鄭長鎬 공학박사 / (주)한원마이크로웨이브 종합기술연구소 소장 1. 서론 최근 정보 산업의 발전 및 통신 정보량의 증가에 따라 유선 통신 및 마이크로파에 의한 무선통신 분야의 전자 산업이 급속하게 발전되어왔다. 이중, 마이크로파 통신은 레이더와 위성통신 등 주로 군사용으로 사용되어 왔으나 휴대 전화 등의 이동통신과 위송방송 등 점차 민생분야로 확대, 발전되고 있는 실정이다. 마이크로파 통신기기에 사용되는 세라믹 유전체는 1) 유전상수에 비례하여 필터의 크기가 감소하므로 소자의 소형화를 위한 높은 유전상수 2) 공진 주파수의 선택성을 좋게 하기 위한 높은 품질계수 3) 온도 안전성을 위한 낮은 공진주파수의 온도계수 특성을 가져야한다. 이러한 세라믹 유전체는 필터, 오실레이터 등과 같이 마이크로파에 의한 무선통신 구성요소의 핵심적인 성분으로 중요한 위치를 차지해왔다. 2. 필터의 개요 필터(Filter, 여파기)란 수많은 주파수(수Hz~수억Hz)중에서 사용하고자 하는 일정 대역만의 주파수를 선택하여 통과시키는 역할을 하는 것으로 말 그대로 파를 여과하는 장치이다. 이러한 필터는 통과하는 주파수 대역에 따라 다음과 같이 분류한다. 1) 저역통과필터(Low Pass Filter;LPF) : 일정대역 이하의 주파수만 통과시킨다. 2) 고역통과필터(High Pass Filter;HPF) : 일정대역 이상의 주파수만 통과시킨다. 3) 대역통과필터(Band Pass Filter;BPF) : 일정대역 주파수만(f1~f2) 통과시킨다. 4) 대역저지필터(Band-Stop Filter or Band-Reject Filter;BRF) : 일정대역 주파수만(f1~f2) 통과시키지 않는다. 5) 전 통과필터(All Pass Filter) : 모든 주파수 성분의 Magnitude는 통과시키고 위상만을 지연시키는 필터, Delay Line 선형 증폭기에 사용되며 실제 구현은 초 광대역 대역통과필터(Ultra Wide BPF)로 한다. 3. 기술동향 및 전망 가. 세라믹 유전체 필터 유전체 필터는 2개 이상의 세라믹 유전체 공진기(TEM-mode)가 C(Capacitance)와 L(Inductance)로 결합되어 필터 특성을 가지는 제품으로 기지국, 중계기 및 휴대 단말기 등 이동통신 기기에 사용된다. 세라믹 유전체 필터는 1~2GHz대역에 사용되는 이동통신 관련 기기에 주로 사용되어 왔으나 LTCC 및 SAW 필터의 개발, 발전에 따라 휴대 단말기용 소자로의 수요는 점차 감소하고 있다. 그러나 이후, DMB, W-LAN, Bluetooth, 위성통신 등 SAW 필터의 장점을 찾기 어려운 2.4GHz이상 고주파대역에서의 중계시스템 및 휴대단말기의 성장이 예상되어 향후 성장이 기대된다. 또한 음성에 국한되었던 무선통신이 문자, multimedia, 동영상 등으로 서비스영역이 확대됨에 따라 무선통신에 사용되는 주파수 대역이 5GHz 이상의 대역으로 이동이 예상된다. 따라서 5GHz 대역 고주파 영역 시스템에 대응하는 필터 수요도 증가할 것이다. 나. LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) 필터 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic ; 저온 동시 소성 세라믹)는 전자부품의 소형화 추세에 대응하여 개발되어온 적층 세라믹 기술로서 2차원 평면상에 제작되어온 소자를 다층의 세라믹층을 적층하여 3차원으로 제작함으로써 부품의 소형화와 다기능화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 현재 LTCC기술은 필터, 안테나와 같은 단순부품에서 다양한 기능을 복합적으로 수행하는 ASM과 FEM 등과 같은 모듈로 진보하고 있다. 주요 응용분야는 휴대전화의 필터, 안테나, 듀플렉서, ASM(Antenna Switch Module) 같은 통신부품에서 W-LAN, Bluetooth와 같은 근거리 이동 통신 분야로 확대되고 자동차 분야의 전장부품 및 의료부분으로의 응용이 시도되고 있다. 