅이 가능한 맥신 소재를 적용하

여 전기 저항체를 구현했을 뿐만 아니라 실을 구현하고 바느질 및 직조를 구현하여, 투명

히터가 탑재된 의류 등 웨어러블 디바이스용 부품으로서 가능성을 보여 주었다([표 2]

및 [그림 4(e)] 참조[12]).

3. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 센서 부품

압력 및 신체 정보 등 여러 가지 센싱을 위한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 센서

부품 기술 역시 지속적으로 연구되어 왔으며, 최근 들어 더욱 관심의 대상이 되고 있다.

먼저 압력 센싱을 위한 촉각 센서는 건국대 및 한양대 공동 연구팀이 2020년 미세한 접촉

에도 민감도의 향상 및 소자 간 크로스토크 저감을 목적으로 그래핀 전극으로 축전기 형성

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

(i) (j)

<자료> 참고문헌 [6], [13], [15], [10], [12], [14], [9], [7], [11], [19]

[그림 4] 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 부품 기술 동향

주간기술동향 2020. 8. 5.

10 www.iitp.kr

및 정전용량 방식 압력 센싱을 구현하여 초민감형 투명 촉각 센서 등 웨어러블 디바이스용

부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그림 4(f)] 참조[14]). 다음에 땀 및 스트레스

등 신체정보 센싱을 위한 땀 센서는 미국 캘리포니아 공과대학의 연구팀이 2019년 저가

및 대량 생산성을 목적으로 3D 그래핀 구조를 갖는 플라스틱 시트를 적용하여 땀 및 스트

레스 센서 등 인체 부착형 웨어러블 디스이스용 부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2]

및 [그림 4(g)] 참조[8],[9]). 한편, 신체 정보 센싱을 위한 콘택트렌즈 센서는 미국의 구글

연구팀이 2014년 기계적 유연 전극 제작을 목적으로 은(Ag) 및 백금(Pt)을 적용하여 눈물

의 포도당 수치를 측정하고 당뇨병 지수 진단용 콘택트렌즈 등 웨어러블 디바이스용 부품

으로서 가능성을 보여 주었다([표 2] 및 [그림 4(h)] 참조[7]). 끝으로 센서 자체는 아니지

만 신체 보호를 위한 콘택트렌즈는 서울대 및 LG전자 연구팀이 2017년 전기적인 전자기

파 차폐 향상 및 기체 불투과성과 관련된 탈수 저감을 목적으로 그래핀을 적용하여 전자기

파를 흡수하여 열복사로 방출하고 수분 등의 기체 투과를 저감시킴에 의해 기능성 콘택트

렌즈 등 웨어러블 디바이스용 부품으로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그림 4(i)] 참조

[11]).

4. 웨어러블 디바이스용 디스플레이 부품

정보의 디스플레이를 위한 웨어러블 디바이스용 디스플레이 부품은 미국 구글 연구팀이

2012년 내장형 및 소형화 구현 및 저전력 등을 목적으로 LCoS(Liquid Crystal on

Silicon) 마이크로 디스플레이 및 FFC(Field Sequential Color) 구현 방식을 결합한 프

로젝션 타입 디스플레이 시스템을 적용하여 구글 글래스 등 웨어러블 디바이스용 부품으

로서 가능성을 보여주었다([표 2] 및 [그림 4(j)] 참조[6],[19]).

이러한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 배터리, 히터, 센서, 디스플레이 등의 부품

기술은 웨어러블 디바이스용 소재 기술에 기반을 두고 있으며, 웨어러블 디바이스 기술의

기반이 되므로 향후 웨어러블 디바이스가 제품의 상용화까지 발전하기 위해서는 가장 핵

심적인 중간 연결 고리의 중요성을 가진다고 할 수 있다. 또한, 그래핀의 특장점이 부여된

웨어러블 디바이스용 부품들이 한 층 더 다양하게 연구되는 것이 필요할 것으로 생각된다.



IV. 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 형태/기능 기술 동향

본 장에서는 인포테인먼트/피트니스/웰빙 기능을 갖는 인체 휴대/착용형 형태의 웨어

러블 디바이스, 헬스케어/의료 기능을 갖는 인체 부착/이식/내장형 형태의 웨어러블 디바

이스를 중심으로 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 형태/기능 기술 동향을 살펴본다. 이

러한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스가 지속적으로 발전하기 위해서는 기술적으로 밀접히

연관되어 있는 그래핀 자체, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재, 그래핀 기반 웨어러

블 디바이스용 부품, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스 등의 기술적 공급 및 가치사슬 사이

에 상호 긴밀한 협력적 발전이 필요할 것으로 생각된다.

1. 인포테인먼트/피트니스/웰빙 기능을 갖는 인체 휴대/착용형 형태의 그래핀 기반 웨

어러블 디바이스

인체 휴대/착용형(Portable) 형태의 웨어러블 디바이스는 주로 인포테인먼트(Infortainment)

/피트니스(Featness)/웰빙(Wellbeing) 기능을 목적으로 한다. 이러한 인포테인먼트/피

트니스/웰빙 기능을 갖는 인체 휴대/착용형 형태의 웨어러블 디바이스 기술 개발의 구체

적인 내역에는 구글 글래스([표 3] 및 [그림 5(a)] 참조[6],[18],[19]), 그래핀 기반의 히터

가 탑재된 방한용 의류([표 3] 및 [그림 5(b)] 참조[10]), 맥신 기반의 히터가 탑재된 의류

([표 3] 및 [그림 5(c)] 참조[12]) 등이 있으며, 상세한 소재 및 부품 측면의 내역은 II장

및 III장에 상술되어 있다.

2. 헬스케어/의료 기능을 갖는 인체 부착/이식/내장형 형태의 웨어러블 디바이스

인체 부착/이식/내장형(Attachable/Eatable) 형태의 웨어러블 디바이스는 주로 헬스

케어/의료(Healthcare/Medical) 기능을 목적으로 한다. 이러한 헬스케어/의료 기능을

갖는 인체 부착/이식/내장형 형태의 웨어러블 디바이스 기술 개발의 구체적인 내역에는

구글 스마트 콘택트렌즈([표 3] 및 [그림 5(d)] 참조[7]), 그래핀 기반의 박막이 코팅된

콘택트렌즈([표 3] 및 [그림 5(e)] 참조[11]), 3D 그래핀 기반의 시트에 형성된 땀/스트레

스 센서([표 3] 및 [그림 5(f)] 참조[8],[9]) 등이 있으며, 상세한 소재 및 부품 측면의 내역

주간기술동향 2020. 8. 5.

12 www.iitp.kr

[표 3] 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 형태/기능 기술 동향

은 II장 및 III장에 상술되어 있다.

한편, 최근 코로나-19 감염증의 전 세계적인 대유행에 따라 이에 대응하기 위한 웨어러

블 디바이스의 기술 및 제품 개발이 활발히 진행되고 있다. 즉, 유럽(네덜란드) 필립스

연구팀은 코로나-19 환자를 대상으로 비대면 원격 모니터링을 목적으로 5일 사용 가능한

웨어러블 패치용 가벼운 중량의 1회용 바이오 패치를 적용하여 호흡, 심박, 자세, 활동수

준, 보행 등 감지를 위한 바이오 센서(인체 부착형) 등 웨어러블 디바이스로서 가능성을

보여 주었다([표 3] 및 [그림 5(g)] 참조[20]). 한편, 유럽(핀란드) 오우라(OURA) 연구팀은

코로나-19 감염 예측/감지/발견을 목적으로 반지형 웨어러블 센서와 앱을 결합 및 적용

하여 체온, 심박수, 호흡수 등 감지를 위한 링형 센서(인체 부착형) 등 웨어러블 디바이스

로서 가능성을 보여 주었다([표 3] 및 [그림 5(h)] 참조[21]). 또한, 미국 라이프시그널스

(LifeSignals) 연구팀은 코로나-19 환자의 바이털 신호들에 대한 실시간 연속적 원격 모

형태 기능 목적 방법 웨어러블 디바이스 참고

인체휴대

/착용형

인포테인먼트/피트니스/

웰빙

- 내장형 및 소형화 - 저전력, 초소형

- 리튬-이온 배터리 - LCoS 및 FFC 구글 글래스 구글(미국)

(2012[6],[18],[19])

- 소비 전력 저감- 균일한 온도 분포

그래핀 히터를 방한 의류에 탑재 방한 의류 서울대

(2017[10])


용액 코팅 가능한 맥신 적용 투명 히터 탑재 의류 KIST

(2019[12])

인체부착/이식/내장형

헬스케어/의료

유연 전극 제작 은(Ag) 및 백금(Pt) 적용

당뇨병 지수 진단용 콘택트렌즈

구글(미국)(2014[7])


- 전자기파 흡수- 기체 불투과 콘택트렌즈 서울대

(2017[11])

- 저가(Low Cost)- 대량 생산성

3D 그래핀 구조를 갖는 플라스틱 시트

땀/의학/스트레스 센서

칼텍(미국)(2019[8],[9])

코로나-19용헬스케어

/의료

코로나-19 환자용 비대면 원격 모니터

5일 및 단일 사용 가능 웨어러블 패치

호흡/심박/자세/활동 수준/보행 감지 센서

필립스(유럽)(2020[20])

코로나-19 감염 예측/감지/발견

반지형 웨어러블 센서와 앱 결합

체온, 심박수, 호흡수 감지 센서

오우라(유럽)(2020[21])

코로나-19 환자 실시간 원격 모니터링

5일 및 단일 사용 가능 웨어러블 패치

심장/호흡/피부/온도/ 동작 감지 센서

라이프시그널스(미국)(2020[22])




니터링을 목적으로 5일 사용 가능한 웨어러블 패치용 가벼운 중량의 1회용 바이오 패치를

적용하여 심장, 호흡, 피부, 온도, 동작 등 감지를 위한 바이오 센서(인체 부착형) 등 웨어

러블 디바이스로서 가능성을 보여 주었다([표 3] 및 [그림 5(i)] 참조[22]).

