이동통신기기용 전자세라믹스 표준화

 

경기대학교 첨단산업공학부 신소재공학 전공 김응수

1. 서론

21세기 지식 정보화 사회에서는 인간이 접하게 되는 정보의 종류가 다양해지고 있으며, 그 양도 매우 방대하다. 이와 같은 다양한 정보를 효과적으로 전달하고 이용하려는 노력으로 통합된 정보 매체가 필요하게 되고 그에 따라 정보통신의 디지털화 및 고속화가 요구되며, 사용되는 전자기기의 고기능화, 소형화 및 Network 화가 급속도로 진전되고 있다. 따라서 전자산업도 지금까지의 개별 기기(Hardware) 중심의 단순운영체계에서 개별기기에 컨텐츠와 서비스의 개념이 도입되어 Network을 근간으로 개별기기간의 호환성에 중점을 두게 되므로 정보저장 및 처리기능의 PC 및 주변기기, 정보전달 기능의 이동통신기기와 정보표시기능의 Display 기기의 전자산업 전반에 대한 대변혁이 예상되고 있다.

정보의 전달기능 측면에서 고려하면, 통신 정보량의 비약적인 증대가 예상되며, 이러한 수요를 충족시킬 수 있는 통신수단으로써 고주파(microwave) 및 mm 파 대역 광역통신 시스템이 연구 개발되고 있다. 고주파에서의 통신과 방송기기 및 인공위성을 이용하기 위한 SHF 방송 수신기와 개인 이동통신기기의 개발이 활발하게 진행되고, 고주파 반도체 소자의 집적회로(MIC) 기술이 현저히 진보됨에 따라 그 회로 소자의 소형화, 고성능화, 저가격화가 요구되고 있다.

본고에서는 정보 전달기근의 이동통신 기기를 중심으로 수요현황 및 주요 전자부품의 응용성에 대하여 고찰하고, 전자부품의 개발 및 응용성 확대에 근간이 되는 전자 세라믹스의 국내외 현황과 문제점을 점검하여, 국내 전자산업의 발전방향과 대책을 제시하고자 한다.

 

2. 본론

2.1 이동통신 시스템의 발전

1921년 미국 Detroit시 경찰국에서 이동차량 전화업무를 시작한 이후 이동체간의 통화품질의 향상과 일정 주파수대에서의 통화량의 한계를 극복하기 위하여 1970년대 말에 셀룰러(Cellular) 기술이 도입되면서 이동통신 시스템은 급격히 발달하게 되었다.

이동통신 시스템은 900MHz 아날로그 방식의 AMPS, NMT, TACS 등을 제1세대로 시작하여, 900MHz 디지털 방식의 D-AMPS, GSM, PDC 등의 제2세대를 거쳐, 현재는 제 1, 2세대의 취약점인 개인 이동통신의 양과 질을 보완하기 위하여 현재는 1.8∼1.9GHz 디지털 방식의 PCN, PHP, PCS 등을 이용하고 있는 제2.5세대라고 할 수 있으나, 궁극적으로 지금보다 더욱 넓은 지역에서 언제, 어디서나, 누구와도 통화 및 정보교환이 자유롭고 실감나게 구현할 수 있는 개인 이동통신기기의 개발이 필요하며 이를 위해서는 제3세대라고 할 수 있는 2.2GHz 이상의 주파수와 디지털 방식을 이용한 FPLMTS, UMTS를 포함하는 IMT-2000에 대한 연구가 요망되어 전 세계적으로 활발한 연구와 개발이 진행되고 있다. 또한 그에 따른 이동통신 단말기는 개인화, 지능화, 고신뢰화 등이 포함되는 형태로 발전되고 있으며, 크기와 무게가 초경량화 되고 있다. 현재 상용화되고 있는 디지털 셀룰러와 PCS 시스템 특징의 비교와 이동통신 시스템별 사용주파수의 비교를 [표1]과 [표2]에 나타내었다.

