안테나는 토마스 에디슨에 의해 1885년 처음으로 특허가 승인된 기술이며 용어는 마르코니에 의해 가장 먼저 사용되었다. 전류/전압으로 표현되는 도체에서 통하는 전류를 전자파/전기파로 부도체(유전체)에서 전달되는 전자기파로 변환하는 게이트 역할을 하는 장치가 안테나로써 무선통신에서 알파요 오메가로 알려질 정도로 기본 장치에 해당한다.

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94년 통신 분야 연구개발에 몸담게 된 것이 계기가 되어 그 동안 이동통신 안테나 처리 관련 석사와 박사 학위 논문도 썼고 안테나 처리 관련된 굵직한 상도 두 번이나 받았다. 그렇지만 지난 WWDC 2010에서 Jobs가 발표한 아이폰 4의 설명을 들었을 때 외곽으로 둘러싼 안테나 기술은 잘 이해가 되지 않았다. 국제 이동통신 표준화에서 수년간 안테나 처리 분야 공식 Editor도 한 경험이 있는 터라 안테나 처리 관련해서 기본 상식은 알고 있다고 생각했었는데 아이폰 4의 새로운 안테나 형태는 아무래도 이해가 안되었었다. 뭔가 이상했다.

아니나 다를까 사건은 일어났다. 소비자들은 통화 품질이 좋지 않고 때로는 끊어지는 경우가 있다고 했고 그 이유로 새로운 안테나 구조를 들었다. 한 소비자가 Jobs에게 이상한 현상에 대한 메일을 보내면서 문제는 더 확대되기 시작했다. Jobs는 문제를 파악하여 현황을 전달하기 보다는 폰을 제대로 잡고 통화해야 한다(Just avoid holding it in that way)고 응대했던 것이다.

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한 소비자의 불만은 결국 Jobs가 2차 세계 시장 확대 발매 이전에 기자 회견을 갖고 시인과 사과를 하는 상황에 이르게 했다. 소비자의 승리였다. 그리고 내용은 어떻든 간에 최고 책임자인 Jobs의 신속한 대응에는 인간다움을 느끼게 했다. 그렇지만 내용은 정말 문제였다. 다른 회사들까지 물고 넘어간 것이다. 림사는 즉각 성명을 내고 “한가지 확실한 것은 블랙베리를 사용하는 고객들은 단지 (통화) 연결을 유지하기 위해 케이스를 사용할 필요가 없다”고 말했다.

이번 인터뷰 내용은 휴대폰 안테나 기술 설치의 어려움에서는 공감이 가지만 물타기식 접근은 무리수가 있었다. 휴대폰에 안테나를 설치하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각 설치 방법은 서로 큰 차이가 없어 보여도 경험과 테스트를 통해 선택한 설치 방법의 작은 차이가 통화 품질에는 적지 않게 영향을 줄 수 있기 때문이다.

이번에 안테나를 밖에 내놓고 손으로 잡게 한다는 점은 안테나 처리 분야 엔지니어인 나에게도 익숙하지 않은 방법이다. 안테나는 전도체인 생체와 닿아서는 안 된다는 것이 안테나 분야 엔지니어들에게는 상식이다. 생체와 닿아도 되는 특수한 방법을 사용하고 있는 건지 아니면 정말로 몰라서 놓친 문제인지는 아직 분명하지 않다. 일반적인 방법으로 디자인되었다면 아래에서 갈라지는 두 개의 외형 안테나가 손에 의해서 만져질 경우 생체의 전기 전달 특성 때문에 미세 전류가 흘러 잡음 현상이 발생할 수 있다. 이 문제를 해결했었는지 아니면 몰랐었는지는 아직 확실하지 않다. 아마도 첨단 안테나 분야 기술자들을 보유하고 있다고 했으니 어느 정도는 해결되었는데도 부분적으로 문제가 남아있었던 것인지도 모르겠다.

여러 가지 안테나 형태들 / 출처 : http://www.tpub.com/neets/book10/NTX4-3.GIF/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다

최근 논란이 된 경쟁사는 기술력도 디자인 못지 않게 중요하게 생각하는 회사이고 앞으로 안테나 전문가들을 더 채용한다고 하니 멀지 않아 문제가 해결 되지 않을까 생각은 든다. 그렇지만 지금까지의 사태로 인해 생긴 이미지 손상은 회복하려면 기술 보상보다 훨씬 더 많은 시간이 필요할 것으로 보인다.