향후에 이러한 노력들이 가볍고 얇고 유연한 그래핀의 장점과 결합되어 그래핀 기반의

웨어러블 디바이스로 발전될 경우 더욱 좋은 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 전망되고

있어서 시사하는 바가 크다.

V. 결론

지금까지 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 최근 기술 개발 동향을 살펴보았다. 특히,

그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재, 부품, 형태, 기능 측면에서의 기술 동향을 살펴보

았으며, 또한 비그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 기술 동향을 함께 살펴봄으로써, 그래핀

기반 웨어러블 디바이스 기술 동향에 대한 이해를 도모하였다.

그래핀의 여러 가지 장점을 활용하려는 그래핀 기반 웨어러블 디바이스의 이러한 가능

성은 그래핀의 충분한 품질 및 생산성 향상, 웨어러블 디바이스에의 적시적합성 및 그

시장성에 의해 뒷받침되어야 하는 과제를 남겨두고 있다. 또한, 비그래핀 기반 웨어러블

디바이스 역시 그래핀 기반 웨어러블 디바이스와 상호 보완 및 경쟁하기 위해 지속적인

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h) (i)

<자료> 참고문헌 [6], [18], [19], [10], [12], [7], [11], [8], [9]

[그림 5] 그래핀 및 비그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 형태/기능 기술 동향

주간기술동향 2020. 8. 5.

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기술 개발이 예상된다.

특히, 최근 코로나-19 감염증의 전세계적인 대유행에 따라 이에 대응하기 위한 웨어러

블 디바이스의 기술 및 제품 개발이 활발히 진행되고 있으며, 향후에 이러한 노력들이

가볍고 얇고 유연한 그래핀의 장점과 결합되어 그래핀 기반의 웨어러블 디바이스로 발전

될 경우 더욱 좋은 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 전망되고 있어 시사하는 바가 크다.

이러한 그래핀 기반 웨어러블 디바이스가 지속적으로 발전하기 위해서는 기술적으로

밀접히 연관되어 있는 그래핀 자체, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스용 소재, 그래핀 기반

웨어러블 디바이스용 부품, 그래핀 기반 웨어러블 디바이스 등의 기술적 공급 및 가치

사슬 사이에 상호 긴밀한 협력적 발전이 필요할 것으로 생각된다.

[ 참고문헌 ]

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Healthcare Materials, 4, 2014, 792.[8] Yiran Yang et al., “A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric

acid and tyrosine in sweat,” Nature Biotechnology, 38, 2020, 217.[9] Rebeca M. Torrente-Rodrı’guez et al., “Investigation of Cortisol Dynamics in Human

Sweat Using a Graphene-Based Wireless mHealth System,” Matter, 2, 2020, 921.[10] Sora Shin et al., “Evaluation of heating protocols with graphene heated clothing in

cold,” International Journal of Clothing Science and Technology, 29, 2017, 830-844. [11] Sangkyu Lee et al., “Smart Contact Lenses with Graphene Coating for Electromagnetic

Interference Shielding and Dehydration Protection,” ACS Nano, 11, 2017, 5318.[12] Tae Hyun Park et al., “Shape-Adaptable 2D Titanium Carbide(MXene) Heater,” ACS

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Technology, 2013. 2. 28.[20] Kathy O’Reilly, Pieter de Meer, “Philips launches next generation wearable biosensor

for early patient deterioration detection, including clinical surveillance for COVID-19,” Philips, News center, 2020. 5. 26.

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주간기술동향 2020. 8. 5.

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I. 서론

전술통신체계는 협의의 개념과 광의의 개념으로 구분할 수 있다. 협의의 전술통신체계는 현재 육군이 개발하여 운용하고 있는 특정의 체계 명칭인 SPIDER나1) TICN을2) 의미한다. 반면, 광의의 전술통신체계는 전술적 상황에서 운용하는 모든 통신체계를 의미한다. 물론 협의의 개념이든 광의의 개념이든 둘 다 전술적 상황에서 운용하는 것을 목적으로 개발되거나 구매해서 운용되고 있다. 민간에서 사용하는 다양한 통신장비와 달리 육군에서 사용하는 통신체계를 ‘전술통신체계’라고 명명하는 가장 큰 이유는 ‘전술적 상황’에서 통신망(Network)을 구성해서 끊김 없는 데이터 유통을 보장해야 하기 때문이다. 우리 군에서 이러한 ICT 분야의 업무를 담당하는 병과인 정보통신의 장교 및 부사관이 “우리는 민간의 정보통신사업자와 같이 고정되고 안정적인 환경에서만 운용되는 통신체계를 생각하고 개발하면 안 된다.”라고 말하는 것과 무관하지 않다.

전술통신체계 설계과정부터 고려해야 할 가장 중요한 사항은 ‘전술적 상황’이다. 육군이

* 본 내용은 김동일 부장(☎ 042-878-7460, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.1) 공식명칭은 MSC –500K이며, 이전에 하나의 경로로만 연결되던 구조(Tree형)로 되어 있던 것과는 달리 거미줄과 같

은 다중경로로 연결이 될 수 있는 구조(격자형)를 가졌다는 의미에서 SPIDER라는 애칭을 사용하고 있다.2) Tactical Information Communication Network(전술 정보통신망), 공식명칭은 MSC –700K이며, 기존의 Analog

중심의 SPIDER와는 달리 디지털 기술을 대표하는 IP 개념을 적용한 전술통신체계이다.

chapter 2

미래 전술통신체계 적용기술 동향

•••김동일 ‖ 육군정보통신학교 부장

ICT 신기술

ICT 신기술


전술통신체계를 설계할 때 고려해야 하는 대표적인 ‘전술적 상황’은 통신 서비스를 받아야

하는 대상이 이동함에 따라 통신 서비스를 제공하는 통신 시설과 장비가 이동할 수 있도록

준비되어 있어야 한다는 것이다. 육군은 적의 미사일이나 포격 등에 의한 공격으로 파괴되

었을 때를 고려하면 평시가 아닌 유사시에 사용할 이동기지국이나 교환체계, 발전시설

등과 같은 통신 시설과 장비를 민간 정보통신 사업자처럼 고정해 놓을 수가 없다. 이것은

민간통신에서는 잘 고려하지 않는 부분이다. 그래서 산·학·연에서 보유하고 있는 좋은 정

보통신기술이라도 군에 적용하기 위해서는 ‘전술적 상황’을 고려하여 많은 부분을 최적화

해야 하는 소요가 발생한다. 그래서 전술통신체계를 구성하는 통신장비와 전원장비(발전

기)는 이동 가능한 플랫폼에 탑재한 상태에서 운용해야 하므로 소형화, 경량화, 저전력

운용이 가능하도록 설계되어야 한다. 또한, 통신 서비스 제공의 적시성을 보장하기 위해서

모든 WAN(Wide Area Network) 및 LAN(Local Area Network) 구간에 운용되는 통신

장비는 유선보다는 무선을 운용하는 것이 좋다. 그런데 주파수는 국가자산으로 육군도

원하는 만큼 마음대로 확보하기 쉽지 않다. 그래서 주파수 소요를 최소화하면서 최대의

전송능력(throughput)을 제공하는 무선기술이 필수이다. 또한, 전술통신체계에는 적의

도청으로부터 보호를 위해 군사보안업무훈령에 준한 암호장비를 운용해야 한다.

II. 현재의 전술통신체계 운영개념과 적용기술

육군의 전술통신체계인 TICN과 SPIDER는 [그림 1]과 같이 전송장비, 교환장비, 이동

통신장비, 망관리장비, 전투무선장비, 전원장비 등의 하부장비로 구성되어 있다[1]. 여기

서는 전술통신체계를 구성하는 하부장비별 운영개념과 기능을 소개하고자 한다.