[표1] Cellular와 PCS 시스템의 비교

구분

Digital Cellular

PCS

개념

·단말기 중심

·기존 아날로그시스템의 용량 증대

·개인중심

·Cell의 미세화로 용량확대 및 개인 이동성 추구

기술

·기존 아날로그 주파수 사용

·Macro cell

·800∼900MHz

·무선 단독교환기

·새로운 주파수 사용

·Micro cell

·1.8∼2.3GHz

·유무선 겸용 교환기

서비스

·고속 이동체에서 사용

·음성서비스 위주

·상대적 고가

·저속 이동체에서 사용

·지능망 서비스(ISDN)

·상대적 저가

[표2] 시스템별 사용주파수의 비교

서비스

Tx

Rx

셀룰러

824∼849MHz

869∼894MHz

PCS

1,750∼1,780MHz

1,840∼1,870

WLL

2.30∼2.33GHz

2.37∼2.40GHz

IMT-2000

1,885∼2025MHz, 2,110∼2,200MHz

2.2 이동통신 시스템의 수요와 전망

이동통신 시스템의 상용화는 유럽은 '93년도부터, 일본과 미국은 '95년부터 시작되었으며, '97년도부터 국내에서도 상용화 서비스를 개시하는 등 시장형성이 본격화되었다.

'95년도에는 유선통신 가입자수에 비해 무선통신 가입자는 약 1/6 정도를 보이고 있으나, 사회환경이 산업사회에서 정보화 사회로 변화됨에 따라 그 수요는 급격히 증가되고 있으며, IMT-2000 서비스가 상용화되고, 다양한 정보서비스의 수요가 확대되면 2005년에는 무선통신의 가입자수가 유선통신의 가입자수 보다 많아질 것으로 전망되며, 그 무선통신 수요 중 무선통신 데이터의 수요가 급격히 증가되고 있다.

2.3 이동통신기기용 전자 세라믹스

이동통신 기기에 사용되는 소자 부품은 크게 능동소자(active component)와 수동소자(passive component)로 구분할 수 있으며, LNA(Low Noise Amplifier), PAM(Power Amplifier Module), Mixer 등과 같은 고주파 능동소자는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)화 되어 소형화가 용이하지만, 필터와 발진기 등과 같은 수동소자는 소형화가 어렵다. 고주파 수동소자로써 1980년대까지 사용했던 온도에 안정된 구리 합금인 Invar 공동 공진기(cavity resonator)는 300MHz부터 1GHz까지의 주파수 범위에서 사용 가능하지만 그 크기가 크고, 무거워서 소형화하기에는 불가능하며 최근 SAW필터나 Helical 필터 등의 개발로 소형화가 부분적으로 가능하게 되었지만 사용가능한 주파수가 낮고 동작파워가 작기 때문에 아직 실용화에는 문제점이 있다.

그러므로 고주파 수동소자의 크기를 작게 하고, 동작파워도 크며, 온도에 안정된 주파수 특성을 갖게 하기 위해서는 유전상수가 크며, 유전손실이 작고, 온도변화에 따른 그 특성변화가 작은 유전체 재료가 필요하나, 산화물 이외의 유전상수가 큰 재료의 유전분산(dielectric dispersion)은 대부분 마이크로파 이하 대역에서 일어나므로 마이크로파 대역에서 사용할 수 있는 유전상수가 큰 재료는 산화물 유전체 재료에 국한된다.

따라서, 마이크로파 대역에서 유전체 세라믹스가 이동통신기기에 사용하게 된 것은 유전 특성과 온도 특성이 우수한 재료가 개발됨으로써 유전체 공진기를 발진기와 필터가 소형화되었고, 그 결과 이동통신 기기의 소형화, 고성능화가 가능하게 되었기 때문이다.

