張宰赫 공학박사 / 삼성전기(주) GIC 공진의 정의 모든 RF 시스템은 서로 사용하는 주파수대역이 정해져있기 때문에 개별 시스템이 사용하는 특정 주파수 성분만 정확하게 선택하여 처리해야 한다. RF 시스템에서 공진의 의미를 넓게 정의하면 바로 특정 주파수에 대한 선택적 특성을 가지는 현상이라고 할 수 있다. 이러한 공진의 발생을 크게 구분하면 전기적 공진과 구조적 공진으로 나눌 수 있다. 전기적 공진은 일반적으로 LC 공진을 의미하는데, 순간적인 전자기 에너지의 축적과 방출 특성에서 정 반대의 주파수 특성을 보이는 L(inductor)과 C(capacitor) 값의 조절에 의해 특정 주파수에 대해 선택적 특성을 만들 수 있다. 구조적 공진은 내부가 공기 또는 유전체로 채워져 있는 금속 통을 의미하는 cavity의 개념이 사용된다. cavity의 형태는 도파관처럼 사각형(rectangular)과 원통형(cylinder)이 있으며, 공정편의상 대부분 rectangular cavity가 많이 사용된다. 전자기파동은 cavity의 형태에 따라 여러 가지 mode로 공진을 하게 된다. 공진이 특정 주파수의 선택 특성을 말하는 것이기 때문에, 얼마나 정확하게 주파수를 선택해낼 수 있는가를 의미하는 지표가 필요하다. 이 값이 품질특성치 Q(quality factor)이며 그 정의는 아래와 같다. QL=loaded quality factor, fo, fH, fL, Δf는 그림 1 참조 QU=unloaded quality factor, IL=insertion loss Qd=dielectric quality factor Qc=conductive quality factor Qr=radiative quality factor 공진주파수점에서 양쪽으로 3dB, 즉 S parameter가 반으로 감쇄되는 지점의 주파수간의 차이를 3dB 대역폭이라고 하는데(그림 1 참조), 공진주파수를 3dB 대역폭으로 나눈 것이 바로 Q값이다. 즉 공진특성이 샤프할수록 3dB 대역폭은 좁아지고 Q값은 커지게 된다. Q가 작으면 대역이 넓다는 의미이고 Q가 크면 대역이 좁다는 의미이다. Q값은 대체로 커야 좋은 경우가 많지만, 역으로 작아야 할 경우도 있기 때문에 단순히 어떤 값이 좋다고 말할 수 없으며, 그보다는 Q값을 통해 어느 정도의 선택도와 대역폭을 가지는가를 이해하는 것이 중요하다. 유전체 공진기 유전체 공진기(dielectric resonator)는 유전체 세라믹의 공진특성을 이용하여 일정 주파수의 공진특성을 나타내는 공진기로, 형태로는 구조적인 공진이지만 공기 대신에 고유전율을 갖는 유전체를 사용하는 점에서 일반 cavity와 차이가 있다. 마이크로파 발진기에 응용되는 유전체 공진기는 유전율 10~100 정도를 갖는 유전체를 사용하여 내부가 공기로 되어 있는 cavity에 비하여 크기를 축소해 놓은 형태가 된다. 유전체 공진기의 공진주파수는 유전체의 크기와 모양, 유전체 외부의 금속벽에 의해 결정이 된다. 유전체를 가공하여 공진기를 만드는 개념은 1939년 Richtmyer에 의해 처음으로 소개가 되었다. 이 후 1960년에 Okaya에 의해 고유전율 유전체의 공진 현상이 재발견되면서부터 전자공학 분야에서 유전체 공진기에 본격적인 관심을 가지게 되었으며, 1962년에는 Okaya와 Barash에 의해 유전체 공진기에 대한 모드 해석이 최초로 시도되었다. 1968년에는 마이크로파 필터에서 독보적 업적을 남긴 S. B. Cohn에 의해 rutile 세라믹(TiO2)을 이용하여 유전율 100 정도에 무부하 품질계수 10000 정도의 공진기가 소개되었다. 유전체 공진기의 일반적인 형태를 그림 2에 나타내었다. 그림 3의 공진기 발전 동향을 보면 각 공진기의 형태가 서로 장단점을 가지기 때문에 주파수 특성 뿐 아니라 내전압 특성, 크기, 가격 등을 종합적으로 고려하여 선택하여야 한다. 