白鍾厚 공학박사 / 요업기술원 전자부품소재본부 선임연구원 1. 서론 오늘날 통신정보량의 증가와 함께 위성통신이나 위성방송 등 마이크로파를 이용한 통신시스템이 점점 민간용 기기로 확산되어감에 따라 이 분야의 발전이 급속화 되고 있다. 최근의 급격한 정보화 사회의 발전은 통신시스템과 컴퓨터 정보 처리 시스템의 발달에 그 바탕을 두고 있는데 컴퓨터가 대용량의 정보를 고속으로 처리 가능하게 됨에 따라 정보의 전송에도 대용량, 고속화가 요구되고 있다. 따라서 앞으로는 지역통신연결망인 광통신시스템과 원거리 통신망인 마이크로파 통신 시스템을 결합하는 국제적인 정보통신시스템 망이 구축되리라 예상된다. 최근 통신 분야의 비약적인 발전에 따라 디지털 화, 소형화, 고성능화 부품의 요구가 급증하고 있으며, 통신용 세라믹 소자부품은 통신 SYSTEM의 성능을 좌우하는 중요한 핵심부품으로서 자리 잡고 있다. 특히 이동통신매체로서는 자동차전화, 무선전화, 위성방송 SYSTEM, 저·고속 데이타 전송시스템, 구내연락전화, PCS 단말기, GPS(Global Posi tioning System)등을 들 수 있으며, 통신용 유전체 세라믹은 이들 시스템에서 필터(Duplexer), 발진기(VCO, TCXO), 안테나, 증폭기, 유전체기판 등에 응용되고 있다. 이러한 통신부품 중에서 자동차, 전화, 위성통신 등에 쓰이는 듀플렉서(Duplexer)나 VCO(Voltage Controlled Oscillator)등은 그 통신량의 증대로 인해 전화대기시간을 단축해야하는데 이를 위해 마이크로파 유전체 세라믹의 유전특성과 온도특성이 우수하여야 하며, 공진기의 소형화, 저전압화, 고성능화, 낮은 가격이 강력히 요구되고 있다. 이런 통신용 소자부품에는 다양한 종류의 세라믹 유전체 재료가 이용되고 있으며, 대표적인 부품으로는 유전체 공진기(dielectric resonator), 공진기용 서포터, 각종 회로의 기판 등이 있다. 유전체 공진기는 유전율(ε) 20~90사이의 세라믹 유전체 재료가 주로 이용되고 있으며, 유전율 10이하의 저유전율 세라믹에 대한 수요도 꾸준히 증가하고 있는데 , 이들 저유전율 세라믹은 공진기용 서포터(support), 각종 고주파 회로의 기판으로 사용되고 있다. 이러한 유전체 공진기용 서포터나 회로기판은 처음에는 Teflon, Polystyrene 등의 고분자 재료가 사용되었지만, 점차 사용주파수가 높아지고 부품의 삽입손실에 대한 중요성이 증가함에 따라 고분자재료에 비해 유전손실이 작고, 온도특성이 우수한 세라믹 유전체가 공진기용 서포터(support), 각종 고주파 회로의 기판으로 사용되고 있다. 또한 통신부품의 소형경량화를 위해서는 기판의 배선밀도를 높이는 것과 개별 부품의 부품 및 모듈의 크기와 무게를 줄이는 것이 필요하며, 이러한 요구에 부응하기 위해서 적층구조가 가능한 저온 동시 소결 세라믹 (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) 유전체가 개발되어 상용화되고 있다. 본고에서는 통신용 세라믹 유전체 재료 중에서 대표적인 부품인 마이크로파 유전체 재료(유전체 공진기:Dielectric Resonator)특성, 조성연구 및 합성에 대하여 논하고자 한다. 2. 