1. 전송장비

전송장비는 서로 충분히 떨어져 있는 2개 지점을 SHF(Super High Frequency, 초고

주파) 및 UHF(Ultra High Frequency, 극초단파) 대역 주파수로 통신하는 무선장비로

필요시에는 2개 지점 사이에 중계를 이용한다. 전송장비는 ㅇㅇMbps까지의 전송능력을

가지는 대용량 전송장비와 ㅇMbps의 전송능력을 가지는 소용량 전송장비로 구분된다.

주간기술동향 2020. 8. 5.

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[그림 2]와 같이 대용량 전송장비는 다른 대용량 전송장비와 격자형에 가까운 형태로 구성

되면서 전술통신체계의 백본 전송로를 형성하고, 소용량 전송장비는 대용량 전송장비가

구성하는 백본 전송로와 연결을 제공하는 지선 전송로를 구성한다[1].

전송장비는 지향성 안테나를 사용하고 있어 정지 간(At-The-Halt)3) 통신 서비스가 되

고 이동 간(On-The-Move)에는 통신 서비스가 되지 않아 여기서 많은 제한사항이 발생

한다.

3) 정지 간(At-The-Halt) 통신은 통신장비가 이동이 가능한 플랫폼에 탑재되어 이동은 가능하지만 통신 서비스를 제공하기 위해서는 차량이 정지되어야 함을 의미하고 이동 간(On-The-Move) 통신은 통신장비가 이동이 가능한 플랫폼에 탑재되어 있는 상태에서 이동하면서도 통신 서비스를 제공하는 것을 의미한다.

<자료> 육군정보통신학교 자체 작성

[그림 1] 전술통신체계의 하부체계 구성


[그림 2] 전송장비 구성

ICT 신기술


2. 이동통신장비

이동통신체계는 [그림 3]과 같이 이동기지국과 이동전화기, 이동전화 증폭기 및 소형

중계기 등으로 구성되어 있다[1]. 민간 통신사업자가 운용하는 기지국과 소형 중계기는

대부분이 한 번 설치하면 이동하지 않고 고정이 되어 있는 반면에 전술이동통신체계는

작전의 진행 상황에 따라 기지국이 수시로 이동해야 한다. 또한, 민간 통신사업자가 백본

통신망을 구성하기 위해 광케이블을 사용하는 것과 달리 전술이동통신체계는 앞에서 소개

한 전송장비로 백홀 통신망을 구성하여 백본 통신망과 연결해야 하기 때문에 여러 가지

기술적인 제한사항이 발생한다. 그리고 전술이동통신체계에서 사용하는 주파수가 민간

이동통신의 발전 추세에 맞추어서 점점 높은 대역의 주파수를 사용하면서 발생하는 문제

점도 있다.

3. 전투무선장비

전투무선장비(무전기)는 [그림 4]와 같이 전투원 및 전차, 장갑차, 헬기 등의 전투 플랫

폼에 휴대 및 탑재하여 음성과 데이터를 송·수신하는 통신장비이다[1].

전투무선장비는 그동안 음성 위주로 1:N 기능을 이용하여 하나의 네트워크에 10개 내

외의 제한된 가입자로 별도의 네트워크를 구성하여 지휘관을 중심으로 동시적인 명령 하

달 및 상황보고 위주로 운용하였다. 하지만 최근에 전장이 디지털화되면서 다양한 센서로

부터 생성된 데이터들이 한 곳으로 동시에 송수신되는 N:1 기능이 부각되고 있으며 말단


[그림 3] 이동기지국/이동전화기 구성

주간기술동향 2020. 8. 5.

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(edge)에서 생성된 데이터를 상급부대에 동시에 전파하기 위해 부대 간의 무선 네트워크

를 하나의 네트워크로 연결하는 기술이 요구되면서 여러 가지 제한사항이 발생하고 있다.

한반도 지형에서 전투무선장비를 운용하려면 늘 산악지형이 주는 장애인 난청지역을

극복해야 하는 문제가 발생한다. 그동안 육군은 이러한 문제를 극복하기 위해 작전지역

내의 주요 고지에 중계소를 운용하였다. 하지만 이러한 중계소 운용은 현대전에서 기동부

대의 빠른 작전 템포를 맞추지 못하는 한계를 가지고 있다. 그래서 육군은 2000년도 초부

터 세계적인 기술 추세에 맞추어 작전지역 내에 별도의 중계소를 사전 점령하여 운용하지

않으면서 중계와 유사한 기능을 수행하는 ad-hoc 기술 적용을 시도하고 있는데 여기에서

도 여러 가지 제한사항이 생겨나고 있다.

전투무선장비가 이동통신체계(전화기)와 다른 점은 기지국 및 교환기와 같은 다른 기반

체계가 없이도 단말기 간에 직접적인 통신(Device to Device: D2D)이 가능해야 한다는

것이다. 그래서 기존 이동통신체계의 단말기(휴대전화기)에 1:N으로 송수신이 가능한 앱

을 설치해서 그 기능을 구현하여도 기지국이나 교환기가 파괴된 상황에서는 전투무선장비

(무전기)의 역할을 할 수 없다는 것이 문제이다.

4. 전원장비

전원장비는 쉘터발전기와 엔진발전기, 그리고 쉘터발전기와 엔진발전기를 전환하는 동

안 사용 가능한 2차 전지로 구성되어 있다. 전술통신체계는 야지에서 운용되기 때문에

일반 상용전원을 사용할 수 없는 ‘전술적 상황’을 고려하여 자체에서 운용이 가능한 전원


[그림 4] 전투무선장비 구성

ICT 신기술


장비를 구성하고 있다. 쉘터발전기와 엔진발전기를 이용하여 장비 운용에 필요한 전원

획득은 가능하다. 하지만 발전기를 운용하면서 발생하는 소음으로 인해 적에게 통신소

위치 노출이 가능하다는 점과 발전 장비의 지속적인 운용을 하기 위해 주기적인 유류 보급

이 필요하다는 등의 문제가 발생하고 있다.

Ⅲ. 미래 전술통신체계에 적용이 필요한 핵심기술 소요

여기서는 전술통신체계의 하부장비 중에서 주요 장비에 대해 현재의 제한사항을 제시하

고 미래 전술통신체계에 적용이 필요한 핵심기술 소요를 제시하고자 한다. 여기서 제시되

는 핵심기술들은 과학기술정보통신부나 국방과학연구소에서 주관하는 다양한 기술개발

사업을 통해서 빠른 시간 내에 과제화되어 구현되었으면 하는 바람이 있다.

1. 전송장비

전송장비는 정지 간 통신 서비스에 맞는 Link budget을 만족시키기 위해 지향성 안테

나를 사용한 것 같다. Link budget은 전송장비의 통달거리와 전송능력 등에 의해 주로

결정된다. 사용자인 군에서 어느 부분에 우선순위를 둘 것인가에 따라 달라질 수 있겠지만

사용자인 부대(대대와 여단, 사단 등)가 현재처럼 정지 간 통신 서비스만을 받는다면 부대


[그림 5] 전원장비 구성

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지휘소가 이동할 때에 이전 지휘소의 통신장비를 철수하고 다음 지휘소에 도착해서 통신

장비를 설치하고 통신망을 구성하는 동안은 통신 서비스를 받지 못해 상급부대와 하급부

대간의 지휘통제가 제한되게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 이동 간 통신 서비스

가 필요하다. 이동 간 통신 서비스는 백본을 구성하는 노드간 통신뿐만 아니라 백본에

접속을 위한 부대 통신에도 제공되어야 한다.

현재까지 이동 간 통신 서비스를 제공하기 위한 노력 중의 하나는 미국 육군의 전술통신

체계인 WIN-T(Warfighter Information Network-Tactical) increment 2부터 전력

화 중인 HNW(High-band Networking Waveform)이다[2]. HNW에 적용된 핵심기술

은 빔포밍(beam-forming) 기술이다.

이동 간 통신 서비스에 필요한 핵심기술은 빔포밍이다. 빔포밍 기술을 전술적 상황에서

운용되는 전술용 통신장비에 적용하여 특정 전송로가 필요한 시간, 필요한 방향에 능력

범위 내에서 적절한 전송속도로 연결하는 것이다. 또한, 이동 간 통신 서비스를 제공하기

<자료> General Dynamics, WIN-T Commander's Handbook, July 2016, p.31.

[그림 6] 미국 육군의 WIN-T increment 3 구성도

ICT 신기술


위해서는 빔포밍 기술에 ad-hoc 기술이 융합되어야 한다. 그리고 무엇보다도 중요한 핵

심기술은 근 실시간에 링크의 접속과 탈퇴 간에도 송신지점에서 수신지점까지 데이터 전

송을 효율적으로 할 수 있는 라우팅 프로토콜이다. 끝으로 필요한 핵심기술은 지상의 전송

장비 간에 가시거리가 형성되지 못하는 경우에는 지연시간 없이 지상의 전송장비에서 공

중 및 위성장비로 실시간에 접속을 전환하여 링크를 연결할 수 있는 기술과 그런 상황에서

효율적인 데이터 통신을 가능하게 하는 라우터와 라우팅 프로토콜 기술이다.

