테라헤르츠 통신 해설: 7G 네트워크의 기반 기술

무선 통신 역사의 대부분에서 테라헤르츠(THz) 대역 — 100 GHz에서 10 THz 사이의 주파수 — 은 자원이 아닌 호기심의 대상이었다. 기존 전자장치로 효율적으로 생성하기에는 너무 높고, 광학 기술에는 너무 낮아 "테라헤르츠 갭"이라 불렸다. 위성은 마이크로파를 사용했다. 광섬유는 빛을 사용했다. 그 사이에 위치한 THz 대역은 대부분 미사용 상태였다. 본 분석은 7G Network 리서치팀이 무선 기술의 표준, 주파수 정책, 산업 동향을 추적하여 작성한 것이다.

이것이 변하고 있다. 반도체 물리학, 광자공학, 안테나 설계의 발전이 실용적인 신호 생성을 THz 범위까지 밀어올렸다. 그리고 모든 저주파 대역이 혼잡해짐에 따라, THz 대역의 거대한 스펙트럼 자원이 본격적인 공학적 관심을 끌고 있다. 2030년대 중반에 표준화가 시작될 것으로 예상되는 7G 무선 네트워크에 있어 THz 통신은 선택이 아니다. 해당 세대가 요구하는 10+ Tbps 최대 데이터 전송률을 달성하기 위한 핵심 메커니즘이다.

테라헤르츠 대역이란?

전자기 스펙트럼은 주파수에 따라 영역으로 나뉜다. 전파는 수 킬로헤르츠에서 대략 300 GHz까지다. 적외선은 300 GHz(또는 동등하게, 1 mm 이하 파장) 위에서 시작된다. "테라헤르츠 대역"은 관례적으로 약 100 GHz(0.1 THz)에서 10 THz까지의 주파수를 가리킨다 — 마이크로파에서 광학으로의 전환을 아우르는 100배 범위의 주파수다.

THz를 통신에 매력적으로 만드는 핵심 특성은 대역폭이다. 섀넌 정리에 따르면, 채널의 최대 데이터 전송률은 대역폭에 비례한다. 300 GHz 채널은 잠재적으로 50~100 GHz의 대역폭을 가질 수 있다 — 5G mmWave의 400~800 MHz 채널 대역폭과 비교된다. 다른 조건이 같다면 대역폭이 넓을수록 초당 더 많은 비트를 전송할 수 있다.

THz를 어렵게 만드는 핵심 특성은 전파다. 고주파 신호는 공기를 통과하면서 에너지를 잃고, 대부분의 물질을 투과할 수 없다. 300 GHz에서 자유 공간 경로 손실은 28 GHz mmWave보다 대략 30 dB 높으며, mmWave 자체도 sub-6 GHz보다 훨씬 열악하다. THz 신호는 자유 공간에서 수십~수백 미터 내에서 잡음 수준으로 감쇠하고, 벽을 만나면 수 센티미터 이하에서 감쇠한다.

테라헤르츠 대역은 0.1~10 THz에 걸쳐 50~100 GHz의 채널 대역폭을 제공한다 — 5G mmWave보다 약 100배 넓다 — 하지만 300 GHz에서 10 m 거리의 자유 공간 경로 손실이 ~82 dB에 달한다.

THz 전파의 물리학

두 가지 메커니즘이 THz 신호 손실을 지배한다:

자유 공간 경로 손실

모든 전자기파는 거리의 제곱과 주파수의 제곱에 비례하는 경로 손실을 겪는다. 주파수를 두 배로 하면 경로 손실은 4배가 된다(다른 조건이 같을 때). 300 GHz에서 10 m에 대한 자유 공간 경로 손실은 약 82 dB다 — 수신 신호가 전송된 것보다 82 dB 약하다는 뜻이다. 링크 버짓을 충족하려면 극도로 높은 전송 전력이나 극도로 높은 이득의 지향성 안테나(또는 둘 다)가 필요하다.

