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슬립링 애플리케이션을 위한 60GHz 무선 데이터 상호연결 기술

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글/안톤 파트유첸코(Anton Patyuchenko), 필드 애플리케이션 엔지니어(Field Applications Engineer), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

4차 산업혁명이 생산 공정에 새로운 시나리오를 가져오면서 디지털 제조를 촉진하고 있다(그림 1). 새로운 시나리오는 기기의 상호 연결, 정보 투명성, 기술 지원, 탈중앙화된 결정 등의 기본적인 설계 원칙을 근간으로 한다. 오늘날의 스마트 공장에서 이러한 모든 원칙의 실현은 첨단 무선 통신 기술 없이는 불가능하다. 무선 통신 기술은 공정 자동화, 자산 추적, 장비 제어, 내부 물류 및 인프라 네트워킹을 비롯한 광범위한 분야에서 다양한 애플리케이션을 구현할 수 있게 해준다.

[그림 1] 산업 혁명 개요

스마트 공장은 가장 거친 산업 환경에서 지속적으로 늘어나는 방대한 양의 데이터를 처리하기 위해 더 빠르고 더 신뢰할 수 있는 솔루션을 필요로 하는 다양한 가상-물리 시스템을 통합하고 있다. 지극히 까다로운 인더스트리 4.0 시나리오에 적용되는 이러한 솔루션의 새로운 개발을 촉진하는 주요 동인은 모바일 SCADA 구현, 구형 시스템 교체, 그리고 이전에는 가능하지 않았거나 제한적이었던 이동하는 장비로부터의 데이터 전송 실현을 포함한다. 이 글은 후자의 측면에서 추진되는 무선 기술에 초점을 맞춘다.
이 글의 첫 번째 부분에서는 현대식 산업용 애플리케이션에서 기계적 회전 서브시스템 간의 통신 인터페이스에 요구되는 주요 요건들을 간략히 살펴본다. 두 번째 부분에서는 오늘날 이러한 서브시스템에 사용되는 다양한 데이터 인터페이스 기술을 회전부와 고정부 간 데이터 전송에 사용되는 방법의 유형에 따라 분류한다. 이러한 분류를 통해 이들 기술에 대한 간략한 개요를 살피고 주요 장단점을 알아볼 것이다. 세 번째 부분에서는 새로운 산업 시나리오의 까다로운 요구사항을 만족하기 위해 슬립링(slip ring) 어셈블리에서 첨단 데이터 인터페이스 아키텍처를 구현하는 고속, 저지연 통신을 위한 새로운 60GHz 무선 솔루션을 제안하고자 한다.

로터리 조인트의 데이터 인터페이스에 대한 산업 요구사항

흔히 ‘슬립링’이라고 불리기도 하는 로터리 조인트는 회전 연결부에 걸쳐 데이터와 전력을 전송하는 어셈블리이다(그림 2). 오늘날의 산업계에서 회전 부분 간에 더 빠르고 더 신뢰할 수 있는 데이터 전송에 대한 수요가 높아지면서 로터리 조인트에 사용되는 데이터 인터페이스의 대역폭, 누화, EMI 성능에 대한 요구가 엄격해지고 있다. 이러한 요구사항을 충족하는 것은 해당 산업 장비의 실시간 동작과 지속적인 가동 및 최대 효율을 보장하는 데 필수적이다.

[그림 2] 로터리 조인트 - 상위 수준 블록 다이어그램 및 요구사항

산업용 로터리 데이터 인터페이스 어셈블리는 보통 100Mbps의 속도에서 5000rpm ~ 6000rpm의 매우 빠른 회전 속도로 일정한 전송 품질을 보장해야 한다. 대부분의 경우 이러한 데이터 속도는 충분하지만 일부 전문적인 애플리케이션은 1Gbps 또는 그 이상의 빠른 전송을 필요로 하는데, 이는 오늘날 상당히 표준적인 벤치마크가 되고 있다. 또한 산업용 애플리케이션은 시간에 민감한 애플리케이션과 산업용 사물인터넷(Industrial IoT, IIoT) 기능을 실행할 수 있도록 IEEE802.3 기반(이더넷) 및 기타 산업용 버스 프로토콜뿐 아니라 확정적 실시간 통신을 지원해야 한다. 이러한 애플리케이션을 위해 설계되는 데이터 인터페이스 솔루션에서 비트 오류율(BER)이 1 × 1 × 10?12 이하의 오류 없는 데이터 전송이 가능하도록 하려면 물리적인 정렬 불량, 전자기 간섭, 누화의 영향을 받지 않아야 한다. 산업 환경에 존재하는 오염은 로터리 조인트의 동작에 영향을 주어서는 안 된다. 이상적으로 로터리 조인트는 유지보수의 필요가 없고 마모가 없어야 한다. 마지막으로 데이터 인터페이스 기술은 목표 애플리케이션의 모든 기능 요구사항을 만족할 수 있도록 로터리 조인트 어셈블리의 전력 전달 서브시스템과 호환되어야 한다.

