1. 문제: 커넥터가 만드는 설계 한계

기기 간, 보드 간 데이터 연결의 기본 수단은 물리 커넥터와 케이블이다. 그러나 접점이 있는 한 체결과 분리가 반복될수록 마모(wear and tear)가 누적되고, 커넥터 개구부는 방수·방진 밀폐 구조와 근본적으로 충돌한다. 회전부에서는 슬립링 같은 기계 장치가 필요해지는데, 이 역시 접점 기반이므로 수명과 신뢰성의 제약을 그대로 물려받는다.

이 제약은 특정 산업에 국한되지 않는다. 공장 자동화 라인에서는 장비를 체결하고 펌웨어를 내려받고 진단한 뒤 다시 분리하는 과정이 반복되므로, 접점의 체결 횟수가 곧 생산 처리량과 유지보수 비용을 결정한다. 웨어러블처럼 소형화와 밀폐가 중요한 개인용 전자기기에서는 커넥터가 차지하는 공간과 개구부 자체가 설계 부담이다. 회전 라이다, 로봇 관절, 짐벌 같은 회전 응용에서는 데이터 접점이 기구 설계의 병목이 된다.

기존 무선 기술이 이 문제의 답이 되지 못했다는 점이 핵심이다. Wi-Fi나 Bluetooth는 네트워크를 전제로 한 프로토콜 스택, 페어링 절차, 그에 따른 전력과 지연을 수반한다. 커넥터를 대체하려면 커넥터 수준의 단순성, 즉 연결하면 즉시 신호가 흐르고 프로토콜을 가리지 않는 특성이 필요하다. 그래서 요구되는 것은 또 하나의 무선 통신 기술이 아니라, 접점 없는 커넥터다.

2. 선택: 범용 무선이 아닌 가상 커넥터

ST60은 60 GHz 대역에서 ASK 변조로 동작하는 단거리 점대점 RF 링크 IC다. 설계의 출발점은 기존 무선 기술의 확장이 아니라 커넥터의 대체이며, 발표에서는 이를 가상 커넥터(virtual connector)로 규정한다. 네트워크 계층이나 패킷 프로토콜을 두지 않고 입력된 신호를 그대로 상대편에 터널링하기 때문에, 상위 프로토콜 관점에서는 유선 커넥터가 무선 구간으로 치환된 것과 같은 구조가 된다.

프로토콜 처리를 제거한 선택의 결과는 지연과 전력에서 나타난다. 전파 지연은 ST60A2가 전형 7 ns, ST60A3가 구성에 따라 전형 2 ns(eUSB2 HS)에서 43 ns(저속 모드) 수준으로, 프레이밍과 버퍼링을 거치는 범용 무선과는 자릿수가 다르다. 전력 효율은 송신 8.9 pJ/bit, 수신 6.4 pJ/bit로 제시된다. 그림 1은 회전 조인트 응용을 기준으로 ST60과 기존 기술의 특성 비교, 그리고 전송 속도 대비 소비 전력에서 ST60이 차지하는 위치를 보여준다.

포기한 것도 분명하다. 통신 거리는 안테나 구성에 따라 최대 5 cm 수준의 초근접으로 제한되고, 링크는 1:1 점대점 전용이며, 재전송이나 적응형 속도 조절 같은 링크 계층 기능이 없다. 또한 ST60은 현재 산업 표준이 아닌 독자 기술이며, Q&A에 따르면 NF60이라는 명칭으로 IEEE 표준화 작업이 진행 중이다. 그 대신 접점이 사라짐으로써 습기·먼지·진동에 대한 내성, 전기적(갈바닉) 절연, 회전 지원, 마모 없는 동작이 구조적으로 확보된다. 즉 ST60은 범용성을 버리고 커넥터가 하던 일만을 무선으로 옮긴 제품으로 볼 수 있다.