마이크로파 유전체 재료의 특성 마이크로파(Microwave)란 300MHz에서 300GHz 주파수 범위의 전자기파(파장 10㎝에서 0.1㎜까지)를 총칭하며, 이 전자기파는 우리가 AM, FM 라디오를 통해 친숙한 라디오파(Radio-wave:수천 KHz에서 수MHz 까지)보다는 파장이 짧고, 빛 보다는 파장이 긴 전자기파이다. 위성방송, 위성통신, 무선LAN, 레이다 시스템 등은 마이크로파 (SHF 영역)를 이용하고 있으며, 휴대, 자동차전화, PHS등은 850MHz에서 2GHz부근의 극초단파(UHF 영역)을 이용하고 셀(Cell)상에서 분할되는 기지국을 통해서 통신된다.(표 1) 이러한 여러 종류의 통신(송수신)을 언급할 경우, 세라믹 유전체 공진기가 중요한 역할을 하게 되는데, 그 이유는 앞에서도 언급한 바와 같이 온도에 대한 안정성과 소형화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라 주파수의 온도안정성, 저손실, 고신뢰성 등의 장점을 가지고 있기 때문이다. 이러한 마이크로파 유전체 공진기가 필터, 발진기, 안테나 등에 마이크로파 소자로서 사용하기 위해서는 다음과 같은 요구조건을 만족해야 한다. (그림 1) 가. 유전율이 높을 것 유전율이란 어떤 물질에 외부 전기장을 가했을 때 쌍극자가 얼마나 잘 유도되느냐를 나타내는 척도이다. 고주파 유전체중에 고주파를 제한된 공간에 가둘 때 자유공간내의 파장(λ)에 비해서 유전체내의 파장(λo)은 √ε에 역비례해서 작아진다.( λo =λ/√ε) 예를 들면 자동차 전화의 송수신 파장 850MHz(파장,λ=35㎝)에서 유전율이 100인 유전체를 사용할 경우, 유전체내의 파장(λo)은 3.5㎝까지 1/10(=1/√100) 단축시켜 공진기의 크기는 3.5㎝까지 소형화 할 수 있다. 따라서 이러한 공진기의 크기는 1/√ε로 소형화할 수 있기 때문에 소형 디바이스를 제작하는데 아주 중요한 factor로 작용한다. 이렇게 설계된 세라믹 유전체를 사용함으로서 금속으로 만들었을 때 부피가 커지고 금속의 열팽창에 의해 주파수의 안정도가 떨어지게 되는 문제를 해결 할 수가 있다. 800~900MHz대의 이동통신 단말기용 유전체는 개발초기에는 유전율이 30~40정도의 소재가 많이 사용되었으나, 최근에는 유전율이 80~90정도의 유전체 재료가 개발되어 응용됨으로서 부품의 크기가 감소되었다. 나. Q (품질계수)가 높을 것 품질계수란 저장된 에너지와 손실된 에너지의 비를 나타내며, 유전손실의 역수로 표현된다. 고주파 유전체 재료에 외부에서 전자기파를 가해지면 대부분의 에너지는 유전체내에 저장되고 일부는 유전손실에 의해 열로 변환되는데 이때 나타나는 열이 손실에 해당된다. 실제로 신호의 정보량을 증가시키기 위해서는 공진주파수의 분리 성을 크게 하는 것이 중요한데 이를 위해서는 공진기의 손실(loss)을 최소화하는 것이 필요하다. 공진회로 내에서는 마이크로파 유전체의 손실(1/Qd=tanδ)이 지배적으로 작용하기 때문에 Qd 가 높은 유전체 재료를 사용하는 것이 필요하다. 참고로 일반적인 칩 콘덴서(강유전체 재료)의 손실 값과 비교하면 고유전율 유전체(BT등)의 손실은 tanδ=1~5% 정도로 크고, 따라서 Q 값은 20~100정도로 유지된다. 또한 일반적인 온도보상용 유전체에서는 1MHz까지는 비교적 높은 Q 값, 약 3000 정도 이지만, 1GHz부근에서는 손실이 커지기 때문에 사용할 수 없다. 