5G 스마트폰 핵심 기술과 SWOT 분석 기반의 정책 이슈

2019년 4월 당초 계획을 훨씬 앞당겨 5G 이동통신 상용서비스가 개시되면서 이동통신사, 스마트폰 제조업체, 스마트폰 플랫폼(OS) 기업들의 시장 경쟁이 치열해지고 있다. 5G 스마트폰은 사물인터넷(IoT), 스마트 홈 어플라이언스, 웨어러블 기기 등과의 연결성과 아울러 모바일 결제 플랫폼과 신종 보안위협 등에도 대응할 수 있으며, 100Gbps급의 3D 홀로그램 영상을 전송할 수 있는 고도의 지능화된 성능을 요구하고 있다.

또한, 다양한 융합기술을 통해 주변기기들을 연결할 수 있는 융합 센서 네트워킹 기능 등 새로운 비즈니스 모델을 수용할 수 있는 플랫폼을 요구하고 있다. 이에 따라 스마트폰의 하드웨어 성능만으로는 차별적 우위를 지속하기 어려워지고, 후발 국가의 도약으로 시장진입 장벽은 더욱 높아지고 있다.

이번 리포트에서는 2019년 4월 상용서비스를 개시한 5G 스마트폰 핵심기술(mmWave/멀티코어 64비트 CPU 기술/모바일 DRAM 기술/초절전 에너지 기술/무선충전 기술 등)에 대해 알아보겠다. 아울러 국내 5G 스마트폰 산업에 대한 SWOT 분석결과를 토대로 C/P/N/D 기술적 요구사항과 정책적 지원 필요성에 대해 확인해 보겠다.

5G 스마트폰 핵심기술

▲ mmWave 기술

무선통신표준화단체(3GPP)에서는 NTT 도코모/후지쓰/삼성전자 등과 공동으로 Release 12 규격을 발표하면서 밀리미터파 기술을 차세대 스마트폰에 활용할 수 있는 방안들을 제시한 바 있다. 여러 국제연구단체에서 수행하고 있는 ‘mmWave’ 기술 적용성 연구사례를 요약하면 다음과 같다.

NTT DoCoMo에서는 11GHz의 중심주파수를 사용해 10Gbps의 고속 패킷 송수신 기술을 시연한 바 있다.

• WPC(The International Wireless Industry Consortium)에서는 세계 유수의 기관이 참여해 밀리미터파/THz 관련 선도적 연구결과를 교류하면서 5G 이동통신 시스템 기반기술 개발에 주력해왔다.

• 뉴욕대학교폴리테크닉대학(Polytechnic Institute of NYU)에서는 밀리미터파 기술을 이용해 구축된 무선통신 채널의 여러 파라미터에 대한 측정결과를 토대로 5G 셀룰러 네트워크에 대한 적용 가능성을 연구해왔다.

• METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)에서는 핵심 회원사인 에릭슨(스웨덴)의 주도로 5G 무선 연구 프로젝트를 추진해왔으며, 유럽에서의 5G-NOW(5G-Non-Orthogonal Waveform) 활용방안을 집중 연구해왔다

▲ 멀티코어 64비트 CPU

5G 스마트폰은 100Gbps급의 전송률로 실감형 3D/4D/홀로그램 콘텐츠를 실시간 양방향으로 전송하고, 다양한 융합 기술을 통해 언제 어디서든 주변기기와 연결 가능한 기술을 구현하고 있다. 이를 위해 5G 스마트폰은 다양한 운영체제에 적용할 수 있는 초절전 대용량 배터리 성능이 요구되며, 기존의 프로세서보다 전력 효율이 높은 멀티코어 64비트 CPU 코어가 필요하며, 심지어 256코어와 같은 높은 집적도의 CPU가 요구될 수도 있다.

이는 데스크톱 PC급의 데이터 처리 성능과 맞먹는 성능으로서 모바일 CPU 기반 AP(Application Processor) 시장의 동반성장을 기대하고 있다. AP 기술시장은 향후 2~3년 동안은 스마트폰과 태블릿 PC 제품군 중심으로 성장하다가 디지털 가전이나 자동차 등 ICT전 분야로 확산될 것으로 전망된다. 5G 스마트폰 CPU는 운영체제나 미들웨어, 애플리케이션을 실행하는 CPU를 탑재해야 한다.