3. 제품군: 고속 SLVS의 ST60A2, eUSB2의 ST60A3

커넥터가 하나의 규격이 아니듯 ST60도 단일 제품이 아니다. 전송하려는 신호의 종류에 따라 두 계열로 나뉜다. ST60A2는 SLVS 차동 신호를 반이중(half duplex)으로 최대 6.25 Gbps까지 전송하는 고속 계열로, SGMII·HiSGMII·XAUI 구성을 지원하며 시리얼라이저(SerDes)나 애그리게이터 같은 컴패니언 칩을 병용하면 이더넷(1/2.5/5/10 Gbps), DisplayPort, CSI2/DSI 같은 인터페이스를 비접촉으로 구현할 수 있다. ST60A3는 eUSB2 하이브리드 리피터로 USB2.0의 LS·FS·HS(최대 480 Mbps)를 터널링하는 데 최적화되었고, 듀얼 GPIO·UART(최대 6 Mbps)와 I2C(최대 1 Mbps)도 지원한다. 그림 2가 이 역할 분담을 데이터 속도축 위에서 보여준다.

안테나 전략에서 두 계열의 트레이드오프가 갈린다. ST60A2는 외부 안테나 전용이다. 패치·혼 안테나 등으로 거리와 방사 패턴을 응용에 맞게 선택할 수 있는 자유를 얻는 대신, 60 GHz 안테나 설계라는 부담을 설계자가 진다(파트너 생태계가 이를 보완하며, 이는 6절에서 다룬다). ST60A3는 외부 안테나 버전(H0, 최대 34 dB 링크 버짓의 다양한 안테나 솔루션과 호환)과 안테나 내장(AiP) 버전(H1·H2)을 제공한다. AiP는 안테나 설계 부담을 없애 통합이 가장 쉬운 대신 방사 특성이 패키지로 고정된다. H1은 선형 편파, H2는 원형 편파로, 회전 응용에는 H2가 필요하지만 회전 조건의 통신 거리는 5 mm(A3H2 대 A3H1)로 브로드사이드 5 cm(A3H1 대 A3H1)보다 크게 줄어든다.

두 계열 모두 MPU/MCU를 내장하지 않으며 I2C 또는 하드웨어 설정으로 구성하는 순수 링크 디바이스다. 그러나 A2와 A3는 서로 통신할 수 없으므로 링크 양단은 같은 계열로 구성해야 한다. 표 1에 두 계열의 핵심 사양을 정리했다.

4. 동작 원리: 상태 머신과 터널링

가상 커넥터가 성립하려면 별도 프로세서 없이도 두 칩이 스스로 상대를 찾아 연결을 수립해야 한다. ST60A3H1은 이를 유한 상태 머신으로 처리한다. 전원 인가 후 RESET에서 RF_IDLE로 진입하고, RF_EN 핀이 하이가 되면 RF_DETECT 상태에서 주기적으로 상대를 탐지한다. 양단이 수신 범위에 들어와 상대가 감지되면 LOW_POWER 상태로 내려가 대기하고, 터널링 명령을 받으면 TUNNELING 상태로 전환되어 데이터가 흐른다. 한쪽은 I2C로 로컬 역할로 설정해야 하며(기본 역할은 리모트), 리모트 측의 레지스터는 로컬에서 OTA(over the air) 원격 레지스터 접근으로 구성한다. 그래서 링크 양단을 제어하는 외부 MCU는 로컬 측 하나면 충분하다. 그림 3의 상태도가 이 흐름과 상태별 소비 전류를 보여준다.

이 상태 구조는 전력 프로파일로 직결된다. 상태별 소비 전류는 RF_IDLE 12.5 µA, RF_DETECT는 로컬 6.2 mA·리모트 14 µA, LOW_POWER는 550 µA·65 µA 수준이고, 터널링 중에는 eUSB2 HS 약 71 mA, UART/I2C 약 50 mA다. 즉 연결 대기와 실제 전송의 전력이 수백 배 차이 나도록 상태가 분리되어 있어, 접속이 간헐적인 도킹·생산 라인 응용에서 평균 전력을 낮게 유지할 수 있다. 상대 탐지에는 1초 안팎의 시간이 소요된다.