무선/고주파 통신 시장의 급격한 증가 추세에 따라 고주파에서 우수한 특성 및 고 신뢰성 구현이 가능한 Ceramic을 기초 소재로 한 LTCC 기술 응용 부품은 증가 추세에 있다. 또한 Passive 소자의 집적화, 소형화 및 낮은 유전손실 구현의 필요성 증대에 의하여 LTCC 기술을 응용한 제품이 폭 넓게 개발되고 있다. 향후 기판실장에 편리한 고밀도화, 소형, 박형, 경량화 및 통신기기, 산업기기 등의 소형, 경량화와 고기능화에 기여하고 무수축 저온소성 프로세스를 이용하여 시트 단위로의 실장이 가능하여 부품 및 모듈의 생산효율 향상에 기여할 것이다. LTCC는 필터와 같은 단순 부품 보다는 필터와 같은 단순부품을 포함하는 고부가가치 모듈형태로의 발전이 예상되고 그 발전 속도에 따라 시장의 증가도 예상된다. 다. BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터는 질화알루미늄(AlN)이나 산화아연(ZnO) 등 압전막의 상하를 전극층이 되는 금속막으로 샌드위치 구조로부터 완성되는 다층막에, 교류전압을 더하여 발생하는 압전막 본체의 세로 방향 공진 진동을 이용하는 박막소자 형태로 필터를 집적화한 것이다. 이러한 필터는 하부에 캐비티(Cavity)를 만들어 공진기를 자유롭게 진동시키는 방법을 이용한 FBAR(Film Bluk Acoust ic Resonator)와 하부에 음향 다층막을 만들어 벌크 탄성파를 반사시키는 방법을 이용하는 SMR(Solid Mounted Re sonator)로 나눌 수 있다. 필터의 성능은 FBAR가 위이지만 향후 반도체의 집적화까지를 고려한다면 SMR이 높은 것으로 평가되고 있다. 현재 휴대 단말기의 경우 SAW 필터와 LTCC에 의한 소형화가 진행되고 있으나 향후에는 FBAR가 소형화 추진의 원동력이 될 가능성이 높으며, 베어 칩 공급 곤란으로 SAW 필터 소형화의 한계가 보이기 시작하는 한편, BAW 필터는 wafer레벨의 패키지를 실현 후 Transceiver IC나 발열 소자와 일체화하는 모듈이 제품화될 것으로 전망된다. 이러한 모듈에서는 온도 특성이 높고 히트 사이클에 강한 Band Pass Filter가 요구되어 FBAR가 이러한 요구를 채울 가능성이 높다. 5GHz대역의 W-LAN은 BAW 필터에 의한 제품화 자체가 곤란한 것으로 예상된다. 다만, AV전송용으로 사용되는 5GHz대역의 W-LAN에서는 Band Pass Filter에 대한 요구가 높아질 것으로 예상되어 사용 대역이 BAW 필터의 커버 범위에 들어가면 채용 가능성은 있다. 그러나 수요규모 자체가 한정적이므로 유망한 용도라고는 할 수 없다. GPS 기능을 탑재하는 듀얼 밴드 CDMA의 Band Pass Filter를 포함한 Triplexer에서의 수요도 기대된다. 2003년 현재 BAR 필터의 가격은 80엔 정도로 2006년에는 SAW 필터의 가격의 1.5배와 동등한 34엔까지 저하가 예상되며, 향후 2013년경 SAW 필터의 가격과 동등의 15엔을 실현할 것으로 예상되며 2004년부터 2013년까지 연평균의 가격 저하율은 15.4%로 예상된다. 4. 결론 이동통신 부품시장의 기술적 동향은 하루가 다르게 급격하게 변화하고 있다. 따라서 시장 변화에 따른 단기적인 대처 보다는 보다 근본적이고 장기적인 개발노력이 진행되어야 할 것으로 생각되며, 부품의 기초를 이루는 유전체, 유기물, 무기물, 전극 Paste 등의 소재산업, 부품을 구현, 측정하는 장비산업 및 부품 제조업체간의 보다 긴밀한 협조체계가 더욱더 요구된다. 저역통과필터 고역통과필터 대역통과필터 대역저지필터 (a) 분리형 필터 (b) 일체형 필터 그림 1. 세라믹 유전체 필터의 종류 표 1. 세라믹 유전체 필터의 시장규모 추이 (단위:천개, 백만엔) 구 분 2002년 2003년 2004년 2005년 2006년 2007년 판매수량 120,600 125,600 135,500 145,500 155,500 165,500 전년비(%) 104.6 104.1 107.9 107.4 106.9 106.4 판매금액 32,500 33,500 34,400 35,400 36,400 39,400 전년비(%) 103.2 103.1 102.7 102.9 102.8 108.2 쪻출처 : Fuji Chimera Research Institute Inc. 