이것에 비해서 마이크로파 유전체는 Q 값이 1~10 GHz에서도 3000~30000(tanδ=0.03~0.003%)정도로 높은 값을 갖는다. 따라서 강유전체 물질은 마이크로파 영역에서 사용하지 못하는 이유는 유전손실 (tanδ)이 크고, 유전율이 주파수에 따라 급격히 변하며, 유전율의 온도 의존성이 너무 크기 때문이다. 다. 공진주파수 온도계수(τf) zero화 공진주파수가 온도에 의해 변하지 않게 하기 위해서는 회로내의 공진주파수 온도계수를 0(zero)으로 하면, 즉 유전체의 온도계수를 0에 근접시키는 것이 중요하다. 유전체의 공진주파수 온도계수(τf)와 유전체의 온도계수(τε)사이에는 τf=-1/2×τε-α의 관계식이 성립하고 τf을 0으로 하기 위해서는 유전체의 τε을 -20 ppm/℃ (일반적인 세라믹 유전체의 열팽창계수(α)=10ppm/℃정도)정도로 할 필요가 있다. 유전율과 공진주파수 온도계수는 재료의 조성에 의해서 결정되며, 품질계수는 기공률, 결정립의 크기, 불순물, 입계 등 그 제조공정에 크게 영향을 받으므로 우수한 유전체 특성을 얻기 위해서는 제조공정 제어가 중요하다. 3. 마이크로파 유전체 재료의 조성 유전체 재료를 마이크로파에 응용하려는 시도는 오래전부터 있었으며, 처음으로 제안된 TiO2는 공진주파수 온도계수(τf=450ppm/℃ 정도)가 너무 커서 실제 응용에는 어려움이 있었다. 이와 같은 공진주파수 온도계수를 향상시키고, 앞에서 언급한 마이크로파 유전체 재료의 요구조건을 만족시키며, 그 특성을 향상시키기 위한 재료의 개발은 1980년대 이래 활성화 되었고, 용도에 부합된 여러 종류의 유전체 재료가 제안되었다. 이러한 재료들을 분류해 보면 다음과 같다. (1) 티탄산 화합물 계열 (2) BaO-TiO2 계열 (3) BaO-Ln2O3-TiO2 계열 (4) 복합 perovskite 계열 (5) Pb 계 perovskite 계열 (2)와 (3)분류한 계열도 본래는 (1)의 계열에 분류되어 진것이지만 현재 많은 부분에서 사용되고 있는 화합물이기 때문에 각각 따로 분류하였다. 표 2는 현재 응용중이거나, 연구 중인 마이크로파 유전체 세라믹의 주요조성에 대한 것이다. 가. 티탄산 화합물 계열 CaTiO3, MgTiO3을 주성분으로 하는 세라믹스는 온도보상용 콘덴서로 이용되어 왔으며, 이 물질을 고주파 유전체로 응용하고자 하는 검토가 진행되었다. 상대적으로 낮은 유전율(ε=18, Q*f=150,000)을 가지는 MgTiO3는 일메나이트(illmenite)구조이다. 이 재료는 자체로서 큰 음의 값(τf=-35ppm/℃)을 가지므로 τf가 큰 양의 값을 가지는 perovskite구조의 CaTiO3 와 혼합하여 유전율 20, Q×f 50,000의 유전특성과 τf가 0에 가까운 조성을 만든다. 이 재료는 GPS등과 같은 안테나 부품에 널리 적용되고 있다. 또한 (Zr,Sn)TiO4 (ZST)는 (Ca,Mg)TiO3 계열보다 높은 유전율과 높은 Q값을 가지고 있어서 매우 광범위하게 사용되고 있으며, 공진주파수 온도계수는 0ppm/℃에 근접한다. 그러나 이 조성은 일반적인 고상 합성법에 의해서 제조할 경우에 하소온도가 1100℃ 이상, 소성온도가 1600℃ 이상의 난 소결 성 재료로 알려져 있다. 따라서 상업적으로 사용되어지는 ZST조성은 소결성을 증가시키기 위해서 소량의 ZnO을 첨가하고, 유전특성을 향상시키기 위해서 NiO, La2O3 등을 첨가한다. 