대용량 멀티미디어 전송을 위한 주파수 자원 부족 현상이 심각한 문제로 대두되면서 차세대 무선 근거리 통신 네트워크로 Li-Fi 기술에 관심이 집중되고 있다. 이 글에서는 초광대역  성을 갖고 있는 Li-Fi 기술의 특성 및 주요국의 기술개발 현황, 고주파 LED 조명을 이용하는 Li-Fi 글로벌 기술시장 성장 추이 및 시사점, Li-Fi 시스템의 다양한 응용분야 및 추후 정책적/경제적/사회적/기술적 측면에서의 해결 과제, Li—Fi 기술의 시장성 및 표준화 전망에 대해 설명한다.

서언

초고속, 대용량 멀티미디어 소비 니즈가 모바일 미디어 산업분야에 빠르게 확산되면서 무선 데이터 트래픽이 기하급수적으로 증가하고 있다. 이에 따라 대용량 멀티미디어 전송을 위한 주파수 자원 부족 현상이 갈수록 매우 심각한 문제로 대두되고 있다. 

이러한 상황에서 차세대 무선 근거리 통신 네트워크로 Li-Fi(Light Fidelity) 기술에 관심이 집중되고 있다. Li-Fi 네트워크는 대중화된 Wi-Fi(Wireless Fidelity)에 비해 100배 이상 빠르고 안전하게 고속 양방향 무선전송을 가능하게 할 수 있어 차세대 무선 근거리 네트워킹 기술로 급부상하고 있다. 

Li-Fi 기술은 LED(Light Emitting Diode) 고효율 조명기술과 Wi-Fi 인터넷 공유 기술을 융합시킨 것으로서 가시광선(visible light)을 이용하여 초고속으로 정보를 전송할 수 있는 차세대 무선 네트워크라 할 수 있다1). Li-Fi 네트워크의 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다[1][2].

- LED 조명 시스템에 비콘 칩(Beacon chip)을 장착하여 디지털 신호를 실어 LED 전구의 빛을 이용하여 스마트 기기 간 데이터를 송수신하는 무선통신 기술이다.

- LED 반도체의 가시광선에서 발생하는 플리커(flicker : 1초에 60회 이상 깜빡임) 현상을 이용하여 빛으로 데이터를 송수신하는 기술이다.

- 광 파장을 이용하기 때문에 1GB/sec의 고속 전송이 가능하며, RF보다 에너지 효율성이 매우 높아 차세대 근거리 양방향 데이터 통신 표준이 될 것으로 전망된다.

이 연구에서는 초광대역(ultra wideband) 특성을 갖고 있는 Li-Fi 기술의 특성 및 주요국의 기술개발 현황, 고주파 LED 조명을 이용하는 Li-Fi 글로벌 기술시장 성장 추이 및 시사점, Li-Fi 시스템의 다양한 응용분야(실내 내비게이션/ITS/문화 콘텐츠 전송/u-홈 구축 등) 및 추후 정책적/경제적/사회적/기술적 측면에서의 해결 과제, Li—Fi 기술의 시장성 및 표준화 전망에 대해 설명한다.

Li-Fi 기술의 특성 및 Li-Fi 기술개발 현황

(1) Li-Fi 기술의 특성 및 유망성

Li-Fi 네트워크의 현재 기술력은 1W용 LED 전구 1개를 이용하여 컴퓨터 4대를 인터넷에 연결하여 150Mbps의 전송률을 보이고 있다. 

가시광선(적외선/가시광선/자외선/X선/γ선)을 이용한 Li-Fi 기술은 비가시광인 전자기파에 비해 380~750THz의 고주파를 이용하기 때문에 무선통신 전체 주파수보다 1만 배 이상 높은 광대역 특성을 갖고 있다[3]. Li-Fi 무선통신 서비스 개념을 <그림 1>에 나타낸다.

▲ 그림 1. Li-Fi 무선통신 서비스 개념

가시광선 주파수 대역을 이용하는 Li-Fi 기술은 1.25~ 20MHz 범위의 4G 이동통신 시스템과, 300MHz~30GHz 범위의 광대역 WLAN(Broadband Wireless Local Area Networks) 시스템에 비해 1만 배 이상 넓은 380~750THz의 초광대역 주파수 특성이 있다. 

