2-5Hz대역 Ba계 유전체 원료 개발 및 응용

김성열 익스팬테크 (주)대표이사

1. 2-5Hz 대역 Ba계 유전체 원료 개발 및 응용
최근 통신 정보량의 증가와 더불어 위성방송, 위성통신 및 무선전화기, 이동전화기 등 이동통신의 MICROWAVE를 이용한 통신 시스템이 현저하게 발전하고 있으며 이러한 뉴미디어의 실용화에 따른 통신시스템 부품인 공진기(RESONATOR), 대역통과 FILTER 및 마이크로파 집적회로 등의 개발이 증대되고 있다. 정보통신 시스템에서 여파기는 신호주파수만을 여과하여 통화품질을 향상시키기 위해 필수적으로 사용되는 부품이다. 이러한 여파기는 1개 이상의 공진기를 결합시킨 구조로 구성되며, 하나의 안테나를 이용한 전파의 송수신이 가능한 듀플렉서(DUPLEXER)로의 사용과 송ㆍ수신기능의 향상을 위하여 수신부와 송신부에 사용하는 대역 통과여파기(BAND PASS FILTER)가 사용된다. 일반적으로 안테나를 통해 송수신하는 과정에는 Power 손실이 많이 일어나게 된다. 이런 Power의 손실은 보통 삽입손실(Insertion Loss)이란 용어로 나타내며 삽입손실이 적을수록 Power가 효율적으로 쓰이게 된다. 삽입손실이 큰 경우는 Power의 손실을 보상하기 위해 시스템 내에 더 큰 용량의 Amp가 필요하게 되며 그러한 측면에서 Power 손실의 감소는 제품의 성능이나 가격 면에서 큰 장점을 가지게 되고 손실이 작은 만큼 발생되는 열의 양이 적어지고 제품의 온도안정성의 측면에서도 고려대상이 된다. 아울러 주파수 선택성(Frequency selectivity)이 높아야 인접대역과의 혼신 및 잡음이 적고 주파수대역의 활용성이 높아 통신품질향상과 용량이 증가 하게 된다.
이들 여파기의 구성 시 공기를 유전체로 이용한 금속CAVITY형 공진기의 경우 유전체 공진기형과 비교할 때 전기적으로는 삽입손실이 낮은 장점은 있으나, 외형적으로는 부피가 크고 무거우며, 높은 열팽창계수로 인해 주파수에 대한 온도특성이 좋지 않은 단점을 안고 있다. 따라서 공기보다 유전율이 높고, 품질계수가 높으며, 주파수온도특성이 우수한 재료가 필요하게 되며, 이를 만족시키기에는 고유전율/저유전 손실의 낮은 주파수온도특성을 갖는 세라믹유전체 공진기가 가장적합하다. 
2. 2-5Hz 대역 Ba계 유전체 원료 개발
전력 공급과 통신용 절연애자로 석영자기(quartz porcelain)를 사용하기 시작한 이래, 세라믹 재료 대한 관심이 커져 1900년대에는 seatitie, 1930년대에는 rutile, 1940년대에는 캐패시터재료로 각광받고 있는 페로브스카이트구조(Perovskite structure : ABO3)의 유전체재료가 등장하게 되었다. 이어서 CaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, PbTiO3 등 다양한 형태의 페로브스카이트를 합성과 더불어 이들 재료를 적정한 비율로 혼합하여 다양한 특성을 구현할수 있게 되었으며, 또한 ABO3의 각각의 자리를 적절하게 다른 원소로 부분적으로 치환, 즉  A자리는 Ba, B자리는 Co와 Zn 및 Nb, Ta를 치환한 (Bax)((Co1-yZny)Nb)O3 및 Ba(ZnxTa1-x)O3형(Ax)((B1-yB’)B”)O3 type), A와 B자리를 치환한 (Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3형((A1-xA’x)(B1-yB’)O3 type)등의 복합페로브스카이드구조 유전체재료를 합성하기에 이르렀다.
가. 결정학적 구조
