DGIST, 세계 최소 크기 UWB 송신기 개발…면적 효율 9배 향상

무선 통신 칩의 크기와 전력 소모를 획기적으로 줄이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 송민영 교수팀은 스펙트럼 활용도를 극대화하면서도 글로벌 스펙트럼 규제를 만족하는 저전력 디지털 초광대역(Ultra-Wideband, UWB) 송신기를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀이 개발한 송신기는 0.0523mm²의 세계 최소 수준 회로 면적을 달성했으며, 이는 기존 송신기 대비 9배 이상의 면적 효율을 입증한 성과다. 11.4mW의 낮은 전력만으로 구동되면서도 83.4%라는 최고 수준의 스펙트럼 활용도를 기록해 한국(KCC), 미국(FCC), 유럽(ETSI), 일본(ARIB) 등 전 세계 전파 규제를 모두 통과할 수 있는 성능을 갖췄다. 연구 결과는 반도체 회로 분야 세계 최고 권위 학회인 ‘국제고체회로설계학회(ISSCC) 2026’에서 발표됐다.

스펙트럼 활용도와 규제 준수, 두 마리 토끼를 잡다

UWB 기술은 넓은 주파수 대역을 사용해 정밀한 위치 추적과 빠른 데이터 전송이 가능한 무선 통신 기술이다. 매우 짧은 펄스를 사용하여 넓은 대역폭을 형성하며, 이를 통해 고속 데이터 전송과 정밀한 위치 인식이 가능하다. 최근 스마트폰, IoT 기기, AR/VR 기기에서 정밀 위치 추적 기능으로 주목받고 있지만, 엄격한 글로벌 전파 규제(스펙트럼 마스크)를 맞추는 것이 큰 기술적 난제였다. 전파 규제는 무선 기기가 사용할 수 있는 주파수 대역과 전력을 제한하여 다른 통신 시스템과의 간섭을 방지하는 국제 표준이다.

기존 UWB 송신기 연구들은 스펙트럼 활용도를 높이면 ‘측엽(Sidelobe)’ 현상이 증가해 글로벌 규제를 만족하기 어려웠다. 측엽이란 주파수 스펙트럼에서 의도하지 않은 대역으로 전파가 새어나가는 현상으로, 이는 다른 통신 시스템에 간섭을 일으킬 수 있다. 규제를 지키기 위해 복잡한 보정 회로나 필터를 추가하면 회로 크기가 커지고 전력 소모가 늘어나는 성능 간 충돌(트레이드오프)이 발생했다. 일반적으로 스펙트럼 효율을 높이면 근접 측엽이 증가해 글로벌 규제를 만족하기 어려웠고, 이를 억제하기 위해서는 추가적인 필터나 보정 회로가 필요해 면적과 전력 소모가 증가하는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 근본적으로 해결하기 위해 새로운 ‘디지털 기반 파형 생성 기법’을 제안했다. 핵심은 세 가지 혁신 기술이다.
첫째, 첫째, ‘반위상 지연 이중 가우시안(APDG) 펄스’와 ‘자기지연 펄스 빗형 노치(SDPCN)’ 기법을 통해 대역 내 스펙트럼을 평탄화하고 근접 측엽을 -35dBr 이하로 억제했다. 여기서 dBr은 상대적 신호 강도를 나타내는 단위로, -35dBr은 원하는 신호 대비 측엽의 세기가 약 1/3000 수준으로 매우 낮다는 의미다.
둘째, ‘경사 인지 비균일 보간(SANI)’ 기법으로 가우시안 펄스의 비선형 특성을 활용해 추가 필터 없이 샘플링 앨리어싱을 약 11dB 감소시켰다. 샘플링 앨리어싱은 디지털 신호 처리 과정에서 아날로그 신호를 디지털로 변환할 때 높은 주파수 성분이 낮은 주파수로 잘못 인식되어 신호가 왜곡되는 현상으로, 이를 줄이면 신호 품질이 향상된다.
셋째, ‘이중 레벨 스위치드 커패시터 전력 증폭기(DLSCPA)’를 적용해 진폭-위상 왜곡을 완화하고 부엽 방사를 최대 12dB 저감했다. 12dB 감소는 불필요한 전파 방출이 약 1/16 수준으로 줄어든 것을 의미한다.
그 결과 별도의 복잡한 보정 회로나 필터 없이도 전파 규제를 완벽히 준수하면서 전송 효율을 극대화했다.

실용화 임박…1~2년 내 상용화 전망

이번 성과의 가장 큰 의미는 실용화 가능성이다. 연구팀이 개발한 UWB 송신기는 28nm CMOS 공정으로 제작되어 실제 측정 검증까지 완료된 상태로, 기술 성숙도가 높다. IEEE 802.15.4a/z/ab 표준을 만족하는 실측 결과를 확보했기 때문에 추가적인 원천 기술 검증보다는 시스템 통합 및 응용 최적화 단계가 남아 있어, 1~2년 이내 실용화가 가능할 것으로 기대된다.

응용 분야도 다양하다. 저전력 IoT 기기, 스마트 가전의 정밀 위치 인식, 차세대 근거리 고속 통신 시스템 등에 즉시 적용 가능하다. 특히 제한된 전력과 면적 조건에서 안정적인 통신이 요구되는 환경에서 큰 장점을 가진다. 스마트홈, 자동차, AR/VR 등에서 정밀 위치 추적이 필요한 응용뿐 아니라, 높은 시간 해상도를 활용한 실내 위치 추적, 자산 관리, 로봇 및 자율주행 보조 시스템 등에서도 활용도가 높다. 글로벌 스펙트럼 규제를 만족하는 특성 덕분에 다양한 국가와 환경에서 동일한 하드웨어를 적용할 수 있다는 점도 큰 장점이다.

송민영 교수는 “이번 연구는 UWB 기술의 고질적 문제였던 전파 규제와 통신 거리 제약을 근본적인 설계 혁신으로 해결했다는 데 의의가 있다”며, “차세대 초저전력 무선 시스템의 실질적인 해법을 제시함으로써 학문적 가치는 물론 산업적 활용도도 매우 높을 것”이라고 밝혔다. ISSCC는 전 세계 유수의 반도체 기업과 연구기관이 최신 기술을 선보이는 무대로, 기술적 완성도와 독창성이 극도로 높은 논문만 채택되어 ‘반도체 분야의 올림픽’이라 불린다. 이번 성과는 차세대 UWB 통신 표준에서 요구되는 높은 데이터 전송속도를 지원하면서도 통신 거리 제한 문제를 해결한 선제적 회로 설계 사례로, 향후 고속·저전력 UWB 통신 시스템의 설계 방향을 제시할 것으로 평가받고 있다.