데이터 인터페이스 기술

로터리 조인트의 종류는 기능적 특징, 폼 팩터, 회전 속도(rpm), 최대 데이터 속도, 전력 범위, 지원되는 인터페이스 유형, 채널 수, 그 밖에 애플리케이션 요건에 따라 달라지는 많은 설계 형태별로 매우 다양하다. 이러한 설계 고려사항 가운데 데이터 인터페이스는 가장 중요한 요구사항의 일부이므로 슬립링 어셈블리에서 데이터 인터페이스를 구현하는 적합한 기술을 선택하는 것이 매우 중요하다. 이러한 기능을 실현하는 데 사용되는 데이터 통신 기술은 일반적으로 접촉 및 비접촉 방식으로 분류할 수 있다. 또한 데이터 전송을 위한 통신 채널 구현에 사용하는 결합 방식에 따라서도 많은 종류로 나눌 수 있다.

▶ 접촉식 인터페이스
접촉식 솔루션은 주로 회전부의 전도성 링과 맞닿아 미끄러지는 고정부의 합금, 모노필라멘트 또는 폴리필라멘트 브러시에 의존하여 회전부와 정지부 간에 전기 신호가 원활하게 통과할 수 있게 한다(그림 3). 데이터 통신과 관련하여 브러시 유형의 선택은 신호 대역폭, 데이터 전송 속도, 필요한 전송 품질, 동작 전류 및 rpm에 따라 달라진다. 이 기술은 개발 후 슬립링에 적용되어 온 잘 확립된 기술이지만 일정한 한계가 있다. 접촉식 슬립링은 기계적 접촉이 발생하기 때문에 정기적인 유지보수가 필요하므로 열악한 동작 환경에서는 신뢰성을 달성하기 어렵다. 또한 전기기계식 로터리 조인트는 전자기 간섭을 받기 쉽다. 이 밖에 접촉 인터페이스를 확립하는 데 사용되는 물리적 매체의 특성과 다양한 부정합 영향은 채널 대역폭에 많은 영향을 미친다. 뿐만 아니라 미끄러지는 접점은 전기적 저항 변화를 발생시켜 전송 품질을 떨어뜨리는데, 이는 높은 데이터 속도의 실시간 애플리케이션에서는 특히 중요한 문제가 될 수 있다.

[그림 3] 접촉식 슬립링 (출처: Servotectica/CC BY-SA 4.0)

▶ 비접촉식 인터페이스
비접촉식 로터리 조인트는 방사 또는 비방사 전자기장을 사용해 회전부에 데이터를 전송함으로써 이러한 한계를 극복한다. 이 기술은 전기 신호 전송에 비해 몇 가지 성능 이점을 제공한다. 즉, 기계적 접촉이 없어 접촉 마모를 피할 수 있으므로 유지보수의 필요가 적고 높은 회전 속도에서도 저항으로 인한 데이터 손실이 없다.

- 광섬유 로터리 조인트(FORJ)
비접촉 솔루션의 가장 일반적인 예는 광섬유 로터리 조인트(FORJ)라고 하는 광섬유 슬립링(그림 4)이다. FORJ는 광학적 방사(optical radiation)를 이용해 데이터를 전송하며, 일반적으로 850nm ~ 1550nm 사이의 적외선 파장에서 동작하므로 수십 Gbps에 달하는 매우 높은 데이터 속도에서 모든 종류의 아날로그 또는 디지털 광 신호를 EMI 없이 전송할 수 있다. 하지만 광섬유 솔루션이 해결해야 할 과제가 없는 것은 아니다. 이들 솔루션은 각 또는 축의 정렬 불량으로 인한 신호 감쇠를 초래하는 많은 외부 손실을 경험한다. 이러한 정렬 불량은 회전 신호의 변동을 유발하는 주요 원인이 되기도 하는데, 이러한 변동은 일부 애플리케이션에서는 매우 치명적일 수 있다. 게다가 FORJ는 열악한 산업 환경에서는 대체로 높은 수준의 보호를 필요로 한다.