2. 이동기지국/이동전화기

‘전술적 상황’과 연계한 이동기지국의 가장 큰 제한사항은 민간의 이동통신기술이 점점 높은 대역의 주파수로 광대역의 전송능력을 추구하고 있다는 점이다. 민간의 이동통신기술을 그대로 “전술적 상황”에 적용하면 높은 대역의 주파수로 인해 하나의 기지국이 형성하는 셀의 범위가 작아져 이동하는 기지국의 수량이 상대적으로 많아지게 된다. 어떤 상황에서는 기지국을 운용하는 제일 작은 규모의 부대의 활동지역도 하나의 기지국으로 통화권역을 보장하지 못하는 경우도 발생하게 된다. 이런 제한사항을 해결하기 위해서는 통신 서비스를 제공하는 기지국의 수량과 기지국을 운용해야 하는 인원이 기하급수적으로 늘어나게 되는데 이러한 비용을 미래의 군이 수용할 수 있는지는 많은 검토가 필요하다. 또한, 기지국이 수시로 이동함에 따라 근 실시간에 셀 계획(cell-planning)을 하여 다른 기지국 간의 전파간섭을 최소화하기 위해서는 충분한 대역의 주파수가 필요하고 셀 계획을 근 실시간에 신뢰성 있게 지원할 수 있는 셀 계획 도구가 필요하다. 무선 분야 종사자가 늘 느끼는 부분이지만 통신망을 구축하는데 필요한 충분한 주파수를 확보하는 것은 매우 힘든 일이고 신뢰성 있는 셀 계획 도구를 구현하기 위해서 우리 한반도 지형에 적합한 전파 전파모델(propagation model)을 획득하는 것도 쉬운 일은 아니다. 어떻게 보면 이 부분은 무선 분야의 기초기술이라 할 수 있겠다.

전술 이동통신체계의 기지국 간의 백홀 통신망은 민간 이동통신체계와 달리 광케이블이

아닌 무선 전송장비라는 부분 때문에 기지국으로부터 이동전화기 간의 전송속도를 고속으

로 하더라도 그 후단의 백홀 통신망이 저속이라 이동전화기에서 운용할 수 있는 콘텐츠를

선정하는데 많은 제한이 생길 수 있다. 민간 이동통신체계의 휴대폰에서 사용하고 있는

많은 데이터를 주고받는 그런 앱은 사용이 제한될 수 있다는 것이다. 이동기지국이 전술통

주간기술동향 2020. 8. 5.

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신체계의 백본 통신망에 지금보다 좀 더 고속으로 접속할 수 있는 백홀 통신망의 전송능력

을 보강하든지 이동전화기 내의 콘텐츠를 양보하든지 해야 할 상황이다.

이런 상황들을 고려할 때 어쩌면 가장 중요한 사항은 우리 군이 이동통신체계를 전술통신체계에 어떤 용도로 사용할 것인지 하는 ‘운영개념’의 설정이 더 선행되어야 할 것으로 볼 수 있다. 작전지역 전체를 통화권역으로 보장하도록 할 것인지 아니면 주요 도로를 통화권역으로 지원할 것이지 그것도 아니면 각급 부대의 지휘소 주변에서 유선을 구성하는데 필요한 시간과 노력을 절감하는 역할을 하도록 할 것인지를 정확하게 결정할 필요가 있다.

이러한 사항들이 종합되면 민간의 이동통신체계가 전술통신체계의 하부장비로서 충분히 역할을 할 수 있는지 아니면 와이파이나 무선 랜 등 다른 통신기술이 이런 부분을 대체할 수 있는지도 충분히 검토할 필요가 있다. 결국은 선택의 문제가 될 것이다.

3. 전투무선장비

전투무선장비는 우리가 아날로그 시대부터 음성용으로 사용하고 있던 무전기이다. 아날로그 음성만을 사용하던 시절에는 별다른 문제가 없었는데 디지털 데이터를 전송하려고 하니 제한사항이 생기는 것이다. 우마차 길을 국도나 고속도로로 바로 사용하기는 힘든 것과도 비슷한 것이다.

고속도로를 건설하여 운영할 때 통행 가능한 차량도 한정해야 하고 한 번에 통과할 수 있는 차량의 숫자도 통제하면서 적정의 요금을 받는 톨 게이트(Toll gate)도 필요하다. 또한, 효율적인 차량 통행을 보장하기 위해 차선별로 통행 가능한 차량과 제한속도 기준도 정해야 한다.

이와 비슷하게 전투무선체계를 개발할 때에도 어떤 데이터를 어떤 우선순위에 따라 송·

수신해야 하는지에 해당하는 정보교환소요(Information Exchange Requirement:

IER)를 결정해야 한다. 몇 가입자가 동시에 네트워크에 접속이 되도록 할 것인가에 따라

매체접근통제(Media Access Control: MAC) 방법을 선택해야 한다. 또한, 전투무선체계

가 서로 이동하면서 네트워크를 구성하는 가운데 ad-hoc 환경에서 실시간 접속 및 탈퇴

를 관리하면서 주어진 목적지로 데이터를 보낼 수 있는 프로토콜도 필요하다. 하나의 무전

기에서 생성된 데이터가 ad-hoc을 통해 라우팅을 하면서 중간에 불필요한 데이터 발생을

ICT 신기술


어떻게 최소화해서 실질적인 전송능력(throughput)을 높게 할 것이지도 해결해야 하는

부분이다. 그런데 이것은 각각의 무전기의 전원 소모를 최소화하면서 이루어져야 하는

문제도 같이 검토되어야 한다. 데이터 전송 경로에 실제로 포함되지 않는 무전기가

ad-hoc 경로 설정을 위한 경로검색을 위해 많은 전원을 소모하면 작전지속 능력이 떨어

지게 된다.

미국 육군도 우리 육군의 전투무선체계에 해당하는 SRW를 개발하여 시험하는 과정에

서 최초에 약 800 가입자 정도가 하나의 네트워크에 동시 가입이 가능하도록 하려고 했으

나 실제 야전시험에서 약 40 가입자 정도만 가입이 되는 등 다양한 문제점이 나타났다[3].

우리 육군도 전투무선체계의 핵심기술인 ad-hoc과 관련한 매체접근통제(MAC) 및 라우

팅 기술에 대한 각별한 연구가 필요하다고 본다.

4. 전원장비

‘전술적 상황’에서 사용되어야 할 전원장비가 가져야 할 핵심기술은 소음을 최소화하면

서 추가적인 연료 보급 없이도 최대한 오랜 시간 동안 운용이 가능하도록 하는 것이다.

민간에서는 연료전지, 수소전지, 태양광 등 다양한 저소음의 전원 기술들이 발전하여

한 번의 충전으로 500km 이상을 주행할 수 있는 전기자동차도 판매하고 있다고 하지만

아직 우리 육군의 전술통신체계에 이러한 저소음 전원장치가 적용된 사례는 없다. 육군이

현재 운용 중인 전원장비는 00dB 정도의 기준으로 개발되어 멀리 떨어져 있는 곳에서도

적들이 아군의 위치를 식별할 수 있을 정도이다. 적에게 아군의 통신소 위치가 식별된다면

조금 후에 적의 물리적 공격에 의해 통신지원 기능은 무력화될 것이다. 그러므로 전술통신

체계에 사용되는 전원장비에서 발생하는 소음의 최소화가 필요하다.

현재의 전술통신체계용 전원장비는 경유를 사용하고 있다. 일정시간마다 재보급을 해야

지속적인 운용이 가능한데 경유의 재보급 주기를 최대한 길게 해야만 여러 장소에서 운용

되는 통신소에 대한 지원 노력을 최소화할 수 있다.

아이디어 차원에서 가장 쉽게 생각할 수 있는 저소음이면서 재보급 없이 오랜 시간 동안

사용할 수 있는 전원장비는 아마도 극소형 원자로와 같은 형태의 전원장비가 될 것 같기도

하다.

주간기술동향 2020. 8. 5.

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교환장비, 망관리장비 등의 장비들은 지면이 제한되어 다음 기회에 제시하고자 한다.

IV. 결론

지금까지 미래 전술통신체계에 요구되는 핵심기술 소요들을 간단하게 언급하였다. 전술

통신체계는 교환장비, 전송장비, 이동통신장비, 전투무선장비, 망관리장비, 전원장비 등을

하부체계로 하는 복합체계(System of systems)이다. AI, Big data, Cloud, Drone 등

많은 4차 산업혁명 기술들이 폭발적으로 발전하고 있다.

우리 육군도 이러한 기술을 빠른 시간 내에 수용하여 무기체계의 완전성을 기하기 위해

지속적인 노력을 기울이고 있다. 민간의 좋은 기술을 그냥 그대로 우리 군에 적용하기는

힘들기 때문에 ‘전술적 상황’에 적합하도록 최적화하기 위해 산·학·연과 군의 의사소통이

필요하다고 생각한다. 앞으로 민간의 기술이 고도화될수록 더욱 많은 의사소통이 필요할

것이다.