분자 흡수

특정 분자 — 특히 수증기(H₂O)와 산소(O₂) — 는 특정 주파수에서 THz 방사를 흡수한다. ITU-R 권고안 P.676에 따르면, 해수면 수준의 일반적인 습도에서 183 GHz, 325 GHz, 557 GHz에 흡수 피크가 있으며, 짧은 거리에서도 10~100 dB의 추가 감쇠를 유발할 수 있다. 실질적 효과는 THz 통신 시스템이 이 흡수 피크 사이의 "전송 창" — 특히 흡수가 낮은 300 GHz, 350 GHz, 410 GHz 부근 — 에서 운용해야 한다는 것이다.

저습도 환경(사막, 고지대, 한랭 기후)과 실내(습도가 제어되는 곳)에서는 흡수가 상당히 낮다. 이로 인해 실내 THz 통신이 야외 장거리 링크보다 훨씬 실용적이다.

THz 전파는 자유 공간 경로 손실(300 GHz에서 10 m 기준 82 dB)과 183, 325, 557 GHz 부근의 H₂O 및 O₂ 분자 흡수에 의해 제한되어, 시스템이 300, 350, 410 GHz 부근의 전송 창에서 운용해야 한다.

그럼에도 THz가 7G에 필요한 이유

이러한 과제를 감안하면, 왜 단순히 더 많은 sub-6 GHz 스펙트럼을 사용하거나 mmWave 배포를 확장하지 않는지 물을 수 있다. 답은 산술에 있다. 100 GHz 이하 주파수에서 사용 가능한 총 대역폭 — 이미 셀룰러, 위성, 레이더, WiFi 및 기타 서비스로 혼잡한 — 은 전 세계적으로 수십 기가헤르츠 수준이다. 기존 스펙트럼 할당으로 2040년대의 무선 용량 수요를 충족하는 것은 물리적으로 불가능하다.

반면 THz 대역은 각 전송 창에서 수백 기가헤르츠의 잠재적 스펙트럼을 포함한다. 효과적으로 사용하려면 완전히 새로운 시스템 아키텍처가 필요하지만 — 원시 용량은 존재한다. 공학적 과제는 실재한다. 대안은 더 나쁘다.

FCC 및 ITU 스펙트럼 할당에 따르면, 100 GHz 이하에서 사용 가능한 총 대역폭은 전 세계적으로 수십 기가헤르츠에 불과하며 이미 혼잡하다. THz 대역은 전송 창당 수백 기가헤르츠를 제공하여 7G 시대 용량 수요에 대한 유일한 실현 경로다.

하드웨어 과제: THz 신호 생성

THz 신호를 생성하고 검출하는 것이 어려운 근본적인 이유가 있다: THz 속도로 스위칭하는 전자장치가 필요하다. 트랜지스터의 핵심 성능 지표는 전이 주파수(fT) — 이득이 1로 떨어지는 주파수다. 트랜지스터를 증폭기로 사용하려면 fT보다 훨씬 아래에서 작동해야 한다.

현재 최첨단 트랜지스터:

• InP HEMT (인듐인 고전자 이동도 트랜지스터): 최고 연구 소자의 fT가 약 700~1000 GHz이다. 실용 증폭기는 대략 300~400 GHz까지 작동한다. 현재 sub-THz 통신 시스템의 주류 기술이다.
• GaN HEMT: InP보다 낮은 fT(연구 소자 기준 통상 200~400 GHz)이지만 출력 전력이 훨씬 높다 — 전력이 중요한 THz 링크의 송신 증폭기에 유용하다.
• 그래핀 트랜지스터: 이론적 전이 주파수가 1 THz를 초과하지만, 접촉 저항과 기판 효과로 인해 실용 증폭기가 실험실 소자 성능에 미치지 못한다. 활발한 연구 분야다.
• 광자적 접근(포토믹싱): 두 레이저 주파수를 혼합하여 THz 신호를 생성하는 방식으로, 전자 트랜지스터 한계를 완전히 우회하며 1~3 THz에 도달할 수 있다. 전자적 접근보다 출력이 낮지만 빠르게 개선 중이다.