유전체 필터 현재 생산되는 유전체 필터는 온도에 안정하고 낮은 유전손실을 갖는 BaTi4O9 조성을 기본으로 제작된 것이 대부분이다. 마이크로파 필터는 유전체 공진기와 마찬가지로 작게 만드는 것이 점점 더 중요해지고 있다(그림 4 참조). 소형화를 위해서는 보다 높은 투자율을 갖는 조성을 개발하거나 다층 구조를 갖는 디자인을 개발해야 한다. 최근 유전체 필터는 높은 투자율을 갖는 조성을 이용하여 크기를 크게 줄일 수 있었으나, 다음 세대의 주축은 다층구조를 갖는 필터가 될 것으로 예상하고 있다. 다층구조를 갖는 필터는 한 개 만으로도 일반 필터의 몇 개의 역할을 할 수 있기 때문에, 상업화를 위해서 조성과 전극 개발, 그리고 다층구조를 만드는 제조방법 등에 많은 연구가 활발히 이루어지고 있다. 다층구조를 구현하는 제조방법으로는 은(Ag), 금(Au), 또는 환원분위기하에서의 구리(Cu) 전극 등 높은 전기 전도도를 갖는 금속전극과 glass 조성을 갖는 유전체 세라믹스를 900℃ 이하의 저온에서 함께 동시에 소성할 수 있는 LTCC(low temperature co-fired ceramics) 기술이 대표적이다. 다층 구조를 갖는 필터가 제대로 성능을 발휘하기 위해서는 내부 전극이 다음과 같은 조건을 완벽하게 만족시킬 수 있어야 한다. 우선 다층 필터가 원하는 주파수를 갖게 하기 위해 정확한 내부전극 패턴을 갖고 있어야 한다. 또한 세라믹과 전극의 계면이 거칠어지면 유전 손실이 커지기 때문에 전극 층은 충분히 치밀해서 전도도가 높고 손실이 적어야 한다. 유전 필터는 앞으로 다층구조를 갖거나 단층구조를 갖거나 어떤 경우라도 저온동시소성 세라믹 패키지(LTCC packa ges)나 표면음파소자(SAW, surface acoustic wave devices)와 경쟁해야 할 것으로 예상되는데, 그 이유는 앞서 언급한 바와 같이 패키지가 내부에 필터성분을 포함하는 형태로 발전하여 급속히 소형화 될 것이기 때문이다. 듀플렉서 하나의 선로를 통해 여러 신호를 보내고 그것을 다시 모으거나 분배하는 부분을 multiplexer라 하며, 그중에서 하나의 경로를 두 개의 신호(보통 송신신호와 수신신호)가 공유할 때 그 부분을 duplexer라 한다. RF에서 하나의 전송선이나 안테나를 이용하여 송수신 신호를 함께 공유하려면 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째가 동일한 주파수를 가진 두 개의 신호를 시간차를 두고 송신신호와 수신신호가 교대로 같은 경로를 이용하게 하는 time domain duplex (TDD) 방식이다. 연속적인 통화가 있는 경우는 시간을 아주 잘게 쪼개서 송신과 수신 신호를 디지털 샘플링해서 보내고 받는다. 대표적인 경우로는 시티폰이라 불리던 CT-2 서비스가 있으며, 유럽의 이동통신 방식인 GSM, TDD방식의 진화된 형태인 TDMA가 이에 해당된다. wireless LAN의 경우도 데이터를 송신하고 수신하는 것을 시간적으로 분할하는 TDD방식이 이용되고 있다. 두 번째는 송신 주파수와 수신 주파수를 다르게 사용하는 frequency domain duplex(FDD) 방식이다. CDMA나 AMPS가 대표적인 경우로서, 송신 주파수와 수신 주파수가 다르기 때문에 시간차를 두고 보낼 필요가 없다. 단지 주파수가 다르다고 해서 서로 다른 두 개의 안테나를 쓰는 것은 비용이 증가하고 모양이 좋지 않으며 근접 안테나 간에 간섭 등이 발생하는 문제점을 갖기 때문에, duplexer를 사용함으로써 FDD방식의 송신-수신-안테나 단을 연결하여 하나의 안테나를 공유한다. 듀플렉서의 종류에는 부품결합형, 일체형, 적층형, SAW형 등이 있다. 