우리 군의 역할도 중요하다. 개념은 기술을 앞서고 기술은 무기체계 개발을 앞선다고

생각한다. 싸우는 개념을 잘 만들어 놓아도 기술이 그 개념을 완벽하게 구현하기는 쉽지

않다. 또한, 세상에 많은 첨단기술이 있지만 그것을 무기체계로 개발하여 적시적으로 적용

하기도 쉽지 않다. 그러므로 수요자인 육군이 싸우는 개념을 구현하는데 필요한 무기체계

개발에 적용될 핵심기술 소요제안을 보다 더 적극적으로 해야 한다고 본다. 그리고 방위사

업청과 국방과학연구소, 기품원에 의해서 이루어지고 있는 핵심기술 결정과정에도 육군의

적극적인 참여 노력이 필요하다.

끝으로 ad-hoc과 같이 우리 군에서만 소요가 있는 기술들은 산·학·연이나 과학기술정

보통신부, 산업통상자원부 등에서 연구과제로 채택하지 않는 경향이 있는데 미래 도전

연구과제로서 적극적인 예산투자와 연구를 위한 협업이 필요한 것으로 생각된다. 미국

등 선진국에서는 군에서 개발된 첨단기술이 민간으로 스핀 오프(spin-off)되는 사례도

많다. 우리나라에서도 곧 그런 사례가 만들어지기를 희망한다.

[ 참고문헌 ]

[1] 육군본부, 야전교범 다수, “제목 생략”, 2017.

ICT 신기술


[2] Department of the Army, “Techniques for Warfighter Information Network-Tactical,” 2016.

[3] M. S. Marwick, Institute for Defense Analyses, “Analysis of Soldier Radio Waveform Performance in Operational Test,” 2015, pp.2-1.

[4] General Dynamics, "WIN-T Commander's Handbook Ver. 2.0,” 2016.

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*

I. 결과물 개요

II. 기술의 개념 및 내용

1. 기술의 개념

본 기술은 200Gbps 근거리 무선통신을 위한 120GHz CMOS MIMO RF 프론트엔드

시스템 기술로, 200Gbps급 CMOS MIMO 송신기/수신기 설계 및 제작, 200Gbps급

* 본 내용은 박철순 교수(☎ 042-350-3455)에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.***정보통신기획평가원은 현재 개발 진행 및 완료 예정인 ICT R&D 성과 결과물을 과제 종료 이전에 공개하는 “ICT

R&D 사업화를 위한 기술예고”를 2014년부터 실시하고 있는 바, 본 칼럼에서는 이를 통해 공개한 결과물의 기술이전, 사업화 등 기술 활용도 제고를 위해 매주 1~2건의 관련 기술을 소개함

개발목표시기 2019. 12. 기술성숙도(TRL)개발 전 개발 후

TRL 2 TRL 4

결과물 형태 HW-IP, HW-Chip 검증방법 자체검증 / 3자검증

Keywords 200Gbps, MIMO, CMOS, RF Front-end, High Rate Proximity

외부기술요소 100% 개발기술 권리성 특허, HW-IP

chapter 3-1

200Gbps MIMO RF Front-end 및 전송 시스템 기술 개발

•••박철순 ‖ 한국과학기술원 교수

ICT R&D 동향

ICT R&D 동향


120GHz sub-THz 대역 MIMO 시스템의 모뎀 시뮬레이터 개발, CMOS SISO RF

Front-end의 계측 및 MIMO 시스템 전송 시뮬레이션 검증을 목표로 하고 있음

2. 기술의 상세내용 및 사업화 제약사항

기술의 상세내용

- 200Gbps 120GHz CMOS MIMO RF Front-end 연구

※ 120GHz 전송주파수, 30GHz 대역폭을 갖는 RF Front-end 단위회로 구현

※ 120GHz 전송주파수, 30GHz 대역폭, I/Q 변조기법을 적용한 SISO(Single

Input Single Output) RF Front-end 구현

※ 120GHz 전송주파수, 30GHz 대역폭, I/Q 변조기법을 적용한 MIMO RF

Front-end 구현 및 측정

- 120GHz 이중 편파 안테나 연구

※ 안테나 기반 실제 Sub-THz 채널 특성 검증

※ 광대역, 고지향성, 고 격리도 120GHz 이중 편파 안테나 구현

- 200Gbps 120GHz CMOS MIMO 무선 통신 시뮬레이션 연구

※ MIMO 송·수신기, 변·복조기, 채널 복·부호화 기술 등의 통신 시스템 구현

※ 비트오류확률 및 전송률 시뮬레이션을 통한 성능 검증

기술이전 범위

- 근거리에서 무선으로 초고속 데이터를 전송할 수 있는 RF 프론트엔드 기술

※ 휴대장치의 내부 무선 인터페이스

[그림 1] 200Gbps급 근거리 초고속 MIMO RF Front-end 기술 개념도

주간기술동향 2020. 8. 5.

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※ 플렉서블 디스플레이가 장착된 휴대장치

※ 초고속 데이터 무선 전송 분야

※ NFC와 같은 초 근거리 통신 분야

※ 데이터센터(서버)와 같은 대용량 데이터 전송 분야

사업화 제약사항

- 해당 없음

III. 국내외 기술 동향 및 경쟁력

1. 국내 기술 동향

한국과학기술원(KAIST)

- 본 과제를 제안하는 연구팀은 CMOS 90nm 공정을 이용하여 10.7Gbps 근거리

대용량 무선 통신을 실현하였으며, 현재 CMOS 40nm 공정 기반 100Gbps급 시스

템 구현을 위한 단위회로 설계기법 및 성능 검증을 완료하였고 100Gbps급 송신기/

수신기 제작 및 검증을 수행하였음(~2018.2.)

- 특히, 차세대 무선통신시스템에서 주목받고 있는 다중 안테나 기술 및 빔포밍 기술과

관련된 연구를 활발히 진행하고 있음

- (67mW 저전력 60GHz CMOS Transceiver 구현 및 10.7Gbps 무선 통신 실현)

밀리미터파 대역 CMOS single chip transceiver를 chip-to-chip 통신용으로 사

용하기 위해 초소형으로 구현하였으며, 스위치를 내장하여 하나의 안테나로 동작하

[그림 2] 60GHz CMOS single chip transceiver 집적회로 및 10.7Gbps(10cm) 전송 테스트

ICT R&D 동향


게 함으로써, 총 4×6.6mm2에 모든 RF 기능을 포함시켰으며, 총 67mW를 소모하

며, 10.7Gbps 근거리 통신을 시연하였음

- (40nm CMOS, 120GHz 대역 송신기/수신기/안테나 단위회로 설계 및 검증)

40nm CMOS 공정을 이용, RF Front-end 핵심 단위블록인 전력 증폭기, 저잡음

증폭기, 주파수 상향/하향 변환기, 전압제어발진기, 4위상 발진기, On-board 안테

나 설계 및 검증을 완료하였으며, On-board 안테나의 경우 5cm 떨어진 거리에

대해 성능 평가를 수행, 안테나 이득을 측정 및 성능을 검증하였음

- (밀리미터파 MIMO 채널 분석 연구) 파장이 매우 짧은 밀리미터파 및 sub-THz

채널에서는 기존의 셀룰러 대역과 다른 전파 특성으로 인해 공간 자유도가 제한되어

공간 다중화 이득이 제한되며, 또한 거리감쇄가 심한 채널 특성으로 인해 대량의

안테나를 사용하여 빔포밍 이득을 얻어야 하지만 하드웨어 복잡도를 감안하여 안테

나 수보다 적은 수의 RF chain을 사용하는 연구가 필요하므로, 주어진 밀리미터파

채널 환경에서 얻을 수 있는 공간 자유도를 분석하고, 이를 활용하여 RF chain을

안테나 수 만큼 모두 사용하는 디지털 빔포밍 시스템 성능의 90%를 달성할 수 있는

파라미터를 분석하였음

한국전자통신연구원(ETRI)

- 한국전자통신연구원에서는 2016년 60GHz 근접거리 무전원 데이터 순간 전송 기술

인 Zing을 개발, 발표하였음

- 3.5Gbps의 전송속도, OOK/QPSK 변조방식을 택하고 있으며, 태그 30mW(10pJ/bit),

[그림 3] 칩 간 무선 통신용(5cm) 40nm CMOS 송신기/수신기 단위블록 칩 및 On-board 안테나

주간기술동향 2020. 8. 5.