유럽위원회의 Horizon Europe THz 로드맵에 따르면, 7G용 실용 THz 통신 시스템은 단기(2030년대) 배포를 위해 100~500 GHz 범위에서 작동하는 InP 또는 GaN 기반 프론트엔드가 필요할 것이다. 광자적 또는 고급 화합물 반도체 접근은 2030년대 후반과 2040년대에 주파수 범위를 1 THz 이상으로 확장할 것이다.

IEEE Electron Device Letters(2023)에 따르면, InP HEMT가 fT 700~1000 GHz와 ~400 GHz까지의 실용 증폭기로 THz 소자 기술을 선도한다. GaN HEMT는 송신 증폭기용 높은 출력 전력을 제공하고, 광자적 접근은 더 낮은 출력이지만 1~3 THz에 도달할 수 있다.

THz를 위한 안테나 설계

THz 주파수에서 파장은 밀리미터 이하다. 300 GHz 신호의 파장은 1 mm이고, 1 THz 신호의 파장은 300 마이크로미터다. 이것은 두 가지 중요한 결과를 낳는다.

첫째, 안테나가 매우 작아진다. 300 GHz에서 반파장 다이폴은 0.5 mm 길이로 — 칩 패키지 자체에 통합할 수 있을 정도로 작다. 이를 통해 트랜시버와 안테나가 단일 통합 모듈인 안테나-인-패키지(AiP) 설계가 가능해지며, 인터커넥트에서의 손실이 줄어든다.

둘째, 안테나 어레이가 극도로 밀집될 수 있다. 300 GHz에서 64소자 위상 배열 안테나가 수 제곱밀리미터에 들어간다. 이를 통해 극도로 지향적인 빔 — THz 주파수에서 연필처럼 가는 — 이 가능하며, 에너지를 의도된 수신기에 정확히 집중시킨다. 고이득 지향성 안테나는 경로 손실을 보상하는 데 필수적이다.

과제는 빔 조향이다. 고도로 지향적인 THz 빔은 이동하는 디바이스를 추적하거나 직접 경로가 차단될 때 적응해야 한다. 이를 위해 빠르고 안정적인 빔 관리가 필요하다 — 5G mmWave가 불완전하게 해결한 문제이며, 6G와 7G가 더 견고하게 풀어야 할 과제다. 재구성 가능 지능형 표면(RIS) 같은 기술이 THz 빔 관리에 핵심 역할을 할 수 있다.

300 GHz에서 반파장 다이폴 안테나는 0.5 mm에 불과하여, 안테나-인-패키지(AiP) 설계와 수 제곱밀리미터에 들어가는 64소자 위상 배열 안테나가 가능하다 — THz 경로 손실을 보상하는 데 필수적인 연필처럼 가는 빔을 생성한다.

현재 연구 및 시연

여러 획기적인 실험이 THz 통신의 방향을 보여준다:

• NTT Docomo는 2021년 300 GHz에서 100 m 실내 경로를 통해 100 Gbps 무선 링크를 시연했다 — 해당 범위에서 THz 백홀의 시스템 수준 실현 가능성을 보여준 최초의 시연이다.
• 도쿄대학 연구진은 2023년 3.8 cm² 칩 통합 안테나 어레이로 240 GHz에서 10 m 거리로 100 Gbps 링크를 시연하여, THz에서 가능한 안테나 밀도를 보여주었다.
• Samsung 종합기술원은 2021년 통제된 환경에서 140 GHz로 15 cm 거리에 1 Tbps 무선 링크를 시연했다 — 주로 sub-THz 주파수에서의 변조 처리량 증명이었다.
• EU의 TERAPOD 프로젝트는 데이터센터 랙 내 THz 무선 데이터 분배를 시연하여, 랙 간 통신에서 구리 인터커넥트를 THz 링크로 대체하는 것을 목표로 했다 — 광역 전파가 필요 없는 단기 상용 애플리케이션이다.

이 중 어느 것도 "제품 준비된 7G"가 아니다. 미래 시스템의 특정 구성 요소를 검증하는 개념 증명 시연이다. 300 GHz에서 100 m 거리로 100 Gbps를 달성한 시연과 500대의 디바이스를 동시에 서비스하는 배포된 7G THz 소형 셀 사이의 격차는 막대하며 — 약 10~15년의 엔지니어링 작업에 해당한다. 더 넓은 6G vs 7G 기술 환경과의 비교는 상세 분석을 참고하자.