이 때문에 Wi-Fi나 WLAN 시스템보다 100배 이상 빠른 전송률을 구현할 수 있다. 아울러 LED 가시광통신(VLC : Visible Light Communications)은 빛이 차단되면 신호가 실외로 새어나갈 염려가 없다. 

따라서 기존의 접촉식/비접촉식 WLAN(Bluetooth/UWB/ZigBee/NFC/PSC/Z-Wave 등)에 비해 보안성이 획기적으로 강화된 기술이다. Li-Fi 네트워크의 장점을 간단히 요약하면 다음과 같다[4].

- 광대역 주파수 특성이 있어 신호의 간섭이나 충돌현상이 없다.

- 외부 네트워크 침입을 원천적으로 차단할 수 있어 매우 뛰어난 보안성이 있다.

- LED 전구에서 발생하는 가시광선 파장을 이용하여 데이터를 전송하고, 수신 측에서는 그 빛을 수신하여 데이터를 복원하게 된다.

- Wi-Fi 대비 사용 주파수 대역에 제한이 없어 전 세계 공통 주파수를 무료로 이용할 수 있다. 따라서 주파수 부족 문제를 해소할 수 있다.

- 데이터 송수신 효율성이 매우 높고 LED 빛이 있는 곳이면 어디에서나 가능하다.

- 송신기는 Li-Fi 데이터 전송용 전구뿐만 아니라 형광등과 같은 일반 발광 소자에도 연결이 가능하다.

- WiGig(Wireless Gigabit Alliance : 2.4/5/60GHz 주파수를 이용하여 7Gbps의 비트율을 갖는 멀티 기가비트 무선통신 기술)와 더불어 차세대 통신 기술로 주목받고 있다.

Li-Fi 기술은 무엇보다 주파수 할당 문제가 없어 글로벌 호환성이 내우 우수하며, 가시광 스펙트럼 사용에 대한 규제도 없어 자유로운 무선통신을 구현할 수 있는 장점이 있다2).

(2) 주요국의 Li-Fi 기술개발 현황

Li-Fi 시스템은 영국, 프랑스, 중국 등의 대학연구진을 중심으로 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다. 아울러 유럽의 지멘스, 일본의 VLCC, NEC, 미국의 인텔, 보잉사와 일부 국내 업체들을 중심으로 기술상용화를 앞당기기 위해 핵심기술 개발에 주력하고 있다.

Li-Fi 기술은 여러 국가에서 무선통신, 에너지, u-헬스 (헬스케어), 유통, 제조, 조명, 보안 및 광고 등 다양한 분야에 적용이 가속화될 것으로 예상된다. 

유럽, 일본, 미국 및 한국 등의 국가들이 Li-Fi 기술개발 및 상용화를 위해 경쟁 중이며, 중국은 2013년 상해 푸단대학에서 Li-Fi 기술 시연에 성공한 바 있다. 

필립스는 자체 개발한 Li-Fi 기술을 이용한 LED 조명기기를 출시하여 기술 상용화가 한층 더 가까워질 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

가시광 통신의 기술개발이나 상용화는 아직 초기 단계이지만 3~4G 이동통신 시스템에서 가장 빠른 무선 네트워크 기술로 인정받은 WLAN(802.11ac, 6.93Gbps)보다도 약 1.4배 빠른 속도(10Gbps)를 보여주고 있기 때문에 세계 각국에서는 가시광통신 상용화를 위한 기술개발에 주력하고 있다.

프랑스/영국/중국/한국 등 Li-Fi 기술 선도국가의 기술개발 현황과 최근(2011~14년)의 Li-Fi 기술개발 내용을 <표 1>에 나타낸다.

▲ 표 1. Li-Fi 기술 선도국의 기술개발 현황

일본, 중국, 영국 및 독일 등 Li-Fi 기술 선도국에서는 관련 기술개발을 지속해오고 있다. 

2000년 일본의 게이오대학의 Tanaka 연구진은 LED 조명기술을 이용한 근거리 무선통신의 개념을 최초로 제시하였으며, 2013년 영국에서는 Li-Fi 네트워크를 통해 최고 10Gbps의 데이터 전송속도를 기록하기도 했다. 

