스마트폰 숨은 영웅 'RF 솔루션'…5G 시대 '난제'

[아이뉴스24 김문기기자] 스마트폰이 낼 수 있는 네트워크 속도가 점차 증가하고 있는 가운데, 변방에 위치했던 RF 프론트엔드 솔루션이 중심축으로 옮겨가고 있다.

5G 시대에서는 다양한 주파수와 네트워크 규격이 활용되기에, 맞춤형 솔루션이 디바이스 설계의 핵심 사항이다.

시장조사업체 IHS마킷이 지난 10일(현지시간) 발표한 최근 보고서에 따르면 RF 프론트엔드 솔루션이 향후 스마트폰 시장을 좌지우지할 수 있는 핵심이다.

웨인 램 IHS마킷 연구원은 "빠른 다운로드 속도를 낼 수 있는 스마트폰에 이르기까지 RF 프론트엔드 솔루션에 대한 과소평가가 있어왔다.

오늘날 대부분 스마트폰 사용자는 RF 프론트 엔드가 무엇인지 알지 못하지만 제품 초기부터 디바이스 디자인의 가장 중요한 측면 중 하나다"라며, "적절한 RF프론드엔드가 없다면 장치는 네트워크에 연결될 수 없다. 적절하게 설계된 RF프론트엔드는 기기의 성능과 기능, 산업 디자인과 관련된 최근 혁신에 매우 중요하다"고 설명했다.

◆ 주파수 신호 가장 먼저 받는 ''RF 프론트엔드''

RF프론트엔드(RFFE) 솔루션은 RF트랜시버와 안테나 사이에 위치한 중요 부품 집단이다. 주로 전력증폭기(PA)와 저잡음증폭기(LNA), 스위치, 듀플렉서, 필터 및 여러 기타 구성 요소로 구성된다. 안테나로 들어온 주파수 신호를 RF트랜시버까지 전달하거나 내보내는 역할을 수행한다. 가령 물에서 헤엄치고 있는 물고기 중 먹을 수 있는 물고기를 잡아내거나 반대로 방생할 수 있는 상태로 내보내주는 역할을 담당한다.

RF트랜시버는 송신기의 트랜스미터와 수신기인 리시버를 결합한 제품이다. RF프론트엔드를 통해 전달된 주파수 신호는 낮게는 수백MHz에서 높게는 수GHz 이른다. 이러한 주파수를 통신모뎀이 소화할 수 있게 저주파 대역으로 변조시키거나 그 반대의 역할을 해준다. 잡은 물고기를 요리에 쓸 수 있게 잘 손질해준다고 볼 수 있다.

이렇게 손질된 물고기는 통신모뎀으로 이동해 먹을 수 있는 요리로 탄생된다. 이 때 요리를 시식하는 고객은 모바일AP가 된다.

문제는 네트워크가 고도화될수록 사용되는 주파수가 다양해지고, 이에 따라 주파수 신호를 잡을 수 있는 안테나 수가 보다 많아져야 한다는 데 있다. RF프론트엔드 솔루션도 안테나가 잡은 다양한 신호를 모두 잘 전달할 수 있도록 진화돼야 한다. 하지만 공간이 점차 협소해지면서 간섭을 피하고 효율을 높이기가 어렵다.

강승현 인텔코리아 이사는 "5G를 스마트폰과 같은 단말에 구현하기 위해서 가장 큰 난관은 안테나 설계에 있다. 현재 스마트폰 안에는 2개 내지 4개의 안테나가 LTE 신호를 받는데 5G에서는 16개의 안테나를 사용하게 된다. 빔포밍을 위해서라도 기지국과 방향을 맞춰야 할 수도 있다"고 설명했다.

이와는 반대로 최근 프리미엄 스마트폰의 내부 여유 공간은 점차 사라지고 있다. 스마트폰의 화면은 예전보다 커졌지만 베젤리스와 슬림한 디자인이 선호되고, 보다 다양한 기능들이 추가되면서 RFFE가 설 공간이 점차 줄어들고 있다.