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리더 300mW(60pJ/bit) 이하의 소비전력으로 개발되었으며, RF 송수신기, Digital

SerDes 기반 PHY, MAC, Memory, 무선 전력 송수신부 등 집적도가 높은 결과를

보이고 있음

2. 해외 기술 동향

근거리 초고속 무선 전송 기술 동향

- 밀리미터파 대역 이상에서 동작하는 10Gbps 이상의 데이터 전송용 무선 송수신기

의 성능을 제조 공정 기준으로 정리한 결과를 [표 1]에 나타냈는데, 송신기 전력을

많이 사용하거나 안테나 이득을 높게 설계하여 장거리 통신을 하는 경우와의 공정한

비교를 위해 에너지 효율과 전송거리, 전송주파수(파장)를 합한 지표인 Spatial

Energy Efficieny(공간-에너지 효율, SEE)를 도입하였음

[표 1] 밀리미터파 대역 이상에서 동작하는 기가비트급 데이터 전송용 무선 송수신기

Ref Process Freq[GHz] 변조방식 전송률

[Gbps]

비트에러확률 [BER]

전력소모[mW] MIMO

에너지 효율(EE)[pJ/bit]

공간-에너지 효율(SEE)[pJ/bit]

[2] 65nm 60 16-QAM 20 10-3 589 - 2.95 E+01 1.30 E-01

[3] 65nm 60 16-QAM 28.16 10-3 471 - 1.67 E+01 7.33 E-01

[4] 65nm 60 64-QAM 42.24 10-3 976 - 2.31 E+01 1.61 E+01

[5] 65nm 85 16-QAM 56 - 560 - 1.00 E+01 4.96 E+02

[6] 65nm 240 QPSK 16 10-4 480 - 3.00 E+01 3.94 E-01

[7] 40nm 130 ASK 11 10-11 209 - 1.90 E+01 7.09 E-01

[8] 40nm 135 ASK 12 10-3 98 - 8.17 E+00 2.54 E+02

[9] 40nm 210 OOK 10.7 10-12 421 - 3.93 E+01 7.67 E-01

[10] 32nm SOI 210 OOK 10 10-5 240 - 2.40 E+01 6.34 E-02

[11] 250nm InP 144 QPSK 48 2.3×10-3 357 - 7.44 E+00 9.96 E+02

[12] 180nm SiGe 142 OOK 14 - 80 - 5.71 E+00 4.47 E-02

[13] 130nm SiGe 240 QPSK 23.025 10-9 1899 - 8.18 E+01 2.48 E+00

[14] 130nm SiGe 190 BPSK 50 3×10-4 154 - 3.1 E+00 2.13 E+00

KAIST[1] 90nm CMOS 60 OOK 10.7 10-11 67 - 6.26 E+00 6.53 E-01

[2] S. Kawai 2013 [3] K. Okada 2014 [4] R. Wu 2016 [5] K.K.Tokgoz 2016 [6] S.V.Thyagarajan 2015 [7] K.Katayama 2013[8] M.Fujishima 2013 [9] S.Moghadami 2015 [10] Z.Wang 2014 [11] S.Carpenter 2016 [12] S.Foulon 2013 [13] N.Sarmah 2016[14] D.Fritsche 2017

ICT R&D 동향


- SEE 측면에서는[3],[9]의 기술이 KAIST([1] C.W.Byeon 2013)의 보유 기술과 유사

한 수준을 보였으며, 화합물 반도체 및 CMOS SOI 공정을 제외한 CMOS 기술로는

[2]가 최고 수준의 결과를 보이고 있음

- 60GHz 이상 주파수 대역 무선 송수신기에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있는

데, QPSK/16-QAM/64-QAM의 변조기술을 사용하여 40~50Gbps의 전송속도를

갖는 송수신기 연구 개발이 이루어졌으며, 최근에는 300GHz 대역에서 105Gb/s의

전송 속도를 갖는 송신기가 개발되었음(Hiroshima University, 2017)

- 공간-에너지 효율(Spatial Energy Efficiency: SEE) 측면, 주파수 대역폭에 있어,

현재의 CMOS 무선 송수신기 기술(IMEC 2013, Tokyo Tech 2014, 2016)은 화합

물 반도체를 이용한 송수신기에 비해 아직은 효율 측면에서의 기술적 성숙도가 낮다

고 평가할 수 있으나(Peraso Tech. 2015, STM 2013, Chalmers Univ. 2016)

CMOS 무선 송수신기에 고성능의 변조기법을 사용하여 화합물 반도체 이상 수준의

성과를 내고 있음

3. 표준화 동향

국내 표준화 현황

- 2012년부터 TTA PG907에서 “초고속 초근접 무선 통신” 표준을 ETRI에서 제안하

여 표준화를 진행하고 있음

- TTA PG907에서 진행 중인 표준 기술은 60GHz 대역에서의 3Gbps급 무선 통신으

로 제한하고 있어 TG3e에서 목표로 하는 100Gbps 표준기술의 일부분에 불과하며,

IEEE 802.15.3e 표준이 제정되면 이를 TTA 영문표준으로 제정할 예정임

- 현재 IEEE 802.15.3d 표준화에 필요한 테라헤르츠 기술 표준은 학계를 중심으로

표준에 대한 논의를 시작하는 단계에 있음

국외 표준화 현황

- (IEEE 802.15.3d) IEEE 802.15.3d는 100Gbps 데이터 전송 속도를 갖는 칩 간/보드

간 통신, 근거리 초고속(HRPC) 통신, 무선 백 홀 통신 응용 등 다양한 애플리케이션을

제시, 표준화를 목표로 하고 있으며(TG3d, Task Group 3d), TG3d에서는 기술적

주간기술동향 2020. 8. 5.

34 www.iitp.kr

조건 및 채널 모델링에 대한 연구가 완료되었으며, 최종 표준안 승인 단계에 있음

- (IEEE 802.15.3e) IEEE 802.15.3e(TG3e)에서는 10cm 이내의 거리에서 2msec

이내에 초기 무선연결 설정을 가능하게 하며, 다중 입출력을 통해 최대 100Gbps

전송 속도를 구현하고자 하는 High Rate Proximity Communication(HRPC) 시

스템에 대한 표준안 승인 작업이 진행 중이며, 현재 표준화 절차가 거의 완료되었음

4. 관련 보유특허

5 기술적 경쟁력

IV. 국내외 시장 동향 및 전망

1. 반도체 국내외 시장 규모

미래의 반도체 시장의 성장 규모를 예측해 봄으로써, HRPC 무선 통신 기술의 시장

No. 국가 출원번호(출원일) 상태 명칭

1 한국 10-2018-0136013(208.11.07) 출원 완료 낮은 위상 변화를 가지는 광대역 가변이득 증폭기

2 한국 10-2018-0160033(2018.12.12) 출원 완료 가시선 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 채널 추정 방법 및 그

장치

3 미국 16215864(2018.12.11.) 출원 완료 Low Phase, Wide-band Variable-Gain Amplifier

4 미국 16209439(2018.12.04.) 출원 완료 Method and System for Digital-analog Hybrid

Beamforming in the Millimeter Wave Downlink Channel

경쟁기술 본 기술의 우수성 및 차별성

16-QAM 56Gbps 시스템 개발 (Tokyo Inst. of Tech)

믹서로만 구현되어 RF 내에 IQ 변조 기능이 없으나, 본 기술은 IQ 변조 기능이 추가된 IQ Modulator/de-modulator가 집적되었으며, 경쟁기술보다 대역폭이 약 2배 가량 넓음

16-QAM 80Gbps 근거리 무선 통신 송신기 구현

(University of Hiroshima)

Fmax 이상의 주파수를 사용하여 변환이득이 작고 송수신기의 전력소모가 크지만, 본 기술은 경쟁 기술의 약 1/3 전력으로 송수신기 구현이 가능함

ICT R&D 동향


기여도를 예측해 볼 수 있음

- 총 반도체 생산량 중에서 HRPC 무선통신시스템 통신 시스템에 사용되는 칩의 비율

을 탑재율이라 칭하였으며, 반도체 시장의 현재 성장률을 유지하고, HRPC 무선통신

시스템이 2020년 생산되는 반도체의 1%, 2022년에는 3% 탑재된다고 가정하였음

- 또한, HRPC 무선통신시스템의 칩 당 가격은 2016년 판매 중인 Wi-Fi Chipset의

가격과 실리콘 칩의 면적 등의 원가를 고려하여 2020년 3달러, 2022년 2달러로

가정하였음 (단위: 억 원)

구분 과제시작 년도(2017년 2월)

개발 종료 후 1년(2020년)


세계 시장 규모

반도체 주요제품 생산량 4,052,180 4,716,620 5,088,390

탑재율(%) 0% 1% 3%

예상단가(달러) - 3 2

세계 시장규모 - 47,121 152,550




한국 시장 규모

반도체 주요제품 생산량 692,690 943,550 1,119,830

탑재율(%) 0% 1% 3%


국내 시장규모 - 9,435.5 33,561

2. NFC 개발 현황 및 국내외 시장 규모

기존의 NFC 기술은 전송 속도의 한계로 인해 교통카드와 같은 제한적인 분야에서만

사용되었으나, 2016년 ETRI에서 3~5Gbps 가량의 전송 속도를 가지는 초고속 NFC

기술(Zing)이 최초로 개발되면서 높은 전송 속도를 가지는 NFC 기술 개발에 대한 연

구가 활발히 진행되고 있으며, 그 시장 또한 점점 커지고 있음

- NFC 단말기 시장의 현재 성장률을 유지하고, 초고속 NFC 시스템이 2020년 NFC

단말기 출하량의 1%, 2022년에는 4% 탑재된다고 가정하였음

주간기술동향 2020. 8. 5.