이러한 연구개발 노력이 가속화되면서 Li-Fi 기술이 최적의 차세대 근거리 무선통신 기술로 자리 잡을 수 있는 블루오션으로 떠오르게 되었다[5]. 

2000년부터 2013년까지 각 연도별, 국가별 Li-Fi 기술개발 추이를 <표 2>에 나타낸다.

▲ 표 2. 연도별, 국가별 Li-Fi 기술개발 추이

Li-Fi 기술의 시장성 분석

(1) 글로벌 Li-Fi 기술시장 성장 추이

고주파 LED 조명을 이용하는 Li-Fi 시스템은 조도 센서나 근접도 센서를 이용하여 데이터를 전송받는 기술이기 때문에 LED 업계 주축으로 기술 주도권을 확보하기 위해 통신사업자와 연합전선을 구축하기 시작했다. 

또한 최근 미국·일본·유럽 등 선진국들과 국내 업체가 Li-Fi 기술 상용화에 나서면서 핵심(원천) 기술개발을 가속화하고 있다. 

Li-Fi 시스템 구축에 기본 소재인 스마트 LED 전구의 경우 전 세계 2014년 판매량은 2012년 대비 무려 2,900%의 획기적인 판매량을 기록했다. 2019년까지 스마트 무선 LED 전구의 연간 출하량이 4,000% 이상까지 증가할 것으로 전망하고 있다3). 

아울러 LED 기술의 전체 글로벌 시장 규모는 LED 조명기술 관련 전후방 시장 100조 원, LED 융합기술 관련 전후방 시장 규모 300조 원의 초대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다. 2013년부터 2018년까지 가시광 통신(VLC) 관련 전후방 기술 시장은 연평균 29.3%의 성장을 지속할 것으로 예상하고 있다[6][7].

LED 산업 진영에서 글로벌 기업들의 특허 경쟁이 치열하게 이어지면서 에너지 절감형 LED 조명과 IT의 융합으로 스마트한 접점을 찾기 위해 다양한 연구개발이 지속되고 있다. 

최근 들어 청색 LED가 개발되어 RGB-LED 구현으로 보다 효율적인 백색 LED 이용이 가능해지고 있다. 기술적용 범위도 군사용 및 차량이나 선박 간 통신 등에서 벗어나 다양한 산업 분야로 확대되고 있는 추세이다. 

이처럼 Li-Fi 기술은 주파수에 의존하지 않으므로 주파수 고갈에 해결책이 될 수 있는 특장점이 있어 근거리 무선통신, 에너지 절감, 헬스케어, 유통, 제조, 조명, 보안 및 광고 등 다양한 분야에 적용되면서 그 시장성과 가치를 확산시켜 가고 있다.

전 세계 Li-Fi 기술 시장  규모를 보면 2013년 30억 6,110만 달러, 2015년 13억 8,104만 달러에서 2018년에는 61억 3,803만 달러로 획기적인 증가 추세를 지속할 것으로 예상하고 있다. 

2013~18년까지 각 지역별 연평균 성장률을 보면 북미 지역이 연평균 83.9%, 유럽 지역이 85.4%, 아시아-태평양 지역이 79.5%, 기타 지역이 73.9%를 기록할 것으로 예상하고 있다. 특히 아시아-태평양 지역의 시장 규모가 글로벌 시장에서 강세를 보이고 있는 것으로 나타났다[8]. 

2013년부터 2018년까지 전 세계 지역별 Li-Fi 기술시장 성장률 추이를 <표 3>에 나타낸다.

▲ 표 3. 전 세계 지역별 Li-Fi 기술 시장 성장 추이(2013~18)

(2) 글로벌 시장 성장 추이

기존의 RF를 이용한 가용 주파수가 포화 상태에 이르고, 3G 이동통신 시스템에 이은 LTE 기반 4G 이동통신 네트워크가 TV 유휴 주파수(white space)를 통해 개발되는 등 현재는 RF 부문에서 사업화가 가능한 주파수 대역이 점차 고갈되고 있는 추세이다. 