2.3.1 유전체 필터(Band Pass Filter)

이동통신시스템 개발의 초기부터 사용되고 있는 유전체 필터는 TEM(transverse electro-magnetic) mode의 λ/4 파장을 이용하는 사각형 공진기를 이용한 것으로 그에 사용되는 전자 세라믹스의 우수한 마이크로파 특성 때문에 손실이 작고, 대역폭이 크며, 우수한 감쇄특성, 온도특성 및 내전력성의 장점이 있다. 또한 유전체 필터는 구성형태별로 결합형과 일체형으로 분류할 수 있으며, 그 설계방법과 제조방법이 차이가 있다.

결합형 유전체 필터는 여러 개의 사각형 공진기에 캐패시터와 코일을 장착하여 용량성 커플링과 유도성 커플링을 이용하여 필터를 제고하는 기술이며, 일체형 유전체 필터는 유전체 블록에 동축선로의 내부도체용 구멍을 형성하여 표면을 은 또는 구리 도금하고, 단면에 입축력용 캐패시터를 형성하여 필터를 제조한다. 유전체 필터에 사용되는 유전체 재료는 필터가 사용되는 주파수에 따라 유전상수 및 품질계수를 적절히 선택하여야 하며, 부품의 소형화와 경령화를 위해서는 유전상수 100이상의 마이크로파 유전체 재료가 지속적으로 개발되어야 한다.

2.3.2 듀플렉서(Duplexer)

듀플렉서는 이동통신 단말기의 RF Front-End 부에 위치하며, 기본적으로 2개의 대역 통과 필터(BPF)로 구성되어 안테나로부터 수신파(Rx)를 받는 동시에 송신기로부터 송신파(Tx)를 안테나로 송출하는 기능을 한다. 이동통신 단말기에서 동시 통화를 하기 위해서는 송신과 수신을 동시에 행하여야 하므로 송신파가 수신부에 되돌아오지 않도록 송신 BPF는 송신 주파수에서 감쇄량을 크게 하여야 하고, 송·수신간에 isolator의 역할이 필요하다. 마이크로파 유전체 재료를 이용하는 듀플렉서도 앞의 유전체 필터와 마찬가지로 구성형태 별로 결합형과 일체형으로 분류할 수 있으며, 일체형에 비하여 결합형은 개별 공진기들의 결합을 위한 결합회로가 공진기 외부에 부착되어야 하므로 소형화가 곤란한 반면, 일체형 듀플렉서도 사용되는 마이크로파 유전체 세라믹스의 개발과 함께 정밀한 성형 및 가공기술이 요구된다..

그러나 이동통신 시스템의 소형화 및 고기능화 요구에 따라 최근 결합형보다는 일체형 듀플렉서의 개발을 위한 회로설계 기술 및 전자세라믹스의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2.3.3 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator)

이동통신용 기기에서 주파수 발진원으로써 사용되고 있는 VCO는 외부의 전압으로 주파수를 가변시켜, 여러 개의 채널을 선택할 수 있게 하며, 송·수신시 발생되는 무선 주파수를 조절해 준다. 초기에는 신호의 선택도를 높이기 위하여 동축형 공진기를 사용하였으나, 그 크기가 매우 커서 이동통신기기의 소형화에는 곤란하였다. 그러므로 최근에는 세라믹 기판 위에 하이브리드 IC 적층기술을 이용하여 유전체 공진기와 칩형 커패시터를 장착하거나, 세라믹 다층기판 기술을 이용하여 스트립 라인 공진기를 사용한 VCO가 개발되었으나, 소형경량화 및 저소비 전력화를 위해서는 지속적인 연구개발이 요구된다.

위에서 기술한 마이크로파 유전체 세라믹스를 사용하는 주요 부품이외에도 GPS 안테나, 적층 Delay line 및 박막형 부품인 SAW 소자, FBAR 소자와 자성체 세라믹스를 이용하는 칩 인덕터, 정자파(magneto-static wave) 소자, 위상변위기(phase shifter), 서큘레이터 등이 이동통신용 기기에 사용되고 있으며, 그와 같은 부품의 핵심 소재기술인 전자세라믹 소재관련 기반기술의 확보를 위한 적극적인 연구개발과 표준화 작업이 시급하다.