그림 5는 일체형인 세라믹 모노블럭을 사용한 듀플렉서의 예이다. 마이크로스트립 공진기 마이크로스트립(microstrip)은 고주파용 distributed 회로를 구현하는데 널리 사용되는 형태로, 바닥에는 전체적으로 GND를 형성하고 윗면에는 신호선 만을 배치하여 신호선과 GND 사이로 신호가 전송되도록 한 회로구조이다. 고주파 특성상 일반 PCB로 구현할 경우 PCB의 유전품질계수(dielectric quality factor)가 낮아 손실이 크기 때문에 테프론/듀로이드 등 유전품질계수가 높은 재료를 이용하여 링, 디스크, 헤어핀 형태 등의 다양한 마이크로스트립 공진기를 제작하고 있다. 최근에는 그림 6에서 처럼 LTCC를 이용한 링 공진기를 사용하기도 한다. LTCC 기술을 이용하면 윗면에만 회로가 있는 마이크로스트립 뿐 아니라 기판의 중심에도 링 패턴 및 vertical 회로를 자유롭게 삽입하여 스트립라인(stripline) 링 공진기 등을 제작할 수 있다. 보통 이러한 링 공진기를 이용하여 초고주파용 유전체나 LTCC의 초고주파특성을 측정하는데 사용한다. 실제로 링 공진기를 이용하여 기판이나 금속회로의 마이크로파 특성을 측정하고자 할 때에는 샤프하고 규칙적인 깨끗한 공진패턴을 얻기 위해 링 공진기 내부와 측정 지그들 간의 기생성분 효과(parasitic effect)를 없애는 것이 아주 중요하다. 안테나 안테나는 전압/전류로 표현되는 전기적 신호와 전기장/자기장으로 표현되는 전자기파를 서로 변환해주는 역할을 한다. 즉 안테나 외부의 전자기장의 변화와 안테나 도선 상의 전기적 신호가 상호 연동함으로써, 대기 중에 떠다니는 전자기파 신호를 전자기기가 감지하고, 또 그 역도 가능하게 하는 부품이다. 안테나는 일반적으로 무지향성과 전방향성, 낮은 전압정재파비 구현에 따른 효율, 안테나 조합에 의한 이득 등의 특성을 갖는다. 최근 단말기기가 멀티미디어화와 소형화됨에 따라, 안테나의 성능이 고이득화와 광대역 주파수를 유지하면서도 휴대의 편이성을 증가시키기 위하여 적층공정 등을 도입하여 소형화되고 있다(그림 7 참조). dual용 소형 안테나, 단말기형 침형 안테나, 유전체 칩 안테나 등 다양한 형태의 안테나가 국내에서만 약 20여 업체를 통하여 공급되고 있다. 최근에는 LTCC기술을 이용하여 헬리컬 안테나의 나선구조를 수에서 수 십장의 세라믹 패턴 위에 형성하고 이를 적층하여 하나의 초소형 모듈의 형태를 갖는 안테나 등도 제작되고 있다. Multi-Chip Module & LTCC LTCC(low temperature co-fired ceramic)기술은 주로 glass-ceramic 재료를 기반으로 이루어진 여러 장의 그린시트(green sheet) 층에 전기전도도가 우수한 Au, Ag, Cu 등의 내부 전극 및 수동 소자 (R, L, C)를 스크린 프린팅(screen printing) 공정을 이용하여 회로를 구현하고, 각층을 적층한 후 900℃ 이하에서 동시 소성하여 MCM(multi-chip module) 및 multi-chip package를 제조하는 기술이다(그림 8의 응용 예 참조). LTCC 기술의 특징은 그린시트의 주원료로 사용되는 glass-ceramic 재료의 낮은 유전손실에 의한 높은 품질계수와 내부 전극재료에 사용되는 재료들의 높은 전기 전도도에 의한 낮은 도체손실의 특징을 갖고 있으며 모듈 내부에 수동소자(R, L, C)를 구현할 수 있는 장점을 갖고 있다. 이와 같이 내부수동소자(embedded passives)가 가능하여 SOP(system-on-a-package)를 구현할 수 있기 때문에 SMD(surface mounted device) 부품에서 기생성분에 의한 효과(parasitic effect)를 최소화 시킬 수 있다. 