이러한 복잡한 perovskite 산화물은 개질(modify)시 구조의 안정성을 유지하기 위해서는 양이온-음이온의 이온 반경이 적절해야 하고, 양이온-음이온 상호 간에 강한 이온적 결합을 만족시켜야 한다. 이들 여러 가지 복합 perovskite [A(B1B2)O3] 중 B site의 B1과 B2가 불규칙한 배열을  하는 불규칙 perovskite로서 강유전체인 반면, 각각 1:1 규칙과 1:2 규칙(Fig.1)인 Ba(ZnxTa1-x)O3, Ba(Mg1/3Ta2/3)O3는 품질계수가 매우높은 재료중의 하나이다. 즉 B-site의 이온배열 (ionic arrangement)의 규칙성(ordering)은 강유전성에 결정적 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
나. 규칙과 불규칙(ordering and disordering)
구조적 불규칙은 외부 전기장에 민감하며 전기장에 의한 배열변화(configurational changes)로 인해 유전적, 탄성적, 전기 기계적 특성에 기여하고, 저온에서는 유리와 같은 거동을 한다.  결정 내 B1과 B2의 조성 유동성은 큐리온도 부근에서 고온의 상유전 영역과 저온의 강유전 영역이 긴밀한  혼합을 이루며 온도가 내러감에 따라 점차 분극이 증가되는, 즉 Smolenskii등이 제시한 가설에 의하면 불규칙(disordered)상태에서는 분산완화(dispersive relaxor)거동, 규칙(ordered) 상태에서는 급경사 일반 강유전전이(sharp normal ferroelectric transitions)를 한다.
다. 유전체재료의 합성
종래부터, 비유전율(εr)이 크고, 품질계수(Q : Quality factor)가 높고, 또한 공진주파수의 온도계수의 절대값이 작은 유전특성을 필요로하는 마이크로파 및 밀리미터파 등의 고주파 영역에서 사용하기 위한 유전체로서 각종의 조성이 개발되고 있다. 일반적으로 알려진 재료계열의 비유전율(εr), 품질계수(Q), 주파수온도계수(τf:Temperature Coefficient of Frequency)를 보면 다음과 같다.
0.85MgTiO3-0.15CaTiO3: εr= 19, Qu= 16,000, τf= 0±10 ppm/℃, f0= 3㎓; 
BT9(Ba2Ti9O20): εr= 38, Qu= 22,000, τf= 0±4ppm/℃, f0= 1.8㎓; 
ZST[Zr(1-x)SnxTiO4]: εr= 37, Qu= 25,000, τf = 0±2ppm/℃, f0= 1.8㎓
BZT[Ba(Zn1/3Ta2/3O)3]: εr= 30, Qu= 10,000, τf= 0±2ppm/℃, f0= 10㎓;
BMT[Ba(Mg1/3Ta2/3O)3]: εr= 25, Qu= 17,000, τf= 0±2ppm/℃, f0= 10㎓;
이들 재료는 재료의 특성상 저유전율일수록 고주파에서 품질계수가 높은 관계로 3세대 이동통신과 무선랜에 이용되는 2㎓이상의 대역에서는 BZT와 BMT를 사용 하는 것이 바람직하며, 특히 초고속 무선랜, 4세대 이동통신 등에 이용되는 5㎓이상의 대역에서는 BMT의 적용이 바람직하다. 복합 페로브스카이트계 유전체원료는 구조식에서도 볼 수 있듯이 단순  페로브스카이트계에 비하여 합성이 매우 어려운 단점이 있다. 일반적으로 Ba(M´1/3M"2/3)O3복합 페로브스카이트계 기본조성의 일부를 다른 원료로 치환하거나, 또는 기본조성에 유전율의 미세조절과 주파수 온도특성의 미세제어를 위한 부원료 및 환원방지, 유전손실, 소결성 등을 향상시키기 위한 소량첨가물의 투입 등 조성에 대한 다양한 연구(표1)가 진행되고 있다. 특히 제조 시 특성의 재현성이 어렵다는 것이 가장 큰 단점이 되는데, 그 이유는 혼합공정중의 각 원료의 균질한 혼합이 어렵고, 소결중의 성분의 일부가 휘발로 인한 산소결핍이 발생하고 및 불균일한 혼합 및 불균질한 반응으로 인해 유전특성이 불균일하여지기 때문이다.