[그림 4] 광섬유 로터리 조인트(FORJ) (출처: Servotectica/CC BY-SA 4.0)

- 유도성 및 용량성 인터페이스
또 다른 종류의 비접촉식 기술은 전자기 스펙트럼의 낮은 주파수 대역에서 주로 비방사 유도성 및 용량성 회로 소자에 의해 발생하는 전기장과 자기장을 통해 이루어지는 근거리 결합 방식을 기반으로 한다.
유도성 기법은 어셈블리 회전부와의 인터페이싱에 전자기 유도 원리를 적용한다. 그림 5에 나타낸 이러한 유형의 결합을 사용하는 슬립링은 고속으로 회전하는 산업용 애플리케이션에 유용하지만, 고속 데이터 전송보다는 전력 전송에 더 적합하다. 이에 따라 풍력 터빈 애플리케이션에서 블레이드 피치 제어 시스템에 전기 신호와 전력을 제공하거나, 회전부가 높은 rpm으로 동작하는 패키징 시스템에 광범위하게 사용된다.

[그림 5] 유도성 결합

자기장을 활용하는 유도성 슬립링과 달리, 용량성 기술을 기반으로 하는 슬립링은 전기장을 사용하여 회전부와 고정부 사이에 데이터를 전송한다. 그림 6에 보이는 용량성 결합 방법은 맴돌이 전류 손실이 무시할 만한 수준이면서 뛰어난 정렬 불량 특성을 가진 비교적 저렴하고 가벼운 솔루션을 구현할 수 있게 해준다. 이 기술을 활용하면 열악한 동작 환경에서도 수 Gbps의 빠른 속도로 신뢰할 수 있는 데이터 전송이 가능하고 회전 속도의 제약도 없다. 용량성 슬립링은 종종 이더넷 필드 버스와 함께 결합하여 설계되며, 시간에 민감한 산업용 애플리케이션에 광범위하게 사용된다.

[그림 6] 용량성 결합

▶ 기타 인터페이스 유형
주로 유도성 또는 용량성 결합 방법을 사용하는 비접촉식 슬립링 기술과 달리, 도파관이나 전송 회선 소자 같은 적절한 결합 구조를 사용하여 두 가지 방법을 결합한 솔루션을 실현할 수 있다. 또 전도 매질로 수은을 사용하는 특수한 슬립링도 있다. 그러나 수은 접점 슬립링은 동작 환경을 설정하는 데 엄격한 제약이 따르며 고온에서는 사용할 수 없어 산업용 활용 사례에는 적합하지 않다.

[표 1] 데이터 인터페이스 결합 기술에 따른 로터리 조인트 분류

표 1에 정리한 모든 데이터 인터페이스 기술들의 광범위한 스펙트럼은 산업용 슬립링 애플리케이션의 일반적인 요구사항을 만족할 수 있는 다양한 특징과 기능을 제공한다. 그러나 이들 대부분의 기존 기술들은 단거리 데이터 전송에만 효과적이기 때문에 회전부와 고정부의 트랜시버 소자가 서로 매우 가깝게 있어야 한다. 뿐만 아니라 4차 산업 혁명은 슬립링 애플리케이션을 위한 데이터 인터페이스의 구성 가능성, 신뢰성, 속도에 엄격한 요구사항을 부여하고 있는데, 이는 기존 기술로 항상 만족할 수 있는 것은 아니다.
이 글은 다른 방법들의 일부 결정적 한계를 극복하는 비접촉식 기술에 기반한 새로운 솔루션을 제시한다. 이 솔루션은 방사 근거리(프레넬) 및 원거리 영역에서 보다 긴 거리에 대한 데이터 전송을 위해 전자기 밀리미터파를 이용한다. 이는 슬립링 애플리케이션을 위한 첨단 마이크로파 데이터 인터페이스를 작고 비용 효과적으로 실현할 수 있을 뿐 아니라 비방사 로터리 조인트의 기존 결합 요소와 결합하여 보다 저렴한 비용으로 보다 우수한 성능을 달성할 수 있다.