또한, GPU는 OpenVG, OpenGL ES와 같은 그래픽 언어나 라이브러리를 지원할 수 있어야 한다. 아울러 H.264, MPEG2, DivX, Xvid와 같은 다중 멀티미디어 코덱을 지원할 수 있는 전용 하드웨어 IP, 제어모듈, 프로세서가 요구된다. [그림 1]은 일반적인 AP의 구조다.

64비트 프로세서는 서버나 워크스테이션을 위한 CPU로 개발됐지만, 최근에는 멀티코어 기술이 적용되면서 5G 스마트폰 성능을 향상시키는 데 크게 기여하고 있다. 5G 스마트폰을 위한 CPU는 높은 성능을 제공하는 저전력 프로세서가 필요하다. 이를 위해 ICH(I/O Controller Hub)와 MCH(Memory Controller Hub) 기능을 SCH(System Controller Hub)로 통합해 전력효율성이 향상시킴으로써 저전력과 휴대성을 향상시키고 있다.

▲ 모바일 DRAM 기술

이외에 또다른 중요 요소로는 모바일 DRAM이 있다. 5G 스마트폰에 탑재된 DRAM은 미세공정 기술력에서 글로벌 기업 간 차별성이 나타나고 있다. 국내 메모리 반도체 제조기술력은 10㎚급 공정 기술까지 확보한 상태로, 국제 경쟁력은 충분한 것으로 판단된다. 10㎚급 미세공정 적용이 본격화되기 시작한 2013년부터 국내업체와 후발업체와의 격차가 더욱 커지고 있다. 삼성전자는 독자 설계기술과 10㎚급 공정기술을 적용한 12GB급 초고속 모바일 DRAM 양산에 성공했다. 이는 1세대(20㎚급) 8GB DRAM보다 생산성을 50% 이상 높여 차세대 스마트폰이나 태블릿 PC 등에 충분히 적용할 수 있는 것으로 평가받고 있다.

▲ 저전력 기술

스마트폰 도입 초기에는 디자인, 성능, 해상도 등 제품의 사양에 대한 경쟁에 주력했다. 점차 고해상도, 다양한 센서 장착(실시간 상황인지 기능) 등에 따라 소비전력은 계속 증가하고 있다. 특히 웨어러블 디바이스나 IoT 기기와 접목되면서 스마트폰의 소비전력 문제가 핵심 이슈로 부상되고 있다. 아울러 스마트폰은 전원이 항상 켜져 있어야 하는 제품 특성상 대기전력 문제는 항상 잠재하고 있다. 이에 스마트폰 제조업체들은 다음과 같은 소비전력 절감 방안을 모색하고 있다.

• 소비전력이 큰 요인을 찾아 소비전력 자체를 줄이는 방안

• 스마트워치-스마트폰 간, 스마트폰-스마트폰 간 전력공유 시스템을 개발하는 방안

• 열, 진동 등 자연으로부터 얻을 수 있는 미세한 에너지를 모아 전기에너지로 변환해 사용하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting)기술 등

저전력형 5G 스마트폰을 제조하기 위해서는 초절전형 하드웨어 설계기술, 대기점력 절감기술, 대용량의 전력충전 기술, 무선충전 기술 등에 대한 기반이 필요하다. ICT 제품군에서 가장 많은 전력을 소비하는 디스플레이 패널을 OLED 패널, 마이크로 LED, LTPS(저온 폴리실리콘) 등으로 대체하는 것도 에너지 절감방안이 될 수 있다.

이처럼 5G 스마트폰 소비전력은 제품의 경쟁력을 결정짓는 주요인자가 되고 있다. 이런 인프라를 효과적으로 구축하기 위해서는 스마트폰 제조업체뿐 아니라 이동통신사의 기지국 전력이나 단말기 송수신전력 저감 등 공동노력이 필요하다.

▲ 무선충전 기술

무선충전 방식은 자기유도, 자기공명, 전자기파 방식이 있다. 이를 기반으로 수m~10m 거리에서 수십MHz~수GHz의 반송파를 이용해 수십mw의 직진성 전력을 방사하는 방식이 상용화돼 있다. [표 1]은 무선충전 방식별 특징이다.