이에 따라 대체 주파수를 찾는 것이 필연적인 과제로 남아있다. 이에 광신호 전송 기반 무선통신 기술이 상용화될 것은 기정사실로 인식되고 있다. 

특히 조명산업과 LED 반도체 소자 산업이 빠르게 성장함으로 인해 다양한 산업 분야로 빠르게 확산되면서 저비용의 5G 이동통신 기술로 더욱 주목받고 있다. 

가시광 통신(VLC) 전후방 기술 관련 글로벌 시장이 2014년 11억 5,000만 달러에서 연평균 87.3%의 높은 성장을 지속하여 2020년에는 92억 9,000만 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다[9]. 

이러한 LED 반도체 시장의 급성장은 Li-Fi 기술의 확산으로 이어질 것으로 전망된다. 2014~20년까지 가시광통신(VLC) 관련 전후방 기술의 글로벌 시장성장 추이를 <표 4>에 나타낸다.

▲ 표 4. 가시광 통신(VLC) 전후방 기술 글로벌 시장 성장 추이(2014~20)

가시광 통신 기술과 관련된 전후방 기술 분야의 글로벌 시장 성장 잠재력은 LED 조명 기술을 이용한 Li-Fi 기술 시장 성장으로 이어질 수 있을 것이다. 

이에 Li-Fi 기술 시장 성장과 Li-Fi 기술 확산에 따른 수요 니즈 비중 전망치를 보면 2008년 3.1%, 2010년 8.9%, 2012년 16.1%에서 2015년에는 28.0%로 지속적인 증가추세를 기록하고 있다4)[10]. 2008~2015년까지 Li-Fi 기술 확산에 따른 수요니즈 증가현황을 <표 5>에 나타낸다.

▲ 표 5. Li-Fi 기술 확산에 따른 수요 니즈 증가 현황

Li-Fi 기술 시장의 시사점

Li-Fi 기술은 무한한 성장 잠재력을 갖고 있지만 한계점도 분명히 존재한다. 차세대 근거리 무신통신 인프라 기술로서 성공적인 상용화를 견인하기 위해서는 데이터 수신 모듈이 스마트 미디어 기기에 탑재할 수 있을 정도로 장비의 소형화가 필수적이다. 

아울러 디지털 데이터 전송을 위한 MODEM을 탑재한 LED 전구 등 Li-Fi 시스템 관련 제품 개발도 병행되어야 한다. Li-Fi 통신 환경에서는 빛이 가려지면 신호도 가려져 통신이 불가능하므로 외부인의 접속을 원천적으로 차단할 수 있어 보안성을 강화시킬 수 있다. 

반면 가시광선은 건물의 벽을 통과할 수 없고 빛(광파 : light wave)의 진행을 가로막는 물체가 존재할 경우 속도가 현저히 감소하거나 통신이 불가능할 수도 있다. 이 점에서 기존의 Wi-Fi 네트워크의 보완재로 매우 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 빛을 전송 매체로 이용하는 가시광선은 반사는 하지만 물질을 잘 투과하지 못하기 때문에 두 기기 사이에 장애물이 있어 가로막히게 되면 Li-Fi 시스템으로 통신할 수 없게 된다. 

이에 밝은 광량 상태에서의 대안을 찾는 것도 기술 상용화를 위해 매우 중요한 일이다. 또한 빛의 세기에 따라 통신 거리가 달라질 수 있기 때문에 원거리 통신에 한계가 있으며, 낮 시간대 직사광선이 있는 외부에서도 사용할 수 없다는 단점도 고려할 필요가 있다.

현재의 기술력으로 Li-Fi 시스템을 일상생활에 적용하기까지는 많은 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 아울러 기술 상용화를 위해서는 LED 조명의 휘도를 높이고 광 신호 송수신 모듈의 고성능화 및 소형화를 구현해야 한다. 이와 함께 FTTX(FTTN/FTTC/FTTK/FTTB/FTTH)와 연동 기술을 개발하는 것도 시급한 과제이다5).