웨인 램 연구원은 "스마트폰 화면 크기가 5인치 이상인 모델은 전체 출하량의 약 73%를 차지했다. 전년 53% 대비 늘었다. 대화면은 일반적으로 배터리 수명에 영향을 미쳐 배터리 용량을 증가시킨다"라며, "이들과 다른 진화된 부품들의 결합으로 중요한 RFFE 부품의 물리적 공간은 줄었다"고 지적했다.

◆ 더 복잡해진 RFEE ''설계'', 5G에서는 ''기회''

5G에 가까워질수록 RFFE의 설계는 더 복잡해진다. LTE-A에서 LTE-A 프로의 전환에서 RFEE의 복잡성을 찾을 수 있다. 일반적으로 RFFE 설계의 복잡함은 사용되는 안테나 수와 지원되는 데이터 스트림의 수와 관련된다.

일례로 삼성전자 ''갤럭시S6''와 ''갤럭시S7'', ''갤럭시S8''을 꼽을 수 있다. ''갤럭시S6''과 ''갤럭시S7''은 LTE-A에 해당되는 스마트폰으로 각각 LTE Cat.6와 Cat.9/12를 지원한다. 이 때는 RFFE의 설계 상 큰 변화가 눈에 띄지 않는다.

하지만 ''갤럭시S8''이 LTE-A 프로를 정식 지원하면서, RFEE의 복잡성이 눈에 띄게 증가했다. 최대 4개에서 5개까지 주파수를 엮을 수 있는 캐리어애그리게이션(CA) 기술과 더 높은 변조도, 복잡한 안테나 아키텍처, 데이터 스트림 수 증가, LTE-U 또는 LAA의 지원가능성 등 때문이다.

설계가 더 복잡해졌지만 공간은 더 줄어들고 있어, RFFE를 구성하는 부품들은 점차 모듈화 경향을 띄고 있다. RF프론트엔드 모듈에 통합되면서 전체적인 모듈화가 심화되고 있다. 적절한 거리를 유지해야 간섭현상을 줄일 수 있지만 오히려 반대로 진화하고 있는 실정이다.

RFEE의 중요성은 전력효율과 비용적인 측면에서도 살펴볼 수 있다. 디스플레이에 이어 전력 사용폭이 높은 곳이 RFEE다. 필요부품 증가로 사용되는 전력량도 늘어난다. RFEE 솔루션 부품비용도 갤럭시S8플러스가 갤럭시S7 엣지 대비 약 2배 가량 높다.

즉, 5G 시대에는 그간 과소평가된 RFFE 설계가 핵심에 위치함으로써 디바이스 설계의 핵심축으로 부상할 공산이 크다. 이러한 기술을 보유하고 상용화 가능한 업체가 5G 모바일 시장 선점이 가능할 것으로 예상된다.

선도 업체로 유력시되는 곳은 퀄컴과 인텔 등이다. 퀄컴은 이전부터 통신모뎀과 AP뿐만 아니라 RF트랜시버와 RFFE 솔루션을 통합 제공해오고 있다. 5G 초기 시장에서도 스냅드래곤 X50 패밀리와 RF 솔루션을 통합 제공해 OEM의 디바이스 설계 및 생산을 도울 계획이다.

제임스 윌슨 퀄컴 부사장은 "퀄컴은 전세계적인 수준의 첨단 RF필터와 통합모듈 및 솔루션을 제공하기 위해 제품을 개발, 제조, 패키징, 조립 및 테스트 하는 RFFE 기능 확장에 투자해왔다"며, "OEM 제조사에 포괄적인 상용 모바일 플랫폼을 제공하는데 필요한 모든 구성요소를 생산할 수 있는 최초의 기술 제공업체로써의 자부심도 있다"고 강조했다.

인텔은 엣지 측면에서의 인프라 구현과 5G 디바이스를 묶는 작업을 해오고 있다. 코드명 골드릿지로 알려진 5G 모뎀과 관련 부품을 올해 하반기 샘플 공급할 예정이다.

한편, 웨인 램 연구원은 "5G NR 지원은 RFFE에 더 큰 부담으로 작용할 것"이라며, "향후 출시될 RFFE 요구 사항으로 인해 부품공급업체는 RFFE가 모바일 광대역 성능에서 병목현상을 일으키는 것을 방지하기 어려워질 수도 있다"고 분석했다.