무선충전 기술의 핵심 이슈는 대 전력을 먼 거리에 인체에 무해하게 전송함으로써 충전효율을 높이는 것이다. 최근 충전 베이스 스테이션과 충전기기 간에 자기장 공진을 일으켜 충전하는 기술개발이 진행되고 있다. 현재는 1m 거리에서 5W의 전력 충전 시 70%의 충전효율을 나타내고 있어 아직은 5G 스마트폰에 적용하기에는 어려운 상황이다.

스마트폰 수준의 충전기 휴대용이성에 대한 요구를 수용하면서 동시에 높은 충전효율을 구현할 수 있는 기술이 요구된다. 무선충전 기술은 스마트폰뿐 아니라 스마트 홈(Smart home) 지향의 정보가전, 전기자동차, 생체인식 시스템 등의 분야에 에너지 효율화를 위한 경쟁력의 핵심으로 자리 잡고 있다.

5G 스마트폰 산업환경 분석

5G 스마트폰 기술은 IoT 연동, 신종 보안위협 대응, 스마트 홈 얼라이언스와 웨어러블 기기 연동, 대용량 메모리, 초고화질 디스플레이, 모바일 결제 플랫폼 등 매우 다양한 콘텐츠 확보 경쟁이 가속되면서 스마트폰 기술 시장에 대 변혁이 가시화되고 있다. 아울러 스마트폰 경쟁 원천이 하드웨어에서 소프트웨어로 이동하면서 하드웨어 성능만으로는 차별적 우위를 지속하기 어려워지고 있다.

게다가 중국 등 후발 국가의 저가격 전략 등으로 인해 글로벌 시장 진입장벽이 더욱 높아지고 있는 상황이다. 이는 스마트폰 제조업체 간 경쟁을 더욱 심화시키는 한편 수익성에도 악영향을 끼쳐 기술 개발(투자) 등 지속적인 기술혁신의 위협요인이 될 가능성이 있다.

▲ 국내 5G 스마트폰 산업 SWOT 분석

5G 스마트폰 산업에 대한 정성적, 정량적 분석을 통해 경쟁력 결정 요인을 종합적으로 진단·분석해 국제경쟁력을 향상시킬 수 있는 전략을 도출할 필요가 있다. 이는 새로운 정책 수립이나 전략적 추진과제 도출을 위한 논리적, 실질적 연결고리로 활용할 수 있을 것이다. 아울러 국내 스마트폰 산업의 경쟁력을 진단해 취약점을 극복할 수 있는 정책과 전략과제를 도출할 필요가 있다.

이를 통해 5G 스마트폰 관련 글로벌 기술시장을 선점할 수 있는 전후방 기술 개발 동향과 산업 환경 등에 대한 SWOT 분석을 통해 미래전략을 도출해 보자.

5G 스마트폰 시장은 기회와 위협, 강점과 약점 요인을 모두 갖고 있다. 기회요인으로는 세계최고 수준의 ICT 인프라와 기술력을 보유하고 있어 대외경쟁력이 높고 국가적으로 전략적 기술개발에 적극적이다. 아울러 2019년 4월 앞당겨 개시된 상용서비스로 인해 5G 이동통신 산업에 대비한 투자확대 등을 들 수 있다.

반면 차세대 모바일 산업과 직결돼 있어 예상치 못한 약점요인도 존재한다. 5G 스마트폰 기술은 차세대 모바일 기술의 최후방위 수요시장으로서 CPND(Contents/Platform/Network/Device) 기술력 중심의 5G 이동통신 산업 활성화를 좌우할 수 있는 매우 중요한 지표다. 분석해보면 강점과 기회요인들이 많지만 약점과 위협요인들도 있는 만큼 이를 극복할 수 있는 해결책이 필요하다. [표 2]는 국내 차세대 스마트폰 산업에 대한 SWOT 분석 결과다.

기술적 요구사항과 정책적 지원

세계최고 수준의 기술력을 보유하고 있는 5G 이동통신 인프라를 적극 활용해 CPND 요구사항을 수용한 스마트폰 단말기뿐 아니라 5G 이동통신 주변 산업을 활성화시켜 ▲차세대 스마트폰 플랫폼을 통해 UHD/초다시점/홀로그램 서비스를 제공함으로써 3D 입체영상 산업의 가속화, ▲웨어러블 기기와 사용자 개인기지국을 결합한 실시간 사설 모바일 클라우드 서비스를 통해 지능형 모바일 서비스 제공 등의 파급효과가 기대된다.