이 재료는 중계기용 필터, LNB등 위성장비의 DRO(Dielectric Resonator Oscillator)등에 적용되고 있다. 나. BaO-TiO2 계열 BaO-TiO2계 화합물은 여러 가지 상(phase)이 존재하는 것을 알 수 있다. (그림 2) 마이크로파에 이용된 것은 Ti가 다량 함유된 BaTi4O9, Ba2Ti9O20 조성이 있다. 이 계는 복잡한 상 관계를 가지고 있고 소성조건이나, 분체의 처리가 특성에 크게 영향을 미치고 있다. BaTi4O9는 유전율ε=38, Q*f=36,000, τf=15ppm/℃의 유전특성을 보이고 있으며, Ba2Ti9O20는 유전율ε=40, Q*f=28,000, τf=2 ppm/℃의 유전특성을 가진다. 그러나 Ba2Ti9O20는 비교적 환원되기 쉽기 때문에 소결 시 환원을 방지하여야 한다. 환원을 억제하려면 소결 후 냉각시 서냉하는 방법과 1100℃ 부근에서 재산화 하는 방법이 있다. 또한 WO3, Mn을 첨가하면 Q값과 온도계수가 개선되는 것으로 나타났다. 이 재료는 가격이 저렴하다는 장점이 있어 통신 기기 등의 유전체 필터, 듀플렉서(Duplexer)에 많이 적용되고 있다. (3) BaO-Ln2O3-TiO2 계열 BaO-Ln2O3-TiO2 계열은 BaO-TiO2계 중 에서 TiO2 량이 많은 영역에 희토류 화합물(Nd2O3 , Sm2O3, La2O3 등)을 첨가한 것으로 이 물질은 고유전율 조성으로 처음으로 개발된 유전체 조성이다. 일반적인 고상법의 합성으로는 단일 상을 얻는 것이 어렵고, 여러 상이 혼합상으로 존재하여, 이러한 상들의 혼합효과에 따라 마이크로파 유전특성이 조절된다. BaO-Nd2O3-TiO2는 유전율 ε=70~90, Q*f= 1,000, τf=-100ppm/℃의 유전특성을 가지고 있으나, 온도계수가 비교적 높다. 따라서 온도 특성을 개선하기 위하여 BaO에 대신에 PbO을 일부 치환한 (Ba,Pb)O-Nd2O3-TiO2 (BPNT)은 유전율 ε=90, Q*f=5,000, τf=0ppm/℃에 가까운 우수한 특성을 나타낸다. 이 재료는 다른 재료에 비해 Q*f가 비교적 낮지만 유전체 손실보다는 도체 손실에 의해서 크게 좌우되는 동축 공진기용 필터 등에는 사용 가능한 유전특성을 보이기 때문에 대부분 이 재료가 적용되고 있다. 라. 복합 perovskite 계열 이 재료는 마이크로파 유전체 재료 중에서 가장 높은 Q값을 갖는 재료이며, 위성 방송등 10GHz 이상의 높은 주파수대에서 이용되는 경우가 많다. ABO3형 화합물로서 B site가 2종의 원소로 구성되어진 복합 페로브스카이트 화합물이 많이 알려져 있으며, 이중에서 Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 (BZT)와 Ba(Mg1/3 Ta2/3)O3 (BMT)가 우수한 특성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 이들이 우수한 유전특성을 나타내는 것은 B자리 원자(B, B’)가 일정한 비율로 규칙적으로 배열하여 초격자(superlattice)구조를 형성하는 것과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고 되었으며, 주로 1:2 양이온 규칙화와 마이크로파 유전특성의 상관관계에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 특히 Kawashima 등은 소결 시간에 따른 품질계수(Q), 밀도의 변화를 나타내었다.