전송 자체는 클록 없는 비동기 신호를 ASK로 그대로 실어 나르는 방식이다. 그 결과 프로토콜을 가리지 않는 투명한 전달이 가능하지만, 링크가 DC 균형을 보장하지 않으므로 고속 전송에는 8b/10b 인코딩된 데이터 사용이 권장되며 이때 실효 전송률은 6 Gbps급 링크 기준 약 80% 수준이 된다. 또한 링크 계층에 패킷 손실 감지나 재전송 메커니즘이 없으므로, 오류 복구는 USB처럼 자체 복구 수단을 가진 상위 프로토콜에 맡기는 구조다. 커넥터가 오류를 복구해 주지 않는 것과 같은 원리이며, 이것이 가상 커넥터라는 포지셔닝의 기술적 실체다.

5. 적용 경계: 안테나, 기구, 보드 설계

ST60의 성능 한계는 대부분 IC가 아니라 RF, 즉 안테나와 기구 조건에서 결정된다. 이 절은 그 경계를 정리한다.

5.1 거리·정렬·편파

AiP 버전인 ST60A3H1의 안테나는 패키지 Z축 방향으로 지향성을 가지므로 두 칩의 상단면이 마주 보도록 배치해야 한다. 통신 거리는 최대 50 mm이고, 측면 정렬 오차는 ±2 mm까지 허용되나 이는 거리 30 mm 이하 조건이다. 평면 회전은 0° 또는 180° 두 방향을 지원한다. 그림 4가 이 배치 조건을 보여준다. 틸트와 정렬 허용치는 IC가 아니라 안테나 성능과 설계에 의해 결정되므로, 외부 안테나를 쓰는 경우 수치는 달라진다. 연속 회전이 필요한 응용은 원형 편파의 A3H2를 사용해야 하며, 그 대가로 통신 거리가 짧아진다는 점은 3절에서 언급한 바와 같다.

5.2 케이스 투과와 다중 링크 격리

밀폐 구조 안에서 쓰는 제품이므로 케이스 투과가 전제다. 플라스틱 커버나 보호 유리는 통상 60 GHz RF가 투과하는 조건에서 사용 사례가 많으나, 소재마다 유전율이 다르므로 소재·형상별 시뮬레이션으로 확인하는 것이 권장된다. 여러 링크를 한 공간에서 쓰면 인접 IC 간 간섭이 발생할 수 있다. 권장 격리 수준은 50 dB이며(자료상 부호 표기가 혼재하므로 미해결 항목 참조), 안테나 설계와 PCB 배치로 격리를 확보하는 방법이 우선 권장되고 거리 확보, 편파 방향 반전, RF 차폐벽이나 흡수체 적용이 보조 수단이 된다. 이 조건을 지키면 다수 장비가 동작하는 스마트팩토리 환경에서도 운용 사례가 있다고 Q&A는 답한다.

5.3 PCB 설계

AiP라도 보드가 안테나 접지면의 일부가 되므로 보드 설계 요건이 있다. 내장 안테나의 접지면 확보를 위해 최소 4층 PCB가 권장되고, 방사 패턴 형성을 위해 최상층 칩 주변에 0.5 mm의 접지 이격, 그리고 칩 주변 수 mm의 부품 금지 영역이 필요하다. 상세 요건은 애플리케이션 노트 AN6247에 정리되어 있다. 즉 커넥터를 없애는 대신 설계자는 RF 배치 규칙이라는 새로운 제약을 받아들이는 셈이다.

6. 개발 환경과 대표 사례: 비접촉 DFU

평가와 개발은 계열별 키트로 지원된다. ST60A2는 XNucleo 어댑터 보드(B2265)와 패치·혼·원형 안테나 RF 모듈(B2266, B2275/76, B2279)로 구성된 RF 평가 키트를 제공하며, 아이 다이어그램·BER·지터 같은 RF 검증 측정을 위한 구성이다. ST60A3는 USB Type-A/Type-C 디스커버리 키트(B2309/B2310/B2313)와 X-NUCLEO-60L1A1(로컬)·60R1A1(리모트) 보드, 그리고 STM32CubeMX 확장 패키지인 X-CUBE-ST60으로 이어진다. X-CUBE-ST60에는 보드 드라이버와 함께 USB·UART·I2C 터널링 예제 프로젝트가 포함되어, NUCLEO-L476RG 기준으로는 제공 바이너리를 그대로 플래시해 터널링을 재현할 수 있다. 안테나·모듈·컴패니언 칩은 파트너 생태계가 보완하며, KC 인증을 받은 모듈 형태 제품도 파트너를 통해 지원된다.