Li-Fi 시스템의 응용 분야 및 해결 과제

(1) Li-Fi 시스템의 응용 분야

Li-Fi 네트워크는 높은 실내 측위 정확성을 이용한 LBS 기반의 실내 내비게이션, 지능형 교통 시스템, 음악이나 영화 등 각종 문화 콘텐츠 전송, 유비쿼터스 네트워크 구축을 위한 u-홈 등 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 

나아가 SUHD급 초고화질 영상 전송, 백본망(backbone network) 구성 및 사용자 밀집 지역에서 무선통신 환경 개선 등 초고속 근거리 무선 통신 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다[11][12]. Li-Fi 네트워크의 응용 분야를 <표 6>에 나타낸다.

▲ 표 6. Li-Fi 네트워크의 응용 분야

(2) Li-Fi 시스템의 해결 과제

Li-Fi 기술이 극복해야 할 기술적 장벽으로는 다음과 같은 것들이 있다.

- 광파(light wave)를 이용하기 때문에 투과(permeability) 특성이 없어 단말기 사이에 장애물이 있으면 통신이 불가능하다.

- 장애물로 인해 빛이 차단되면 신호가 끊길 수 있다.

- 태양광 등 외부로부터 강한 빛이 들어오면 통신하는 데 지장이 있을 수 있다.

- 빛의 세기에 따라 통신거리가 달라질 수 있어 원거리 통신에는 한계가 있다.

이러한 장애 요인을 해결한다면 현재 근거리 무선통신의 과부하 상태를 해소할 수 있는 차세대 무선 근거리 정보통신 기술로 자리 잡을 수 있을 것이다. 정책적/경제적/사회적/기술적 측면에서 Li-Fi 기술의 저해 요인을 요약하면 다음과 같다.

- 정책적 측면 : ICT 산업 추진을 위한 정책 변화 불가피, LED 조명의 높은 가격

- 경제적 측면 : 부품 및 소재의 높은 해외 의존도, 저성장의 국내 경제 및 급성장하는 개발도상국 시장

- 사회적 측면 : 미비한 인프라 설치, 전문 인력 부족

- 기술적 측면 : 핵심 기술 미비로 인한 서비스 확산 지연 

Li—Fi 기술의 시장성 및 표준화 전망

(1) Li-Fi 기술의 시장성 전망

LED의 성능 향상과 아울러 조명시장이 성장하면서 가시광 무선통신 기술이 고부가가치 산업으로 관심이 모아지고 있다. 

LED 조명과 통신비용을 절감함으로써 제조 원가가 낮아져 가격 경쟁력을 가지게 되어 시장 성장 잠재력은 무한할 것으로 예상된다. LED 산업을 둘러싼 국내외 산업은 한국정부(산업통상자원부)의 ‘LED 1530 프로젝트(2020년까지 조명의 60%를 LED 조명으로 대체 목표)’를 비롯한 신성장동력 정책에 따라 LED조명 보급이 급속히 진행되고 있다. 

이러한 시점에서 LED 조명은 2020년까지 모든 조명제품을 대체하면서 국내 시장규모가 연간 수 십 조원에 달할 것으로 예상된다[13]. 

VLC 전후방 기술 관련 글로벌 시장 규모는 2011년 12조5,000억 달러에서 연평균 84.9%의 고속 성장을 지속하여 2018년에는 88조9,000억 달러의 초대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다[13].

이러한 시장 성장 추이는 5G 이동통신 시스템을 준비하고 있는 현 시점에서 볼 때 차세대 근거리 무선통신 시장에서 커다란 변화를 짐작하게 한다. 2011~18년까지 가시광 통신 관련 글로벌 시장 성장 추이를 <표 7>에 나타낸다[14].

▲ 표 7. 가시광 통신 관련 글로벌 시장성장 추이

(2) Li-Fi 기술의 표준화 전망

LED 조명 기술은 자동차의 실내외 조명, 교통신호등, 대형 전광판 및 간판조명 등 다양한 분야에서 빠르게 확산되고 있으며 관련 표준화 작업도 빠르게 진행되고 있다. 국내에서는 산업통상자원부 주관 ‘LED 조명 2060 프로젝트?가 추진되고 있다. 이에 따라 가시광 무선통신 표준화 전망도 매우 밝은 편이다. VLC 무선통신 기술표준화의 비전 및 기대효과를 <그림 2>에 나타낸다.