5G 스마트폰 플랫폼은 앞에서 얘기한 CPND 요구사항을 수용할 수 있어야 하며, 이를 위한 정책적, 제도적 지원이 필요하다.

• 스마트폰 제조업체와 이동통신업체가 공동노력을 통해 5G 시스템의 요구사항을 충족시킬 수 있는 플랫폼을 개발할 수 있도록 정책적 지원이 필요한 상황이다.

• 다수의 보조 네트워크 구축으로 인해 경제성이 떨어지는 외곽지역의 투자가 축소될 우려가 있으므로 보조 네트워크나 외곽 네트워크에 대한 공동 네트워크를 구축할 수 있도록 정책적 지원이필요하다. 아울러 단말기에서 이를 수용할 수 있도록 스마트폰 제조업체간의 협력이 필요하다.

5G 스마트폰 기술은 모바일 브로드밴드 서비스의 정보격차(Digital Divide)를 해소할 수 있는 방안이 반드시 필요하다. 특히 광대역 이동통신 네트워크의 경우, 음성과는 다르게 전국 커버리지를 갖기 보다는 트래픽나 수요 밀집 지역을 우선적으로 네트워크가 구축될 가능성이 높기 때문이다.

아울러 5G 이동통신 서비스 가입자들은 음성보다는 데이터 위주의 서비스를 주로 이용할 것이다. 따라서 경제성이 부족한 지역은 네트워크 구축이 지연될 수도 있어 이에 대비한 정책적 지원이 필요하다.

맺음말

5G 이동통신 상용서비스로 인해 관련 업계 및 기술시장에 커다란 변화가 나타나고 있다. 이동통신업체는 5G 서비스 신규가입자 확보를 통한 매출 증대를 기대하고 있다. 아울러 스마트폰 제조업체나 플랫폼 기업들은 앱스토어(App store) 시장장악을 위한 대응전략에 분주하다.

5G 스마트폰의 핵심 경쟁요소 중 하나는 스마트폰의 브랜드, 디자인, 성능 요소 외에 다양한 애플리케이션 이용에 따른 부가가치를 향상시키는 전략이 있다. 즉, 애플리케이션 이용 가능성과 편리성이 중요한 경쟁요소가 되고 있다. 고품질의 다양한 애플리케이션 활용 기반 구축을 통해 소비자층을 확장시키고 앱 업그레이드 등 애프터마켓(After market)을 활성화시킬 수 있는 에코시스템 구축전략이 필요하다.

특히 5G 스마트폰의 CPND 산업을 기반으로 한 스마트폰 플랫폼 기업은 이동통신업체와 스마트폰 제조업체 사이의 협력관계를 형성해 플랫폼 주도권 경쟁 심화에 따른 불이익을 해소하는데 주력하고 있다. 이를 위해 LiMO(Linux Mobile), OHA(Open Handset Alliance), Symbian Foundation 등의 휴대폰 제조업체, 이동통신업체, 플랫폼 운영체제업체 간의 협력이 진행되고 있다.

단말과 플랫폼을 동시에 보유하고 있는 애플은 수직통합의 사업모델을 통해 경쟁력을 강화하고 있으며, 안드로이드를 앞세운 구글은 오픈소스 전략으로 협력관계를 강화하고 있다. 5G 이동통신 서비스 개시를 기점으로 스마트폰 단말기와 스마트폰 앱 시장에서 안드로이드, 아이폰 등 플랫폼 간 시장경쟁이 가속화되고 있다. 특히 단일 기술로 여러 플랫폼을 지원할 수 있는 스마트폰 크로스 플랫폼 이슈는 이런 상황과 맞물리면서 복잡한 양상으로 진화하고 있다.

스마트폰 크로스 플랫폼 기술의 발전은 가상화(Virtualization) 기술, 다중 운영체제 실행환경(Multiple OS Hypervisor), 가전기기/자동차/로봇/드론 등 다중 플랫폼과 융합되면서 빠르게 확산되고 있다. 이는 차세대 스마트폰 단말이나 앱 시장은 물론 모든 디지털 기기의 변화를 앞당기는 중요한 요인이 될 것이다.

작성 : 박세환 | 기술법인 엔펌(ENF) 전문위원.
한국CCTV연구소 영상보안CCTV산업발전연구회 회장,
한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원