(그림 3) 이들은 X선 회절결과를 토대로 BZT의 소결 시간에 따른 Q값(품질계수)의 증가를 격자 비틀림(lattice distortion)으로 설명하였으며, 이런 격자 비틀림은 Zn와 Ta의 1:2 규칙화가 형성됨에 따라 (422)와 (226)회절선의 분리현상이 관찰된다고 하였다. 또한 Zn와 Ta의 1:2 규칙화 구조와 함께 Zn의 손실이 유전특성의 향상과 밀접한 관계가 있다고 설명하였다. 또한 Nambu등은 Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 복합 페로브 스카이트에서 마이크로파 영역에서의 유전손실을 B자리의 규칙구조로부터 계산하였다. 이들은 규칙구조가 불규칙구조에 비해서 격자에너지(lattice ener gy)가 낮으며, 또한 유전손실도 낮아지는 것을 설명하였다. 결정구조(규칙화)와 마이크로파 유전특성의 관계를 종합 보면 유전체의 불균일에 기인한 인자를 제외하면, 품질계수는 양이온 규칙화, 결정구조(crystal symmetry)와 이온 결합 에너지 등에 영향을 받는 것으로 보고 되고 있다. 그러나 BZT와 BMT는 난소결성 재료이며, 소결성과 온도특성을 개선하는 목적으로 미량의 첨가물을 첨가하거나 합성 방법 등 공정개선을 통해서 실용화하고 있다. BZT는 유전율 ε=29, Q*f=130,000, τf=0ppm/℃ 의 유전특성을 가지고 있으며, 최근 Ta 가격의 하락과 통신부품의 품질향상 요구가 증가함에 따라 품질특성이 우수하고 공진주파수 온도계수가 거의 자체적으로 0인 이 재료의 수요가 증가하고 있다. 중계기용 필터, DRO등에 적용되고 있다. BMT는 유전율 ε=25, Q*f=200,000, τf=3ppm/℃ 의 유전특성을 가지고 있으며, 모든 마이크로파 유전체 재료 중에서 가장 높은 품질특성을 가지고 있다. 이 재료는 위성통신, 레이다 시스템, 고속 무선LAN, B-WLL등 수십 GHz의 밀리미터파 영역에서 많이 적용될 것으로 보인다. 5. Pb계 perovskite계열 A site가 Pb인 페르브스카이트는 압전체 재료인 Pb(Zr,Ti)O3 나 저온소결 콘덴서 재료인 Pb(Mg, Nb)O3 등의 개발이 주로 이루어졌으나, 최근 이 물질을 마이크로파 유전체에 이용하기 위한 개발이 진행되고 있다. 주로 A site의 Pb 일부를 Ca로 치환하거나, 다른 페로브스카이트 물질을 고용함으로서 만들고 있으며, 그 대표적인 조성은 강유전체 재료인 Pb(Fe1/3 Nb2/3)O3과 반강유전체 재료인 Ca(Fe1/3Nb2/3)O3 의 고용체인 (Pb,Ca)(Fe1/3Nb2/3)O3 (PCFN 조성) 으로 유전율 ε=90, Q*f=5,000, τf=2ppm/℃ 의 유전특성을 나타내고 있다. 6. 마이크로파 유전체 재료의 합성 앞에서 언급한 대부분의 마이크로파 유전체 재료는 통상적인 고상합성법(solid-state processing) 에 의해서 주로 합성되어 실용화되고 있다. 소결특성을 개선하고, 안정한 상(phase)의 조성을 합성하기 위해서, dopant의 첨가, 나노 powder의 사용, 비화학양론 조성의 개발 등의 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나, 일반적인 고상합성법으로는 단일상을 얻는 것이 어렵거나, 마이크로파 유전특성을 개선하기 위해서 다른 합성법을 연구한 사례는 있다. 