기술적으로 볼 때는 안테나 기술에 대한 철저한 대비가 필요하다고 볼 수 있다. 현재에 불거진 이슈는 외장이나 사이즈를 줄이기 위해 안테나를 소위 인테나 (Intenna)로 만드는 부분에서 생기는 이슈들이다. 그렇지만 앞으로는 3GPP LTE와 WiMax 802.16m 국제 이동통신 표준화에 반영되었듯이 단말의 안테나 기술이 MIMO 방식으로 바뀌어 가게 되면 더 복잡한 문제가 발생할 소지가 있다. 한 개의 안테나를 넣는데도 어려움이 많은데 두 개 이상의 안테나를 넣어야 하는 MIMO를 사용하게 되면 더욱 많은 해결해야 할 문제점들이 나오게 될 것이다. 앞으로는 이동통신 네트웍의 셀 전반의 성능을 높이기 위해 협력 형태 MIMO 안테나 (CoMP, cooperative relay), 에너지 소비를 조절하기 위해 대규모 MIMO 안테나 (many antenna beamforming) 기술의 활용이 예측되고 있는 만큼 안테나 기술에 대한 철저한 대응이 필요하다고 하겠다.

안테나 처리 기술의 발전 방향 / 출처 : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ko/2/2b/MIMO_communications.svg/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다

안테나에서 중요한 숫자는 활용 주파수 대역 높이이다. 안테나 길이도 주파수 대역 높이에 비례하며 두 개 이상의 안테나를 사용하는 MIMO 기술에서 주변 안테나 간 간격도 주파수 대역 높이에 비례한다. 통상 효율적인 방식을 위해서는 둘 다 주파수의 반파장에 비례해야 한다 (모노폴 안테나의 길이는 사분의 파장에 비례해야 한다). 2GHz 경우 반파장의 길이는 7.5cm 정도가 된다. 전통적인 안테나 설치 방식을 사용하면 길이나 상호 간격이 줄어들면 수신 성능은 줄어든 길이에 비례해서 달라지게 된다.

안테나 길이와 활용 주파수 파장의 관계 / 출처 : http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/images/ant_reso.gif/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다

안테나의 길이의 경우 meta-material이라는 상식을 뛰어넘는 물질의 가능성에 대한 연구를 통해 새로운 결과가 나오고 있다. Meta-material을 이용하는 안테나는 자연계에서 쉽사리 알려지지 않은 특성을 이용하는 신기술로 초소형/고효율의 안테나 구성이 가능할 것으로 보고 있다.  MIMO 안테나를 위한 안테나간 간격의 경우도 안테나 배치에 대한 기하학적인 차원에 대한 새로운 사고 덕분에 기존 상식을 뛰어넘는 조건들이 나올 가능성이 높아지고 있다. 유클리드 기하학에 따르면 삼각형의 세 각의 합은 180이고 데카르트의 직각 좌표계에 의하면 차원은 정수배만 존재한다. 그렇지만 상대성이론에도 사용되기도 한 리만의 기하학에서는 삼각형의 세 각의 합이 꼭 180도 가 될 필요는 없다. 복잡계 이론의 프랙탈은 비정수 차원에 대해서도 정의가 가능함을 보여주고 있으며 양자이론의 초끈 이론은 5차원 이상의 세계가 이론적으로 성립됨을 보여주기 시작했다. 새로운 기하학적 사고를 통해 MIMO 안테나간 간격 요구 사항에도 변화가 진행되고 있다. 더불어 안테나 어원이 곤충의 더듬이였던 것처럼 생체의 특성을 묘사하게 된다면 또 다른 새로운 형태의 안테나가 가능해질지도 모른다.

한 보도에서는 이번 안테나게이트 사건을 개발사 내부의 소통 부족 때문일지도 모른다고 했다. 과학 기술 발전은 6개월에 두 배씩 늘어나는 온라인 지식의 양만큼 급속하게 성장하고 있다. 따라서 엔지니어의 자료들은 새로운 기술적인 내용을 다루고 있어 보어의 상보성의 원리에서 알려주듯이 명쾌함이 떨어지게 된다. 전혀 새로운 이야기를 명쾌하게 설명하기는 쉽지 않기 때문이다. 그렇지만 엔지니어들은 설득을 위해 자료를 스마트하게 준비하는 꾸준한 노력과 용기가 필요하다. 더불어 이미 시작한 마스터, 펠로우 제도 등 기술 전문가들의 양성과 역할 확대도 점점 더 많은 기여를 하게 될 것으로 생각된다. 포유류 동물들에게서도 상대의 크기가 작거나 약할 경우에는 자신의 힘을 조절하여 협력적이 되는 페어 플레이 네트워킹 현상이 관찰되고 있다고 한다. 운영 시스템에부터 기술, 디자인 그리고 마케팅 전문가간의 융통섭을 통한 소통과 협력이 무엇보다 중요한 시기가 되고 있다고 하겠다.