7G 아키텍처에서의 THz

THz의 전파 물리학이 배포 위치를 결정한다: 근거리, 고밀도, 주로 실내. 7G 아키텍처는 다음 용도로 THz 스펙트럼을 활용할 것이다:

• 실내 소형 셀: 사무실, 공장, 가정에 분산된 THz 액세스 포인트로, 실내에서 디바이스당 수 Gbps 처리량을 제공한다.
• 기기 간(D2D) 통신: 근접한 디바이스 간 고속 데이터 교환 — AR 헤드셋이 장면 데이터를 공유하거나, 자율주행 차량이 교차로에서 센서 피드를 교환한다.
• 무선 백홀: 밀집 배포에서 기지국 구성 요소를 연결하는 근거리 THz 링크로, 트렌칭이 비실용적인 곳에서 광섬유를 대체한다.
• 데이터센터 인터커넥트: 랙 간 및 랙 내 통신에서 구리를 대체하는 THz 링크로, 대역폭 이점과 함께 능동 전기 인터커넥트의 전력 소비를 제거한다.

7G 시대에 광역 THz 커버리지는 예상되지 않는다. 물리학이 너무 불리하다. 7G 매크로 레이어는 커버리지를 위해 6G sub-THz와 미드밴드 주파수를 사용할 것이다. THz는 핫스팟에서 용량을 제공한다.

7G 아키텍처에서 THz 스펙트럼은 근거리 고용량 시나리오에 배포된다: 실내 소형 셀, 기기 간 링크, 무선 백홀, 데이터센터 인터커넥트 — 매크로 커버리지 레이어는 6G sub-THz 및 미드밴드 주파수에 의존한다.

배포까지의 경로

유럽위원회의 Horizon Europe 기술 평가에 따르면, 2026년 기준 THz 통신 구성 요소의 기술 준비 수준(TRL)은 대략 TRL 3~4: 실험실 조건에서 개념 증명이 시연된 수준이다. TRL 7~8(운영 환경에서의 프로토타입)까지 이동하려면 8~12년이 필요하다. TRL 9(생산 준비 시스템)에 도달하려면 추가로 3~5년이 필요하다.

이 타임라인은 7G THz 소형 셀이 2038~2042년경 선도적 배포에 등장하는 것과 일치한다. 그 전에, sub-THz(100~300 GHz)가 5G mmWave와 진정한 7G THz 사이의 간극을 메우는 중간 단계로 2033~2035년경 6G Advanced 시스템에 등장할 것으로 예상된다.

이 격차를 메우는 데 필요한 투자는 상당하다: 대량 생산 가능한 InP 및 GaN 소자를 제조하는 새로운 반도체 팹, 안테나-인-패키지 모듈용 패키징 기술, 칩 수준 빔 조향 ASIC, 밀집 다중 사용자 환경에서 THz 링크를 관리하는 신호 처리 알고리즘. 현재 이러한 투자를 하고 있는 기업과 국가 프로그램 — Samsung, NTT, Nokia Bell Labs, 그리고 한국, 일본, EU의 정부 지원 프로그램 포함 — 이 2035~2045년 10년간의 THz 공급망을 정의할 것이다.

출처

1. ITU-R 권고안 P.676 — 1 THz까지의 주파수에 대한 대기 감쇠 모델
2. IEEE Electron Device Letters — InP HEMT 및 GaN HEMT 트랜지스터 성능 벤치마크
3. NTT Docomo 300 GHz 시연 (2021) — 300 GHz에서 100 m 거리로 100 Gbps 무선 링크
4. Samsung 종합기술원 — 140 GHz에서 1 Tbps 개념 증명 시연
5. EU TERAPOD 프로젝트 — 데이터센터 환경에서의 THz 무선 데이터 분배
6. FCC Spectrum Horizons (2019) — 실험 및 라이선스 사용을 위해 95 GHz 이상 주파수 개방