2.4 이동통신용 유전체 세라믹스의 특성 평가

이동통신 기기에 적용되는 핵심부품의 특성과 기능의 향상화를 위해서는 그에 사용되는 전자세라믹스의 특성을 제어하고 소재 관련 기반기술을 확보하는 것이 필요하며, 이를 위해서는 마이크로파 대역에서 재료의 전기적 특성에 대한 표준화된 평가가 선결되어야 한다.

그러므로 본고에서는 지금까지 보고되어 활용되고 있는 유전체 세라믹스의 여러 가지 마이크로파 특성 평가방법을 제시함으로써 특성평가의 표준화 방안의 기초를 마련하고자 한다.

마이크로파 유전체 세라믹스에 요구되는 특성은 첫째, 회로 소자를 소형화하기 위해서는 높은 유전상수를 가져야 하며, 둘째, 주파수 특성이 안정화되고 선택도가 우수하기 위해서는 유전 손실이 작아야 하며, 셋째, 회로소자가 온도 변화에 대하여 안정하기 위해서는 공진 주파수의 온도계수가 작아야 한다. 마이크로파 유전체 세라믹스에 요구되는 특성을 평가하는 방법은 크게 집중소자 방법, 전송선 방법, 자유공간 방법, 공진기 방법 및 개방공진기법으로 구분되며, 각 방법에 대한 특징 및 응용범위는 다음과 같다.

2.4.1 집중소자(Lumped Element)

이 방법은 ASTM D150에 규정되어 있는 방법으로, 비교적 측정이 편리하고 단순하지만 낮은 주파수 범위와 유전손실이 큰 물질에 적용가능하고 평판형 측정법(parallel plate)은 107Hz 이하에서, 동축형 단자법(coaxial probe)은 108∼109Hz에서 적용 가능하다.

2.4.2 전송선(Transmission Line)

전송선 측정법은 비교적 넓은 주파수 범위(108∼1010Hz)에서 유전손실이 비교적 크고, 가공이 용이한 유전체 재료의 특성 평가에 이용되고 있으며, short circuited waveguide(ASTM D 2520A)와 closed cavity pertubation(ASTM D 2520B) 측정법이 있다.

2.4.3 자유공간(Free Space)

이 방법은 측정하고자 하는 유전체 재료가 측정용 지그와 접촉이 없으므로 고온에서 재료의 특성 평가에 유용하다. 측정가능 주파수는 109∼1010Hz이며, 유전손실이 크지 않은 재료의 평가에 이용 가능하나, 측정하고자 하는 시편의 크기가 크고, 평활도가 우수하여야 한다.

2.4.4 공진기(Resonant Cavity)

현재 마이크로파 유전체 재료의 특성 평가방법으로 가장 많이 이용되고 있는 이 방법은 시편의 크기가 작고, 유전 손실이 작은 재료를 비교적 넓은 주파수 영역(109∼1010Hz)에서 유전특성을 정확하게 측정 가능하다. 공진기 측정법은 Hakki-Coleman 측정법과 Cavity 측정법이 이용된다.

2.4.5 개방공진기(open resonator, Fabry-Perot)

개방공진기 측정법은 아주 높은 주파수(1010∼1011Hz)에서 유전손실이 10-4∼10-5 정도의 아주 작은 재료의 특성을 정확히 평가할 수 있는 방법으로 오목 반사경(concave mirror)의 높낮이와 공진주파수를 조절함으로써 측정한다.

지금까지 보고된 마이크로파 유전특성 측정방법의 사용가능 주파수 및 재료의 특성(유전손실)은 마이크로파 유전체 재료의 응용범위에 따라 적절한 측정방법을 선택할 수 있어야 하므로 각 측정법에 대한 측정 기술 확보 및 국가적인 차원에서의 표준화 작업이 요망된다.