새로운 과학적 발견과 철학적 사고 덕택에 상상을 뛰어 넘는 놀라운 안테나 관련 기술들이 나오게 될 날이 기대된다. 이번에 아이폰 4에서 보여준 안테나 기술이 아직까지는 상식 수준의 기술이었고 기본적인 문제점에서도 완벽하게는 해결되어 있지 않았음에 안테나 처리 분야 엔지니어로서 아쉬움이 남는다. 하지만 앞으로 나오게 될 새로운 안테나 기술에 기대를 걸며 안타까운 마음을 씻으려고 한다. 가능하면 새로운 안테나 기술이 우리 엔지니어 손으로 구현되길 한편으로 더 기대해본다.

참고자료
[1] 아이폰 4, http://en.wikipedia.org/wiki/IPhone_4
[2] kcwsssk@joongang.co.kr, 스티브 잡스 신화 ‘안테나게이트’에 무너지나 <지구촌, Joins, 2010-7-17>
[3] 안테나 송 (Antennagate)
[4] “잡스씨, 아이폰4 실패에 우릴 왜?”… 블랙베리 CEO ‘발끈’ <국민일보, 2010-07-18>
[5] RF 회로개념 잡기 – PART 10 Antenna (안테나)
[6] 이인식, 개는 윤리적 동물이다. <조선일보, 2010-07-19>

※ 본 블로그에 게시한 글은 개인적인 것으로 삼성전자의 입장, 전략 또는 의견을 나타내지 않습니다.

▲ 요한 제바스티안 바흐

최근까지만 하더라도 나는 바흐가 음악의 아버지라는 말을 단순한 상징적인 의미로만 생각했었다. 그런데 최근 모리스 클라인의 ‘수학, 문명을 지배하다 (1953)’를 읽고는 상징적이지만은 않겠다는 생각을 하게 되었다. 모리스는 바흐와 쉔베르크는 수학적 개념을 통해 작곡의 이론을 만들었다고 했다. 수학과 음악이 도대체 무슨 상관이 있단 말인가? 가장 이성적인 수학과 가장 감성적인 음악이 한통속이라니…

▲ 모리스 클라인 ‘수학, 문명을 지배하다’

엄밀하게 말하면 바흐는 음악의 아버지라기 보다는 대위법을 통한 화성 음악의 아버지라고 봐야 한다. 그런데도 음악의 아버지라 불리는 것은 사실상 서양 클래식 음악이 바흐로부터 시작된 조성이 존재하는 화성 음악으로 되어있기 때문이다. 동양이나 아프리카 어디에도 조성 음악이 없었다는 점이 이를 반정해 준다. 바흐는 새로운 음악을 만듦으로써 50명 이상의 음악가를 가문에서 배출하였다. 창조의 중요성을 보여주는 예가 될 수 있다.

도-미-솔로 대표되는 화성은 자연스러움이 아니라 인위적으로 만들어졌다는 의미이다. 통신 기술과 연결하기 위해 수학적인 신호처리 관점으로 생각해보면 화성은 주파수가 정수배가 될 때 일어난다. 이에 대해서는 피타고라스 시절부터 알았던 사실이며 수학적으로는 푸리에(1768~1830)가 정리했었던 내용이었다. 비슷한 시대에 살았던 바흐 부자는 이런 특성을 작곡에 반영하였던 것이다.

세월이 지났다. 베토벤, 모차르트를 포함하여 바흐 이후부터 작곡된 클래식은 거의 대부분은 조성을 따랐다. 그런데 19세기에 갑자기 아르놀트 쉔베르크(1874~1951)가 등장한 것이다. 그는 그 동안의 전통을 거부하고 과감히 조성을 없앤 무조 음악을 작곡하여 지휘자들에게 제출한다. 지휘자 협회는 그의 음악의 연주를 거부한다. 조성이 없다는 점이 말이 안되었던 것이다. 하지만 그는 지금 무조 음악의 작곡법인 12음 기법을 창시한 작곡가로 널리 알려져 있다.