이 터널링이 실제로 무엇을 바꾸는지는 비접촉 DFU(Device Firmware Upgrade) 사례가 보여준다. 기존 펌웨어 플래싱은 PC와 타깃 보드 간 물리적 USB 체결이 필요하므로 커넥터 마모와 방수·방진 구조 훼손을 피할 수 없다. ST60 구성에서는 로컬 보드의 STM32가 I2C로 링크를 설정한 뒤, 먼저 GPIO 터널링으로 타깃 MCU의 NRST·BOOT0 핀을 원격으로 토글해 부트로더로 진입시키고, 이어서 USB 터널링으로 전환해 STM32CubeProgrammer의 DFU 인터페이스로 펌웨어를 플래싱하며, 마지막에 다시 GPIO 터널링으로 새 펌웨어를 부팅시킨다. 그림 5가 이 경로를 보여준다. 그 결과 개구부 없는 완제품 상태에서 펌웨어 업데이트와 진단이 가능해지고, 이것이 Q&A에서 확인되는 최다 사용처, 즉 공장 자동화에서 웨어러블 기기의 펌웨어 플래싱·디버깅과 포고핀 대체라는 채택 패턴으로 이어진다.

USB 외의 인터페이스도 같은 틀로 확장된다. 이더넷은 Ethernet PHY와 ST60A2 2쌍으로 구성하며 이를 위한 애플리케이션 노트가 제공되고, USB2.0은 ST60A3에 eUSB2-USB2 리피터를 추가하면 기존 USB 포트를 그대로 대체하는 설계가 가능하다. 구성용 소프트웨어는 공개되어 있다.

7. 한계와 전제, 그리고 결론

ST60을 검토하는 설계자가 먼저 확인해야 할 경계를 명시한다. ST60은 링크 계층 기능을 의도적으로 갖지 않는다. 적응형 전송 속도 조절이나 링크 품질 기반 제어는 지원되지 않고, 패킷 손실 감지·재전송 메커니즘도 없으며, 온도 변화나 기계적 변형에 따른 안테나 특성 변화를 보정하는 캘리브레이션 기능도 없다. SPI는 직접 터널링 대상이 아니어서 ST60A3 2쌍의 저속 듀얼 채널 구성 또는 SerDes 병용이 필요하다. A2와 A3는 상호 통신이 불가능하므로 혼용 구성은 성립하지 않는다.

규격·인증 측면의 전제도 있다. ST60은 현재 독자 기술이며(NF60 명칭의 IEEE 표준화는 진행 중), 60 GHz 규제 준수는 제품 설계에서 확인해야 하고 특히 외부 안테나 사용 시 적절한 안테나 설계가 전제된다. 완제품에는 KC 같은 국가별 무선 인증이 필요하며, MIL-SPEC 인증은 현재 없다. 온도 범위는 사양표 기준 ST60A2가 산업용 -40~+105 °C까지 제공되는 반면 ST60A3는 컨슈머 등급 -20~+85 °C로 표기되어, 고온 산업 환경에서는 계열 선택에 영향을 준다. 다중 링크 환경에서는 5절의 격리 요건이 설계 전제가 된다.

이 한계들은 결함이 아니라 1절에서 세운 문제의식의 귀결이다. 커넥터는 재전송도 속도 협상도 하지 않는다. ST60은 커넥터가 하던 일만을 무선으로 옮기는 좁은 선택을 했고, 그 대가로 범용 무선이 제공하지 못하는 것, 즉 수 ns의 전파 지연, pJ/bit 수준의 전력, 페어링 없는 즉시 연결, 그리고 접점 제거에 따른 마모·밀폐·회전 문제의 구조적 해소를 얻었다. 커넥터의 물리적 한계가 설계의 병목인 응용이라면 ST60은 그 병목을 제거하는 수단이 되고, 링크 계층의 지능이 필요한 응용이라면 그 몫은 상위 프로토콜과 시스템 설계가 담당해야 한다. 이것이 이 제품을 평가하는 올바른 기준으로 볼 수 있다.

부록. 웨비나 기술 Q&A