2.5 이동통신용 전자세라믹스의 현황과 전망

2.5.1 국내외 기술 수요 현황

21세기 지식·정보화 사회에서의 전자산업은 디지털화, 멀티미디어화, 초고주파수화, 초고속화, 데이터의 대용량화에 따라 HDTV, CATV, AV, Computer, ISDN, PSDN, WLL/RLL 등의 핵심 전자부품도 품질향상 및 세트의 다양화에 따른 부품의 다양화, 그리고 여러 기능성 부품의 복합 모듈화가 이루어 질 것이고, 특히 이동통신 분야에서는 기기의 소형화, 고성능화, 고 신뢰성화를 위해서 지금까지는 주로 주변 전자회로의 개선에 의하거나 고밀도 실장화 기술에 의존하였으나, 현재 이용되고 있는 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 새로운 전자 소재의 개발연구는 아직 미흡한 수준으로 그 한계에 도달되어 있기 때문에, 이동통신용 전자세라믹스의 소재 기술의 개발이 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다.

그에 따라 국내의 이동통신 시장도 확대되고 있으며, 그에 필요한 고주파 부품에 대한 수요가 급증하고 있으나 국내에서의 산업 기반은 거의 전무한 실정이고 연구개발도 매우 미미한 형편이어서 소요부품의 대부분을 수입에 의존하고 있으며, 일부 이동통신용 전자부품의 경우 국내의 기술로 개발되었어도 그 핵심 원료소재는 수입에 의존하고 있는 실정이다.

이와 같은 국내 이동통신용 소재 산업의 문제점은 우리 나라의 산업구조적인 문제로서 소재의 기초 기능을 이해하고, 응용화 연구의 결과로 새로운 전자부품이 개발되고 새로운 전자기기가 상품화되는 선진국의 전자산업 구조에 비하여, 국내의 산업구조는 상품화와 직결되는 세트의 개발이 주를 이루고, 그에 필요한 부품 및 소재는 외국에서 수입하는 구조이기 때문에 전자세트에 개발능력과 실적은 선진국 수준에 도달되었으나, 그에 필요한 부품 소재 기술은 비록 국산화되어 있는 소재일지라도 한정된 영역에서의 소재의 개발이므로 핵심부품의 고기능화를 위한 소재의 활용이 불가능하였다. 그러므로 이동통신용 전자세라믹스의 소재기술의 확보는 각 부품에서 필요한 특성을 갖는 소재를 개발하는 것에 한정되면 전자부품을 사용하는 전자기기 세트의 회로 설계 기술에 맞추어야 하는 현재와 같은 한계상황을 극복할 수 없게 되므로 국내의 전자부품 소재기술은 대외 의존도가 높게 되고, 전자기기 세트는 국제경쟁력이 없는 저가의 제품만 양산되는 결과를 초래하게 된다.

따라서 이동통신용 전자세라믹스의 소재 특성 제어기술과 소재 고유특성에 대한 분석, 예측할 수 있는 평가기술의 확립과 제조공정 제어를 위한 표준화 기술의 확립이 필요하다.

2.5.2 국내외 기술 수요 전망

현재 전 세계의 이동통신용 전자세라믹스 소재기술은 크게 두 가지 방향으로 진행되어, 통신산업이 발달한 미국의 Motorola, Ericson 등과 유럽의 Nokia 등을 중심으로 통신기기 업체들이 자체적인 필요성에 의해 특정한 부품의 소재를 개발하는 방향과 일본의 Murata, TDK, FDK 등과 같은 전자부품 전문 업체들에 의한 소재 개발 두 방향으로 발전되어 왔다.

특히 미국, 유럽 등은 기존 학계에서 많이 연구되오 던 국방용 기초 마이크로파 소재연구를 바탕으로 냉전 종식후 급속하게 세트업체들에 의해 상용화가 진행되고 있는 반면 일본의 경우 다양한 상품화 소재 연구를 바탕으로 우수한 성능의 부품을 출시하고 있다.