▲ 작곡가이자 화가로도 활동했던 무조음악의 아버지 ‘아르놀트 쉔베르크’

무선 통신에서 바흐급의 대가를 들라고 하면 클라우드 새년을 드는데 이의가 없을 것이다. 하지만 그의 이론은 기본적으로 간섭이 존재하지 않는 경우를 가정하고 있다. 하나의 송신기와 하나의 수신기가 신호를 보내고 받을 때를 가정한 이론이라는 의미이다. 바흐 이후의 클래식 음악처럼 지금까지의 통신 이론은 이 개념을 기본으로 하여 발전되어 왔다. 둘 이상이 동시에 통신하고 싶을 때는 TDMA, FDMA, CDMA등 자원을 직교로 분할하여 사용함으로 간섭 현상을 배제하였다.

앞으로의 무선통신은 기지국 등 중심 제어 장치가 존재하기 힘든 산발적이고 복잡한 환경에서 일어나게 될 것으로 보고 있다. 블루투스, 무선랜 등 점점 더 많고 다양한 무선 단말들이 같은 영역대의 주파수를 사용하여 통신을 하고 있기 때문이다. 간섭을 배제하는 방식으로는 통제도 불가능하고 원활한 통신도 기대하기 어려운 상황에 와 있는 것이다. 우리가 파티에 참여하여 대화할 때 한 사람에 의해 중재되지 않고도 다들 잘들 대화한다. 서로들 귓속말만을 하지 않아도 다른 사람들의 대화 도중에도 상대방과의 대화를 거의 아무런 문제없이 진행할 수 있다.

▲ 차세대 무선통신 환경 [출처] http://www.etri.re.kr/eng/etri/sub02/sub02_252_10.jsp/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다

최근 통신 시스템은 다중송수신 안테나 (MIMO) 기술을 통해 엄청난 상식의 혼란을 겪기도 했다. 여러 안테나로 서로 다른 신호를 보낸다는 것은 간섭을 일으키는 행위임으로 MIMO 기술이전에는 상상도 못할 일일 뿐만 아니라 통신 시스템의 전송 속도의 보장을 위해 금지되는 행위였다. 사실 MIMO 이전에 Alamouti 시공간 코딩 기술에서부터 안테나 별로 서로 다른 신호를 송신하는 개념은 도입되기 시작했다. 그 때까지만 하더라도 두 안테나를 신호를 보내어 다이버시티 효과를 얻을 때는 시간 분할 또는 주파수 분할을 통해서 동일한 신호를 다른 시간대 또는 다른 주파수대에 다른 안테나로 보내도록 구성했던 것이다. 대부분의 엔지니어 들이 간섭은 신호 전송에 문제를 일으킨다는 기존 개념의 벽에 갇혀있었기 때문이었다.

▲ MIMO 기술의 역사와 미래

제대로 된 MIMO 기술은 이론적으로만 접근하지 않는 실제 실험을 통해 테스트를 했던 Lucent의 엔지니어 포치니 (Foschini)에 의해 발견되었다. 이론은 그 이후에 전문가들에 의해 구체적인 성능 평가와 함께 증명되기 시작했던 것이다. 음악에 있어서 포치니는 지휘와 작곡을 동시에 했으며 쉔베르크가 존경했던 구스타프 말러와 비슷한 역사적인 일을 한 것이다.

지휘자였던 말러는 초기 작곡한 곡을 배포했을 때 심하게는 지휘나 열심히 하라 라는 평을 들을 정도였다. 그러나 그는 이론에 매달려 있는 작곡가들의 한계를 극복하며 지휘를 통한 경험의 반영으로 ‘천인 교향곡’등 불후의 명곡을 남기게 된다. 포치니 (Foschini)의 MIMO가 실험을 통해 발견되고 이론으로 구체적인 방법이 만들어 졌듯이 말러는 지휘자이자 작곡가였던 자신의 장점을 살려 이론과 실제를 결합하여 새로운 음악 세계를 열 수 있었던 것이다.

바흐는 초기 이론을 정립함으로 초기 클래식 음악의 아버지였으며, 쉔베르크는 바흐의 이론의 벽을 과감하게 뚫음으로써 새로운 음악 분야를 창시하게 되었다. 무선 통신에서도 간섭에 대한 개념의 새롭게 정립 하는 등을 포함하여 사고의 전환을 통해 쉔베르크 급의 혁신이 일어나길 기대해 본다. 그렇게 된다면 우리가 어디서나 무선 통신을 통한 디바이스 사용의 자유로움 배가해서 느낄 수 있을 것이다.

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