Special 5G 및 차세대 통신을 위한 소재부품 개발 동향(2)

5G 및 차세대 통신 구현을 위한 MLCC 기술개발 동향 및 전망

이순일_창원대학교 신소재공학부 부교수

1. 서론

5G 시대는 생각보다 빨리 우리의 일상생활에 접목되고 있으며, 그와 연결된 기술들이 급속도로 개발되고 있다. 현재 국내에서는 각 도시별 5G 기반 스마트 시티 및 자율주행 구현을 위한 인프라 작업이 이미 시작되었다. 이러한 5G 및 차세대 통신 구현을 위한 다양한 소재 부품 중에서 적층형 세라믹 커패시터(Multi-layer Ceramic Capacitor, MLCC)의 역할과 기술개발 동향에 대해 기술하고자 한다. 

그림 1. 5G 기반 스마트 시티 및 자율주행 시스템 (서울시-SKT 5G ‘C-ITS’ 구축, 상암 DMC 일대 자율주행 테스트베드 조성 사업) [1]

  5G 및 차세대 통신은 기존 4G LTE의 단순 모바일 기능을 뛰어넘어 IoT, AI, AR/VR, 스마트카, 지능형 로봇과 같은 인프라가 초연결되고 다양한 융복합 서비스 창출을 요구하고 있다. 이를 수용하기 위해 광대역 네트워크 기반의 대용량의 정보를 초고속/저지연/초연결 전송이 가능한 통신 시스템 개발과 이의 핵심요소인 전자기 소재 및 RF 부품 개발이 필요하다. 수십 GHz 대역의 차세대 통신용 소재/부품/시스템은 최근 해외 선진기관에서 활발히 개발 중이며, 기술 자립화 및 글로벌 시장 선점을 위해서는 전자기 소재 및 부품의 선제 개발이 필수적이다. 최근 5G 이동통신의 급격한 발달에 따라 요구 되어지는 주파수 대역이 고주파 대역으로 급속하게 이동되는 경향이 있으며, 5G 주파수는 LTE보다 파장이 짧아져 신호를 멀리 전달하는데 어려움이 있어 여러 개의 안테나를 한 방향으로 집중시키는 안테나 설계 기술을 통해 신호가 멀리 뻗어 나갈 수 있도록 하며, 따라서 더 많은 기지국과 중계기가 필요하게 된다. 또한 5G 스마트폰에서는 반도체와 RF(무선송수신) 부품 수가 늘어나기 때문에 부품 사이에 발생하는 전자파 간섭 현상을 막아주는 부품이 필수적으로 요구된다. 
  MLCC는 IC 등 능동 소자의 전원 공급 회로에서 노이즈(noise)를 분리하는 기능(decoupling), signal에서 DC 성분을 제거하는 기능, signal의 평탄화 기능 등[2] 전자 기기의 전류 흐름을 제어하고 전자파 간섭 현상을 방지하는 기능으로 반도체 등 회로에 안정적으로 전기를 공급하는 역할을 하는 전자 부품이며, 전자 기기의 전자 회로에서 수동부품의 60% 이상을 차지하고 있는 대표적인 수동소자이다. 이러한 기능으로 기존 스마트폰에 1000개 정도 들어가던 MLCC가 5G 스마트폰에는 1200개 정도 들어가 LTE 대비 20%가량 더 많이 사용된다. 기지국에도 MLCC가 더 많이 들어가게 되며, 앞서 언급하였듯이 고주파를 사용하는 5G 기지국의 커버리지(서비스 가능 지역)는 LTE보다 짧아서 실내·외 중계기가 대폭 늘어나게 된다. 5G 기지국 1개당 1만6000개 정도의 MLCC가 들어갈 것으로 업계는 추정하고 있다.[3,4] 따라서, 5G 인프라 구축에 MLCC는 필수 요소로 꼽힌다.

2. 커패시터의 개요

Capacitor(커패시터, 콘덴서)는 기본적으로 그림 2와 같이 두 전극 사이에 유전체 물질(전기적 유도 작용을 일으키는 물질)을 넣고 전하를 저장하거나 다시 방전시키는 부품이다. 정전 용량, C는 아래와 같은 식으로 표현된다.        
여기서, ε0와 εr은 공기 및 유전체의 비유전율을 나타내고, d는 전극간 거리 혹은 유전체 두께이며, A는 유효 전극 면적을 나타낸다. 따라서 식(1)에서 확인할 수 있듯이 유전체의 비유전율을 높이고, 유효 면적을 넓혀 크게 만들고, 유전체의 두께를 얇게 만들면 정전 용량을 높일 수 있다. 주어진 유전체 물질을 이용해 정전 용량을 높이고 동시에 소형화를 위해서 개발된 커패시터가 MLCC이다. 유전체 박층을 가능한 얇게 많은 층을 적극과 함께 층층이 쌓으면 정전 용량은 아래의 식과 같이 증가하게 되며, 현재 사용되는 전자 기기의 소형화가 가능하게 되었다. 여기서 n은 그림 1(b)과 같이 내부 전극 적층수를 나타낸다.

그림 2. (a) 일반적인 커패시터의 구조와 (b) MLCC 구조 [출처: 삼성전기]

  MLCC는 반도체와 함께 대다수의 전자제품에 필수로 들어가기 때문에 ‘산업의 쌀’로 불리며, 전자회로에 탑재되는 만큼 MLCC의 크기는 머리카락 두께인 0.3mm와 비슷한 0.4mm*0.2mm부터 5.7mm*5.0mm 까지 다양하다. 그림 3과 같이 쌀알보다 크기가 작지만 MLCC 내부는 500~700층의 유전체와 전극이 겹쳐져 있다.  

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