밀리미터파 데이터 인터페이스 솔루션

▶ 60GHz 주파수 대역
저가의 마이크로파 부품 제조 기술이 새롭게 떠오른 이후, 이 기술은 최근 군사 우주 분야를 넘어 광범위한 시장 애플리케이션에서 상용화가 이루어지고 있다. 특히 밀리미터파 60GHz 기술은 마이크로파 스펙트럼의 상위 부분에 위치한 이 주파수 대역의 고유한 이점으로 인해 오늘날 광범위한 시장에서 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 혼잡하지도 않은 이 글로벌 비면허 대역은 최대 9GHz의 넓은 대역폭을 제공하므로 빠른 데이터 전송이 가능하고, 파장 길이가 짧아 초소형 시스템 설계가 가능하며, 감쇠 비율이 높아 낮은 간섭 레벨을 달성할 수 있다. 이러한 장점 덕분에 60GHz 기술은 멀티기가비트 WiGig 네트워크(IEEE 802.11ad 및 차세대 IEEE 802.11ay 표준), 무선 백홀 커넥티비티 및 고화질 영상의 무선 전송(독자적인 WirelessHD/UltraGig 표준)과 같은 애플리케이션에 매력적이다.
산업 분야에서 60GHz 기술은 대체로 밀리미터파 레이더 센서와 낮은 데이터 속도의 텔레메트리 링크에 사용된다. 그러나 산업 분야의 급속한 발전으로 인해 앞으로 60GHz 기술은 산업용 서브시스템에서 고속, 초저지연 데이터 전송을 실현하는 데 매우 유망한 기술이 될 전망이다.

▶ 통합 데이터 인터페이스 아키텍처
산업용 슬립링 애플리케이션용으로 60GHz 주파수 대역을 사용하는 새로운 밀리미터파 데이터 인터페이스 솔루션도 있다. 이 솔루션의 핵심적인 기능 소자는 각각 그림 7 및 그림 8에 나와 있는 HMC6300 송신기와 HMC6301 수신기로 구성된 아나로그디바이스 60GHz 통합 칩셋이다. 이 완벽한 실리콘 게르마늄(SiGe) 트랜시버 솔루션은 원래 소형셀 백홀 시장에 최적화되었지만, 산업용 슬립링 애플리케이션의 데이터 통신 요구사항을 완벽하게 만족한다. 이 칩셋은 57GHz ~ 64GHz의 주파수 범위에서 동작하며 250MHz, 500MHz 또는 540MHz의 개별 주파수 단계에서 통합 합성기를 사용하거나 외부 LO 신호를 사용하여 목표 애플리케이션의 특정 변조, 일관성, 위상 잡음 요구사항을 만족하도록 조정할 수 있다.
이 트랜시버 칩셋은 OOK(on-off keying), FSK, MSK, QAM을 포함한 다양한 변조 형식을 지원하고 1.8GHz의 최대 변조 대역폭을 갖는다. 또한 통합된 검출기를 사용하여 모니터링할 수 있는 15dBm의 최대 출력 전력을 제공한다. 이 칩셋은 유연한 디지털 또는 아날로그 IF/RF 이득 제어, 낮은 잡음 지수, 조정 가능한 저역 통과 및 고역 통과 베이스밴드 필터를 갖는다. 이 솔루션이 초저지연 산업용 슬립링 애플리케이션에 이상적일 수 있는 고유한 특징 중 하나는 수신기 신호 체인에 통합된 AM 검출기로, 이 검출기는 OOK와 같은 진폭 변조의 복조를 위해 사용할 수 있다.
OOK는 고가이면서 전력 소모가 많은 고속 데이터 컨버터를 사용할 필요가 없어 제어 애플리케이션에 많이 이용되는 변조 방법으로, 간단하고 저렴한 통신 솔루션을 구현할 수 있다. 또한 OOK 시스템 아키텍처는 복잡한 변조 및 복조 단을 포함하지 않기 때문에 산업용 실시간 애플리케이션에 중요한 저지연 성능을 제공한다.