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(단위: 억 원)




세계 시장 규모

세계 NFC 단말기 출하량(백만 대) 1,200 2,200 2,560

탑재율(%) 0% 1% 4%


세계 시장규모 - 745.8 2,316.5




한국 시장 규모

국내 NFC 단말기 출하량(백만 대) 51.6 97.8 134.6

탑재율(%) 0% 1% 4%


국내 시장규모 - 33.9 124.3

3. 제품화 및 활용 분야

V. 기대효과

1. 기술도입으로 인한 경제적 효과

고집적, 초소형 모듈을 이용하여 현재 성장 중인 스마트폰과 PC 등 각종 디지털 디바이

스에 새로운 애플리케이션을 제시하고 성장원동력으로서 적용함으로써 새로운 디지털

디바이스 시장에 상당한 경제적 효과를 발휘할 수 있음

휴대 단말기에 적용된 100Gbps급 무선전송시스템을 통한 초고속 데이터 스트리밍

및 송수신이 가능해짐에 따라 신규 산업 및 다양한 콘텐츠 산업의 발전이 기대됨

활용 분야(제품/서비스) 제품 및 활용 분야 세부내용

휴대장치 내부 인터페이스 휴대장치 내부의 칩 간 인터페이스를 무선화하여 구성이 간편해지고 시스템 소형화가 가능

초근거리 통신(NFC) HRPC 통신시스템을 차세대 NFC 기술에 적용하여, 근거리 고화질 영상 전송과 같은 응용 분야에 확장이 가능

ICT R&D 동향


200Gbps급 HRPC 통신시스템 개발을 통해, 세계 반도체 시장에서 0.1%의 탑재율과

4달러의 무선 통신 칩 가격을 가정할 경우, 2018년 기준 3조 1,000억 원 가량의 큰

시장 형성이 기대되며, 디스플레이, 홀로그래피 등의 관련 산업의 제품 경쟁력에 미치

는 기여도는 2018년 기준 1조 4,000억 원으로 전망됨

본 기술 개발을 통해 선진국의 연구단체(Intel, Sony 등)보다 3배 이상의 에너지 효율

을 갖는 초소형, 저전력, HRPC 통신용 송수신기 및 안테나를 제시함으로써 기술적

우위 확보 및 관련 제품의 수출 증대에 기여할 것으로 기대됨

2. 기술사업화로 인한 파급효과

디지털 디바이스 내의 기존 유선 인터페이스를 대부분 대체할 것으로 기대되며, 배선을

제거함으로써 개인 단말 및 미래 Flexible Gadgets(휘는 스마트폰, 스마트패드, 태블

릿PC, 디스플레이 등) 및 디지털 링크의 내·외부 interconnection 구현을 통해 단말

의 소형화, 플렉시블화가 구현될 전망

대형 컴퓨터의 고속 데이터 전송을 위한 보드 간 유선 케이블을 무선으로 대체함으로

써, 전자장치에서 전선 제거를 통한 미래형 대형 컴퓨터 구현이 기대

레이더, 이미징, 차세대 고속 이동통신 등의 연구가 진행 중인 THz 대역 연구기술에

활용 가능할 것으로 전망됨

대용량 자료 전송/자료 백업의 효율성이 증가하여 산업 생산 능력이 향상될 것으로

기대

고속 데이터 전송을 필요로 하는 홀로그램 응용에 사용이 가능하므로, 스마트폰에 응용

하여 공중에 3D 입체영상을 띄우거나 환자의 장기를 해부 없이 스캔 후 홀로그램 디스

플레이 장치에 전송하여 보다 혁신적이고 수준 높은 의료 서비스를 제공할 수 있을

것으로 기대

초고속 영상 기기 개발과 홈 네트워크 효율성 극대화로 인한 삶의 질 향상

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*

I. 결과물 개요

II. 기술의 개념 및 내용

1. 기술의 개념

부하분산은 네트워크 성능, 확장성 및 견고성을 최대화하는데 필요한 핵심 기술로서,

최근 Software Defined Networking(SDN)의 출현으로 SDN을 위한 부하분산이 중

* 본 내용은 윤희용 교수(☎ 031-290-7147)에게 문의하시기 바랍니다.** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.***정보통신기획평가원은 현재 개발 진행 및 완료 예정인 ICT R&D 성과 결과물을 과제 종료 이전에 공개하는 “ICT

R&D 사업화를 위한 기술예고”를 2014년부터 실시하고 있는 바, 본 칼럼에서는 이를 통해 공개한 결과물의 기술이전, 사업화 등 기술 활용도 제고를 위해 매주 1~2건의 관련 기술을 소개함

개발목표시기 2019. 12. 30. 기술성숙도(TRL)개발 전 개발 후

TRL 3 TRL 5

결과물 형태 Patent 검증방법 3자검증

Keywords load balancing, SDN, genetic algorithm, Ant Colony Optimization

외부기술요소 Open Source 사용 권리성 특허

chapter 3-2유전자-개미 식민지 최적화 알고리즘을

기반으로 한 소프트웨어 정의 네트워킹의 동적 부하분산 기법 기술

•••윤희용 ‖ 성균관대학교 교수

ICT R&D 동향

ICT R&D 동향


요한 문제로 대두되고 있음

SDN은 데이터 전송 평면에서 제어 평면을 분리하여 전체 네트워크를 제어하는 방법으로, 여기서의 부하분산은 하나의 리소스에 과부하가 발생하지 않도록 전체 네트워크 트래픽을 각 리소스에 분할하여 할당하는 방법을 의미함

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 개미 식민지 최적화 알고리즘(Ant Colony Optimization Algorithm)이 부하분산에 최적의 성능을 보여주었지만, 학습을 위해 많은 양의 계산이 요구되므로 SDN 환경에 그대로 적용하기에는 한계가 있음

따라서 본 기술에서는 SDN 환경에서의 부하분산 성능을 더욱 향상시키기 위해 ACO와 Genetic Algorithm(GA)을 결합한 새로운 동적 부하분산기법(G-ACO algorithm)을 개발함

개발된 기법은 GA의 빠른 전역 탐색과 ACO의 최적 솔루션 탐색의 장점을 이용한 방법으로, 탐색 공간을 효과적으로 줄이고 부하분산에 대한 데이터의 경로를 효율적으로 찾을 수 있는데, 시뮬레이션 결과 SDN 환경에서 왕복시간(RTT) 및 패킷 전달 손실률을 크게 감소시키는 모습을 보임