유망전자부품 조사총람, 2003년, 2004년 표 2. LTCC 필터의 시장규모 추이 (단위:백만개, 백만엔) 구 분 2002년 2003년 2004년 2005년 2006년 2007년 판매수량 1,050 1,140 1,300 1,480 1,700 1,920 전년비(%) 106.1 108.6 114.0 113.8 114.9 112.9 판매금액 32,200 34,800 39,700 44,500 50,000 53,500 전년비(%) 107.3 108.1 114.1 112.1 112.4 107.0 쪻출처:Fuji Chimera Research Institute Inc. 유망전자부품 조사총람, 2003년, 2004년 표 3. LTCC RF 부품 시장규모 추이 (단위:억원) 구 분 2002년 2003년 2004년 2005년 2006년 2007년 판매금액 6,388 6,457 8449 9,798 12,240 15,292 전년비(%) 101.1 130.8 115.9 124.9 124.9 쪻출처:Navian, Advanced LTCC technology 2003, 삼성전기 2003 (a) FBAR (b) SMR 그림 2. BAW 필터의 종류 표 4. BAW 필터의 시장규모 추이 (단위:백만개, 백만엔) 구 분 2003년 2004년 2005년 2006년 2007년 2008년 2009년 2010년 판매수량 5,840.0 6,050.0 8,228.2 15,369.9 26,336.7 38,912.8 48,270.6 56,061.5 판매금액 23.0 36.0 54.5 94.3 155.6 226.3 289.9 433.3 표 5. Band Pass Filter의 타입별 비교 항목 BAW SAW Dielectric LTCC size ◎ 쫛 × △ Q Value ◎ 쫛 쫛 △ Insertion Loss 쫛 쫛 ◎ ◎ Power Handing 쫛 △ ◎ ◎ TCF 쫛 △ ◎ ◎ Air Handing 쫛 △ ◎ ◎ Price × ◎ △ ◎ Integration ◎ △ × ◎ For High Frequency 쫛 △ 쫛 쫛 Bandwidth △ 쫛 쫛 ◎ Unbalanced to balanced Not Available Available Not available Available Main Application CDMA Cell Phne Cell Phone WLAN 표 6. 국내·외 세라믹필터 업체 연구개발 동향 구 분 업 체 내 용 한원마이크로웨이브 소재, DR, 분리형 및 일체형 개발, 생산 쌍신 분리형 개발, 생산 국내 서광 분리형 및 일체형 개발, 생산 유전체 파트론 일체형 필터, 듀플렉서 국내개발, 중국생산 앱솔텍 일체형 필터, 듀플렉서 개발, 생산 Murata 소재, 일체형 개발, 생산 국외 Kyocera 소재, DR 개발, 생산 Trans Tech.(TCI) 소재, DR 개발, 생산 삼성전기 Chip Bead, Inductor, RF mobile device 개발, 생산 국내 한원마이크로웨이브 εr = 40분말 자체개발, BPF(3220, 2012) 개발, 생산중 RN2 Coupler 개발, 생산중, Triplexer 개발 LTCC 필코 고주파 Chip Inductor 개발 생산중 Mitsubishi GPS 수신 휴대전화용 분파기 국외 Kyocera 유전율=4~11, 자동차용 전장분야 부품 Dupont 묘듈용 소재, 전극재료, green sheet Samsung MEMS 기술을 융합하여 FBAR 상품화 추진 국내 LG FBAR 상품화 추진 ANT FBAR 시제품 출시, 양산 투자 BAW Agilent Techlogies FBAR Duplexer 등 대량생산 국외 Philips SMR 연구개발 TDK SMR 연구개발 Infineon TechnologiesS MR 연구개발, 소량생산