[그림 7] HMC6300 트랜스미터의 기능 블록 다이어그램

[그림 8] HMC6301 리시버의 기능 블록 다이어그램

아나로그디바이스의 HMC6300 트랜스미터와 HMC6301 리시버 통합 솔루션은 모두 소형 4mm × 6mm BGA 유형 패키지로 제공되며, 최신 고속 슬립링 애플리케이션의 가장 까다로운 요구사항을 만족하는 특징과 성능을 독창적으로 통합하고 있다. 핵심적인 트랜시버 소자 외에도, 풀 듀플렉스 슬립링 데이터 인터페이스의 완벽한 컨셉트는 안테나, 전력 관리, I/O 블록, 그리고 목표한 활용 사례 요건에 맞게 선택할 수 있는 보조 신호 컨디셔닝 부품을 포함한다. 완전한 60GHz 풀 듀플렉스 데이터 인터페이스 솔루션 개념의 상위 수준 블록 다이어그램은 그림 9에서 볼 수 있다. 이 솔루션은 1Gbps 이상의 속도에서 고속, 초저지연 데이터 전송이 가능하며, 비트 오류율(BER)은 무시할 만한 수준으로 작다. 적절한 안테나 설계와 이득 설정을 사용하면 수십 센티미터 거리에서 신뢰할 수 있는 통신을 달성할 수 있어 특정 산업 시나리오를 위한 다양한 슬립링 솔루션의 구현이 가능하다.

[그림 9] 60GHz 풀 듀플렉스 데이터 인터페이스의 블록 다이어그램

▶ 디스크리트 데이터 인터페이스 아키텍처
이 통합 솔루션의 성능은 대부분의 산업용 슬립링 애플리케이션에 충분하지만, 산업용 부품을 맞춤화 하는 일반적 추세에 따라 멀티기가비트 속도를 지원하는 더욱 빠른 데이터 인터페이스를 구현할 필요가 있을 수 있다. 이러한 경우 디스크리트 부품을 사용함으로써 특정 요구사항을 만족하도록 맞춤화 된 솔루션을 구성할 수 있다.

[그림 10] 60GHz 트랜스미터(OOK 변조기)를 위한 완벽한 신호 체인 솔루션

[그림 11] 60GHz 리시버(OOK 복조기)를 위한 완벽한 신호 체인 솔루션

그림 10과 그림 11은 5Gbps 이상의 데이터 속도를 지원하는 60GHz 데이터 인터페이스를 위한 완벽한 신호 체인 솔루션의 예를 보여준다. 이 OOK 솔루션은 아나로그디바이스의 표준 RF 부품과 수동, 정합 회로, 스터브 필터, 바이어스 티, 감쇠기 등으로 대표되는 기본 커스텀 블록을 사용하여 구현된다(그림에 모든 부품이 표시되어 있지는 않다).
이 디스크리트 구성은 단일 검출 시스템 아키텍처를 기반으로 한다. 하지만 성능 요구사항에 따라 검출단 앞에 RF 신호를 다운컨버팅 하면 슈퍼헤테로다인 아키텍처를 실현하는 데 도움이 될 수 있다.

결론

인더스트리 4.0은 많은 기술에서 변화를 가져오고 있으며, 그러한 변화 중 하나가 산업용 통신이다. 인더스트리 4.0이 그리는 새로운 애플리케이션 시나리오는 실시간으로 동작하는 자동화 장비의 회전부 간에 더 빠르고, 더 신뢰할 수 있고, 더 정확한 초저지연 데이터 전송을 요구한다.
아나로그디바이스는 로터리 조인트를 통한 비접촉식 Gbps 수준의 데이터 전송을 위해 애플리케이션에 특정한 설계를 할 수 있도록 전체 주파수 스펙트럼에 걸쳐 다양한 고성능 통합 및 디스크리트 RF 마이크로파 부품을 제공한다. 이 글에서는 밀리미터파 전자기파를 사용하여 회전부와 고정부 사이에 데이터를 전송하는 통합 및 디스크리트 데이터 인터페이스 솔루션을 소개했다. 이 솔루션은 고속 데이터 전송, 초저지연, 무시할 만한 비트 오류율, 강력한 간섭 감쇠, 유지보수가 필요 없는 동작을 제공할 뿐 아니라 더 높은 수준의 정렬 불량을 견딜 수 있고 더 긴 거리에 걸쳐 전송이 가능하므로 최신 산업용 애플리케이션에서 점점 더 늘어나는 요구들을 만족할 수 있는 광범위한 슬립 링 어셈블리를 실현할 수 있다.
아나로그디바이스는 오늘날은 물론 미래의 공장 인프라를 위해 더 빠르고 더 비용 효율적으로 첨단 솔루션을 개발할 수 있도록 인더스트리 4.0 파트너에게 깊이 있는 산업 부문의 전문 지식과 차세대 기능을 제공한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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