고상합성법 이외의 방법으로 합성한 예를 간단히 소개하고자 한다. 마이크로파 유전체 조성 중에서 BaO-TiO2계 화합물은 앞에서도 언급하였지만 여러 가지 다양한 상(phase)이 존재하고, 일반적인 합성방법으로는 제거하기 힘든 제2상의 형성으로 단일상의 BaTi4O9, Ba2Ti9O20 조성을 얻기가 어렵다. 그러므로 금속 알콕사이드 가수분해 법(Metal Alkoxide hydro lysis), 졸겔법(Sol-gel process)등을 이용하여 치밀한 단일상과 소결체를 얻어서 마이크로파 유전특성을 개선한 보고가 있다. 그림 4는 Ba2Ti9O20 조성의 합성방법을 나타낸 것으로 1230℃ 이상의 온도에서 Ba2Ti9O20상이 안정하게 존재하고, 소결성이 좋아지는 것을 알 수 있다. 특히 가수분해시 알콕사이드 농도는 생성입자의 응집상태, 형태에 크게 영향을 미치고 있으며, 합성 시 용액중의 이온농도가 낮은 것이 우수한 마이크로파 유전특성을 나타내었다. 이 경우 10GHz에서 유전율ε=40, Q값=2,850의 비교적 양호한 특성을 보였다. 이외에도 SnO2, ZrO2를 미량 첨가함으로서 단일상의 Ba2Ti9O20를 제조할 수 있으며, 최근 BaSnO3를 첨가하여 반응성을 증가시켜, 단일상의 Ba2Ti9O20를 합성하고 마이크로파 유전특성을 향상시켰다. 또한 난소결성 재료로 알려져 있는 복합 페로브스카이트 구조의 Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT) 을 합성하기 위해서 졸겔법 (Sol-gel process)등을 이용한 사례가 있다. 그림 5는 BMT의 합성을 위해서 사용한 졸겔법에 대한 설명이다. 여기서는 이 방법을 이용하여 600℃의 아주 낮은 온도에서 합성할 수가 있었으며, 98.4%의 밀도를 갖는 재료를 소결 조제(sintering aids)없이 얻을 수가 있었다. 7. 결론 지금까지 마이크로파 유전체 재료의 조성과 합성방법에 대해서 간단히 살펴보았다. 통신 산업의 발달에 의하여 전 세계적으로 통신부품에 사용되는 주파수 대역이 점점 마이크로파 영역으로 이동하고 있다. 특히 위성방송, 위성통신, 무선 랜 등의 높은 주파수 영역에서 이용되는 응용제품은 회로설계, 패키징등 다양한 기술이 필요하지만 기본적으로 응용분야에 맞는 유전체 세라믹 소재 개발은 무엇보다도 중요하다. 사용주파수가 증가하게 되면 공진주파수의 파장이 짧아지므로 저절로 크기가 작아지게 된다. 따라서 초고주파화 할 수록 유전체의 선택은 높은 유전율보다는 높은 Q 값을 갖는 재료를 선택하게 된다. 물론 유전율도 높고, Q 값도 높으면 좋지만 현재 나와 있는 재료를 보면 유전율이 높은 재료일수록, Q 값은 작아지는 경향이 있어 여러 특성 값을 고려하여 재료를 선택해야 한다. 보다 높은 Q 값을 얻기 위해서는 원료의 순도, 원료의 합성방법, 소결 방법등 세라믹 제조 process 전반에 걸친 검토가 필요하다. 또한 유전율이 90이상인 재료에 대한 개발이 진행되고 있으며, 이것은 Q 값과 같이 제조공정의 개선보다는 보다 높은 유전율을 갖는 새로운 조성의 발견이 필요하다. 앞으로 높은 Q 값, 높은 유전율, 저온 소결 등을 위한 재료 및 공정개발에 많은 연구와 투자가 활발히 진행 될 것으로 전망된다.