[그림 1] 기술개념도

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2. 기술의 상세내용 및 사업화 제약사항

기술의 상세내용

- SDN에서 부하분산 접근 방식은 크게 두 가지로, 부하분산이 적용된 객체를 기반으

로 하는 소프트웨어 부하분산과 하드웨어 부하분산이 있음

- 하드웨어 부하분산은 개별 하드웨어 장치에 적용되므로 네트워크 작업에 미치는 영

향이 소프트웨어 부하분산보다 직접적이고 속도가 빠르지만, 하드웨어 구현에 있어

비용이 많이 소요되며, 이에 반해 정적 부하분산 기법은 성능 매개 변수가 네트워크

동작과 함께 분석되어 배포가 쉽고 비용도 적지만 성능이 저하된다는 문제가 있음

- 본 기술에서는 SDN 환경에서 네트워크의 성능을 더욱 향상시키기 위해 ACO와 GA

를 결합한 새로운 동적 부하분산 기법을 개발하였는데, 개발된 기법은 GA의 빠른

전역 탐색과 ACO의 최적 솔루션 탐색의 장점을 이용한 방법으로, 탐색 공간을 효과

적으로 줄이고 부하분산에 대한 데이터의 경로를 효율적으로 찾을 수 있음

- (개발 기술의 동작 과정) 제안된 유전자-개미 부하분산 기술은 크게 5단계로 구분됨

※ 1단계(모집단 초기화)에서는 정수를 포함하는 경로 검색을 위해 경로가 인코

딩되며, 각각의 개미가 한 번 반복하여 하나의 경로를 생성함

※ 2단계에는 경로의 길이를 고려하여 적합한 함수를 결정함

※ 3단계에서는 검색을 반복하여 경로의 코드를 획득하며, 부하는 적합성 함수

에 의해 계산한 다음, 최적의 부하가 다음 반복을 위해 선택됨

※ 4단계에서는 교차 연산을 사용하여 검색 범위를 넓히는데, 교차 연산은 사전

에 정의된 교차 확률을 이용하여 수행되며 자식 경로의 하위 시퀀스는 부모

경로의 하위 시퀀스에 의해 결정됨

※ 마지막으로 5단계인 돌연변이 연산은 미리 정의된 돌연변이 확률을 기반으로

하며, 자식 경로에서 두 개의 점이 무작위로 선택되어 연산됨

기술이전 범위

- 데이터의 최적 경로를 위한 G-ACO기법

- SDN 네트워크 환경의 패킷 왕복 시간 감소기법

- SDN 네트워크 환경의 패킷 손실 감소기법

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사업화 제약사항

- 본 기술은 SDN 환경에서 OpenDayLight 컨트롤러가 적용된 기술이기 때문에

OpenDayLight 컨트롤러를 지원해야 함

III. 국내외 기술 동향 및 경쟁력

1. 국내 기술 동향

국내에서는 정부 R&D로 SDN의 공공 플랫폼화 연구가 진행되고 있으며, 이를 위해

ETRI에서는 캐리어급 서비스 인프라를 위한 SDN 핵심기술과 OpenFlow 기반 유무

선 장비 통합 제어·관리 시스템 등을 개발 중에 있음

ETRI와 기업들이 협업하여 SDN 데이터 전송, 다중네트워크 연결 및 하이브리드 연동,

네트워크 기능 가상화(NFV) 기술에 관한 표준화를 목표로 추진 중에 있음

2. 해외 기술 동향

Google은 SDN 기반의 인프라를 가상화하는 단계로 진화 중에 있으며, NFV 구현은

미래 클라우드 컴퓨팅 환경에서 데이터센터 간에 매우 높은 대역폭, 32×2.5GHz+

멀티프로세싱 코어까지 저지연 연결 등의 요구사항에 기반하고 있음

또한, NFV를 위한 컨트롤 스택인 ‘Andromeda’를 개발하였는데, Andromeda는 하드

웨어와 소프트웨어 스택에서 SDN 컨트롤러 제공과 함께 네트워크 가상화를 위한 내부

코드를 지칭하며 저지연과 장애 허용 내구성과 QoS를 지원함

Verizon은 적시적소에 리소스를 통합/할당함으로써 네트워크 리소스를 효율적으로

운영하고 트래픽 제어와 자동화된 DDoS 공격 탐지로 인한 네트워크 변경 및 정책

적용에 의한 서비스 저하 현상을 해결하기 위해 동적 분할 NFV를 적용하였으며, 이를

통해 네트워크 콘텐츠 필터링과 클라우드 용량 제어를 효율적으로 수행할 수 있음

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3. 표준화 동향

SDN RG(IRTF)

- IRTF SDN RG(SDN research group)에서는 기존 네트워크에 대한 SDN의 개방

화, 가상화, 프로그램화 기능 등에 초점을 맞추고, 사용자의 요구에 따라 보다 유연하

게 제어, 설정, 관리를 제공해주는 새로운 네트워킹 개념에 대한 각종 연구 이슈를

제시하였으며, 이를 통해 IETF에서 사용할 SDN 관련 용어 정의 및 참조 계층 모델

등을 개발 중임

I2RS WG

- IETF I2RS WG(Interface to Routing System Working Group)에서는 주니퍼

및 시스코 등을 중심으로 라우터와 네트워크 장비가 통신하기 위한 데이터 모델 및

인터페이스의 표준화 등을 진행하고 있음

- 이는 기존의 네트워크 장비에 개방형 인터페이스를 제공함으로써 제한적이지만

SDN의 개방화 및 프로그램화 기능을 기존 라우터 및 스위치 장비에 구현하고자

하는 것임

SPRING WG

- IETF SPRING WG(Source Packet Routing in Networking Working Group)

에서는 패킷의 라우팅 경로를 패킷 헤더에 덧붙이는 소스 기반 라우팅 기술의 표준

화를 진행 중이며, 이는 오버레이 형태로 SDN 경로 제어에 사용될 수 있음

4. 기술적 경쟁력

경쟁기술 본 기술의 우수성 및 차별성

Cisco의 Express ForwardingExpress Forwarding 기술은 트래픽 흐름에 관계 없이 생성된 하드웨어 포워딩 테이블이지만 매 패킷마다 cpu를 사용하여 속도가 느리지만 본 기술은 네트워크의 검색경로를 선택하여 빠른 경로를 탐색할 수 있음

TANGOTANGO 기술은 단순히 네트워크를 통합 관리하고 모니터링을 하는데 목적이 있지만, 본 기술은 네트워크 Flow Tables의 자율적인 관리를 통해 빠른 데이터 전송경로 확보 및 처리에 목적이 있음

ICT R&D 동향


IV. 국내외 시장 동향 및 전망

1. 국내 시장 동향 및 전망

국내에서는 ETRI가 유비쿼스, 시스메이트, 리얼타임테크, 아토리서치코리아, KAIST,

연세대, 쏠리드 등 9개 기업·대학과 컨소시엄을 구성하여 통신사업자 서비스 인프라를

위한 SDN 핵심 기술 및 상용 시제품을 개발하고 있음

네트워크 확장성과 고가용성을 지원하는 SDN 컨트롤러 기반 플랫폼을 확보하기 위한

구조 설계와 핵심모듈 개발이 진행 중에 있으며, 향후 응용과 가상인프라 관리까지

단계적으로 진행하여 스마트인터넷 실증 서비스에 개발 기술을 적용할 계획임

2. 해외 시장 동향 및 전망

Telefonica는 네트워크 인프라를 전환하고 엔터프라이즈 서비스를 전송하는 통합 텔

코 클라우드/데이터센터를 구축하고자 IT와 네트워크 인프라를 통합하는 멀티벤더

SDN/NFV 아키텍처인 UNICA를 포함하여 여러 가지 로드맵을 진행하였음

또한, 향상된 아키텍처와 멀티벤더 연동을 구현하기 위해 Ciena의 Blue Planet,

Brocade Communication Systems, Cyan, Intel, Red Hat 등과 같이 협업하고

있으며, 자사에 구축된 OpenMANO NFV 오케스트레이션 스택은 네트워크 가상화

개발에서 중요한 포인트가 되고 있음

Orange Business Services는 프랑스에서 중소기업을 위한 100% 디지털화되고 자동

화된 SDN 솔루션인 Easy Connect의 파일럿 테스트를 실시하고 상용화를 진행 중에

있음

이러한 파일럿 테스트를 이용하여 SDN PoP와 다른 NFV 벤더를 수용하기 위한 소프

트웨어 개발 전략 계획을 진척시키고자 노력하고 있으며, Orange 그룹은 SDN 네트워

크 진화 정책을 정의하는 전략을 선언함

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3. 제품화 및 활용 분야

V. 기대효과

1. 기술도입으로 인한 경제적 효과

SDN 환경에서 컨트롤러를 부하분산함으로써 네트워크의 최적 경로를 찾는 시간, 왕복

시간 및 패킷 손실률을 줄일 수 있으며, 네트워크 속도 향상 및 유지보수 비용을 절감할

수 있음

본 기술을 적용한 SDN 도입을 통해 효율적인 데이터의 관리 및 모니터링 등을 위한

망 관리 시스템 및 네트워크 구축 시 운영비용과 구축비용을 절감할 수 있음

2. 기술사업화로 인한 파급효과

기존 네트워크 환경의 문제점인 복잡한 네트워크 환경과 유지 보수비용이 높은 단점을

해결하여 다양한 인터넷 콘텐츠에 적용하여 새로운 콘텐츠 재생산이 가능함

기존 운영 중인 시스템 및 서비스에 SDN 기술을 적용함으로써 데이터센터 간 및 네트

워크 망 트래픽 병목 현상을 개선하는 등 네트워크 품질 개선을 통해 고도화된 서비스

제공이 가능

활용 분야(제품/서비스) 제품 및 활용 분야 세부내용

소프트웨어정의데이터센터(SDDC) 서버, 네트워크, 데스크톱 가상화 솔루션을 통한 통합관제시설과 공공 클라우드센터에 적용하여 데이터 처리 속도를 향상시킬 수 있음

SDN 네트워크 장비 본 기술을 다양한 SDN 네트워크 장비에 적용함으로써 빠른 데이터 전송 경로 보장을 통해 비용을 최소화할 수 있음

사업책임자: 문형돈(기술정책단장)

과제책임자: 이성용(융합정책팀장)

참여연구원: 이재환, 이효은, 권요안, 김용균, 박주혁, 김우진, 전영미(위촉)

통권 1958호(2020-30)

발 행 년 월 일 : 2020년 8월 5일발 행 소 : 편집인겸 발행인 : 석제범등 록 번 호 : 대전 다-01003등 록 년 월 일 : 1985년 11월 4일인 쇄 인 : ㈜승일미디어그룹

(34054) 대전광역시 유성구 유성대로 1548(화암동 58-4번지)

전화 : (042) 612-8296, 8210 팩스 : (042) 612-8209

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· 2020-08-04 · 2020.08.05. 「주간기술동향」은 과학기술정보통신부 「ict...

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