이동통신용 전자세라믹스의 소재기술에 대한 향후 기술 수요전망은 현재는 전자부품 단품으로서의 개발 및 응용은 어느 정도 포화에 도달되어 있는 실정이므로 미국의 경우 각 부품들의 모듈화를 위한 연구가 활발히 진행중이며 일본의 경우도 마찬가지로 적층 세라믹 소재기술과 동시 소성기술, 3차원 입체 회로기술에 의한 복합소자(multi chip module)를 구현하고 있어 PLL모듈, 칩다층 delayline, 칩다층 LC 필터 등은 이미 제품화하고 있으나 현재 여러 나라에서 추진하는 모듈기술은 MCM-C로 주로 ceramic interconnect 기술로서 유전율 10 이하의 기판에 여러 가지 회로를 구성 연결하고 그 위에 다른 수동, 능동부품들을 실장하는 형태로 구성하고 있어 세라믹은 단순한 기판 재료로서 각 부품들을 연결시켜 주고 기계적으로 지지해주는 역할만을 하고 있다.

그러나 아직 계속해서 새롭게 등장하는 통신 서비스인 GPS, IMT-2000 등에 활용할 수 있는 더 높은 주파수 대역에서 필요로 하는 소재의 개발 모듈화 하였을 때 기존의 마이크로파 유전특성이 보다 열화되고 또한 금속과의 동시 소성에 따른 여러 문제 등을 해결하려는 지속적인 노력이 진행중이다.

이에 비해 국내에서는 L, C, R 수동부품의 경우 칩적층화는 어느 정도 이루어져 세계 수준에 도달하고 있다고 할 수 있으나 이동통신에 사용되는 RF부품들은 대부분 벌크 단품 형태로 모듈화에 대한 진행은 이루어지고 있지 않은 상태이다. 국내의 경우 삼성전기에서 PCS용을 비롯하여 TRS, WLL용 듀플렉서 및 필터를 월 100만개 생산하고 있고, LG정밀에서 양산을 시작하였으며, 이밖에 군소 중소 업체들이 여러 가지 형태의 이동통신용 전자세라믹스 제품을 생산하고 있지만, 이에 소요되는 소재의 95%는 모두 외자에 의존하고 있다.

또한 다양한 통신시스템에 적합한 디바이스를 극히 한정된 유전체 소재만을 이용하여 구현하고 있으며, 특히 각 회사 및 연구소 등에는 유전체 소재의 특성평가에 대한 기술이 확립되어 있지 않기 때문에 이동통신용 유전체 소재의 특성제어 및 평가는 이루어지지 않고, 단지 부품화하여 부품의 특성 평가에만 의존하고 있으며, 향후 사용 주파수의 고주파화와 대용량의 정보처리 및 전자부품의 경박단소화를 위하여서는 이동통신용 유전체 소재의 적층화 기술이 필요하나 현재 기존 부품에 이용되고 있는 유전체 소재의 국내 조달도 되고 있지 않는 상황이므로, 이동통신기기용 전자세라믹스의 소재 특성 제어기술과 소재 고유 특성에 대한 분석, 예측할 수 있는 평가기술의 표준화와 제조공정 제어를 위한 표준화 기술의 확립을 위한 범 국가적인 차원에서의 적극적인 지원이 필요하다.

 

3. 맺음말

이동통신용 핵심전자부품의 개발 및 응용성이 원천 요소기술인 전자 세라믹스의 소재 특성 제어기술과 소재 고유 특성에 대한 분석, 예측할 수 있는 평가기술의 표준화와 제조공정 제어를 위한 표준화 기술의 확립으로 국내 전자부품 업체의 국제경쟁력 강화와 대외 무역 수지 개선에 일익을 담당할 수 있기를 바란다.

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