3. 2-5Hz 대역 Ba계 유전체 원료 응용
가. 공진기용 유전체의 주요 요구 특성
고주파에 응용되는 유전체세라믹재료의 주요 요구 특성은 다음과 같다.
첫째, 유전율(εr) : 아래 식(1)과 같이 √ε에 비례하여 공진기의 크기를 소형화 할 수 있기 때문에 사용주파수에 따라 품질계수가 저하되지 않는 범위 내에서 유전율이 커야한다. 
-------------------------- (1)
둘째, 품질계수(Q) : 품질계수(Q×f0 = CONSTANT)가 높아야 한다.
   ---------------------- (2)
                                              --------(3)

셋째, 온도계수(τf) : 공진주파수의 온도계수가 작아야 하며,
식 (1)을 다시 표현하면
       ---------------------(4)
가 되며, 이것을 온도에 대하여 미분하면,
                  -------------(5)
가 된다. 이 (5)식에서 (              )는 공진주파수의 온도계수(TCf)이며 (          )는 선팽창계수 αL이고, (              )는 유전상수의 온도계수(TCf)이다. 이식을 다시 쓰면
------------------(6)
가 된다. 따라서 선택주파수를 통과시키는 여파기의 특성상 온도에 따른 안정된 주파수 특성을 가져야 하므로 유전체의 온도계수는 작아야 한다.
나. 여파기 설계
일반적으로 여파기에는 저역통과, 고역통과, 대역통과, 대역저지 등이 있으며, 대역통과 여파기를 설계 및 제작하기 위해서는 먼저 여파기에서 요구되는 사양을 구체적인 수치로 결정해야 하는데 일반적으로 대역통과 여파기에서 정의 되어야할 항목들은 표 2와 같으며, 표 2의 요구사항 중에는 상호 대립되는 성질을 내포하고 있어 주어진 조건하에서 여파기를 설계 시 동시에 사양을 만족 시킬 수 없는 경우가 발생하므로 각각의 항목들이 시스템에 미치는 영향을 면밀히 검토한 후 최적의 상태에서 절충하여 설계하는 것이 중요하다. 공진기의 Q를 키우기 위해서는 공진기를 크게 제작해야 하는데 이는 제한된 공간 내 실장운용을 목표로 하는 경우에 있어서는 허용되지 않는 경우가 많으며 회로의 구성 소자의 개수를 줄여 여파기의 손실을 줄이는 경우 저지대역에서의 감쇠특성이 나빠지는 것을 감수 해야 한다.
일반적으로 여파기에 사용되는 공진기의 모드로는 동축 공진기(TEM MODE), 공동공진기(TE MODE),유전체 공진기(TE01б MODE)등이 있으며, 본 여파기의 설계 시 사용될 유전체 공진기의 기본형은 다음 그림 2와 같다.
원하는 주파수의 유전체 공진기 크기는 아래의 식으로부터 구할 수 있다.
                ------------------ (10)
여기서
     f0 : 대역통과 여파기의 중심주파수(㎓)
     a : 유전체 공진기의 반경(㎜)
     H : 유전체 공진기의 높이(㎜)
            0.5<<2  ,  30<εr<50
다음으로 공진기간의 결합구조 결정을 알아보면, 여파기의 설계과정은 사양을 결정한 다음 여파기가 포함해야할 공진기의 숫자와 종류 크기를 결정하고 각각의 공진기를 여파기의 기구적 사양에 적합하도록 배열한 다음 이들을 순차적으로 결합시킴으로서 완성되는데 이때 결합의 양은 여파기를 제작 후 각 공진기 사이에 적당한 크기의 창을 만들고 결합조절용 나사를 이용 실험적으로 결정하는 것이 여러 종류의 여파기 제작에 사용되는 일반적인 방법이며, 보다 정밀한 설계가 요구 될 때는 각종 SOFT
WARE를 이용하는 것이 편리하다.
공진기간 결합구조 결정은 송신(Tx)용 여파기의 경우 수신 대역에서의 감쇠특성을 좋게 하기 위하여 전계에 의한 결합방법을 수신용(Rx) 여파기의 경우 반대의 이유로 자계에 의한 결합방법으로 하는 것이 바람직한데 유전체 공진기의 경우 자계에 의한 결합만이 가능한 것으로 알려져 있으며 자계 결합을 위한 기본적인 창 구조는 그림 3과 같다. 그러나 단순히 여파기의 삽입손실을 개선하기 위해 유전체 공진기(TE01 MODE)만을 이용하는 경우 사용 주파수 대역의 인접한 대역으로부터 매우 복잡한 SPURIOUS MODE가 발생하는데 이는 통신시스템이 불필요 신호를 송출 또는 유입 하게끔 하여 시스템의 성능을 저하시키는 원인이 되므로 일반적으로는 동축공진기와 고품질계수의 유전체공진기를 조합하여 삽입손실이 적으며 SPURIOUS MODE의 제거가 가능한 송수신 여파기를 구성하게 된다.

그림 1. Ordered arrangements of B site ions in complex perovskites
                     (a)simple type (b)1:1 order type (c)1:2 order type 
그림 2. Cavity with Dielectric   Resonator(TE01δ Mode)
그림 3. 자계 결합을 위한 창구조

김성열
1986. 한양대학교 무기재료공학과(학사)
1988. 한양대학교 무기재료공학과(석사)
1994. 한양대학교 무기재료공학과(박사)
1985~‘90 삼화콘덴서 주임연구원
1996~‘97 태평양시스템 생산부 차장
1998~현재 익스팬테크(주) 대표이사

<본 사이트에는 식과 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>