▲ 그림 2. VLC 무선통신 기술표준화의 비전 및 기대효과

VLC 무선통신 기술표준화를 통해 국내 표준규격을 개발하고, 나아가 국제표준화를 추진하고자 한다. 이를 위해 2013년부터 TTA를 중심으로 VLC 무선통신 기술표준화 로드맵이 국내 기술력으로 추진되고 있다[14][15]. 

이를 계획대로 진행시키기 위해서는 다음과 같은 연차별 정책추진이 필요하다. 아울러 한국 주도하에 국제표준으로 채택된 IEEE 802.15.7 표준을 산업 간 융합을 고려하여 새로운 버전의 표준을 개발할 필요가 있다[13].

- 2013년, 핵심기술 확보/지재권화 하여 글로벌 시장 진입

- 2015년, 세계 최초로 VLC 기술 상용화 완료

- 2016년, TTA 단체표준 및 국가표준 확보

- 2016년 이후, 융합 원천기술 확보(VLC 무선통신 기술을 다양한 산업분야에 적용)

Ⅵ. 결언

Li-Fi 네트워크는 전자파를 이용하지 않기 때문에 인체에 무해하고 전자기 간섭을 유발하지 않는다. 이러한 특성으로 인해 항공기 기내, 병원, 원자력 발전소와 같이 전자기파에 민감한 분야 및 차세대 전자상거래 결제시스템 분야의 무선 근거리 정보통신 표준이 될 것으로 예상하고 있다. 

LED 조명기술 기반의 가시광통신(VLC) 기술을 이용한 Li-Fi 시스템은 실내 내비게이션, 지능형 교통시스템, 문화콘텐츠 전송 및 u-홈 구축 등 다양한 산업 분야에 응용되면서 그 가치를 확산시켜가고 있다. 

실내 내비게이션 분야에서는 실내에서 작동하기 어려운 GPS 시스템의 장애요인을 해결할 수 있을 것이다. 

지능형 교통시스템 분야에서는 교통시설을 상황에 따라 자동으로 제어함으로써 운전자 편의서비스를 제공할 수 있을 것이다. 

문화콘텐츠 전송 분야에서는 클라우드 컴퓨팅 기술과 IoT 및 웨어러블 기기(M2M/D2D기기 포함) 간 통신 서비스 대중화를 앞당길 수 있을 것이다. 

u-홈 구축 분야에서는 유무선 네트워크 통합을 통해 지능적인 네트워크 서비스를 구현할 수 있을 것이다. 

1) ‌Li-Fi에 비해 Wi-Fi 네트워크는 RF(Radio Frequency)를 이용한 정보 송수신 기술이다.

2) ‌신호 전송 체계가 디지털에서 디지털로 이동하므로 별도의 변환장치(converter)가 필요 없다. 또한 무선전파를 사용하지 않기 때문에 항공기나 선박, 원자력발전소 등 전파간섭이 민감한 분야에 효과적으로 적용할 수 있는 유망기술이다.

3) ‌여기에는 기존의 백열전구와 형광등을 LED 전구로 교체하는 수요가 많은 부분을 차지하고 있긴 하나, Li-Fi 시스템 구축에 대한 수요도 상당 부분 차지하고 있을 것으로 판단된다.

4) ‌Li-Fi 기술이 일반 소비자에게 대중화되기에는 아직은 많은 시간이 필요할 것으로 보인다. 하지만 RF 특성에 민감한 병원, 군사시설, 항공기 등의 산업분야에 매우 많은 잠재 수요가 있을 것으로 전망하고 있다. 특히 RF 신호 송수신에 어려움이 따르는 해저탐사 및 잠수함 통신 등의 환경에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

5) ‌전 세계적으로 기술개발 경쟁이 가속화되면서 점차 가시적인 성과를 보이고 있으며, 실제 일부 산업 분야에서는 상용화가 진행되고 있어 차세대 근거리 무선통신기술 분야에서 최적의 서비스로 주목받고 있는 기술임은 분명하다.

박세환 _ 한국과학기술정보연구원 전문연구위원