또한 표면 실장 시, 납땜 부위에서 발생하는 전기적인 노이즈 신호가 감소하여 전기적 특성이 우수하고 납땜수의 감소에 의해 신뢰성이 향상되는 장점이 있다. 뿐만 아니라 Tf(temperature coefficient of resonant frequency)의 값을 열팽창 계수로 조절함으로써 최소화 시킬 수 있어 유전체 공진기의 특성을 조절할 수 있는 장점도 갖고 있다. 최근의 LTCC 기술은 적층된 금속 core를 이용하여 소성 중 발생하는 그린시트의 수축(shrinkage)을 x, y축 방향으로 억제함으로써 zero-shrinkage를 구현하는 기술을 선보였으며, 이를 이용하여 초기 설계한 회로를 소성 후에도 변형 없이 그대로 구현할 수 있는 신기술을 선보이기도 하였다. 그러나 LTCC 기술이 높은 품질계수를 갖고 수동소자를 내재화하고 소형화할 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있음에도 불구하고 제조 기술의 어려움 때문에 아직도 무한한 가능성을 열어놓고 있는 상태라고 할 수 있으며 최근에도 여러 RF 분야에서 제품 및 기술개발이 활발히 진행되고 있다. LTCC 기술을 이용한 가장 최근의 RF 제품으로는 FEM(front end module)을 들 수 있다. 유럽형 듀얼 휴대폰에 사용되는 핵심부품인 GSM용 스위칭회로로 low pass filter, diplexer와 SAW filter 2개 등 무려 7개의 낱개 부품을 하나의 모듈로 구성해 GSM(900MHz대역)과 DCS 1800(1.8GHz대역)을 함께 대응할 수 있는 제품이다. 이러한 복합화가 LTC C 기술을 이용함으로써 가능하였으며 그 예를 그림 9에 나타내었다. LTCC기술을 이용한 단품 제품으로는 FEM에서 내장된 기능으로 소개한 바 있는 diplexer가 있다. diplexer는 multi-mode 핸드폰에서 이동통신 기기의 안테나의 직 후방에 위치하여 입력된 신호를 주파수에 따라 각각 다른 출력단으로 출력해 주는 제품이다. band pass filter 대신 저역통과필터와 고역통과필터의 두 부분으로 구성되어 있으며 소형화하기 위하여 다층세라믹 기술을 적용한 Chip 제품으로 구성한다(그림 10 참조). 이 외에도 다양한 기능을 가진 RF 복합모듈이 LTCC 기술을 이용하여 개발되고 있으며 곧 시장에 선보일 것으로 기대된다. Fig 1. 공진주파수에서의 S 파라미터 Fig 2. 유전체 공진기의 형태 Fig 3. 공진기의 발전 동향 및 장·단점 Fig 4. GPS용 유전체 필터(Partron) Fig 5. CDMA 핸드폰용 모노블럭 세라믹 듀플렉서(Partron) Fig 6. LTCC 스트립라인 링 공진기와 공진 패턴(삼성전기) Fig 7. GPS용 유전체 칩 안테나(Partron) Fig 8. LTCC 기술로 구현된 복합모듈의 예 Fig 9. LTCC기술로 구현된 8.4×5.0mm 크기의 FEM 제품 (삼성전기) Fig 10. LTCC기술로 구현된 2.0×1.25×0.9mm 크기의 diplexer 제품(삼성전기) 참고문헌 1. D. Kajfez and P. Guillon, Dielectric Resonators, Noble Publishing Corp., Atlanta, 1998 2. N. Sherwani, Q. Yu, and S. Badida, Introduction to Multichip Modules, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995 3. J. H. Jang, “Microstructural Effects on Microwave Properties of Low-Temperature Cofired Ceramic Striplines : Experiments and Modeling," J. Am. Ceram. Soc., 87 (8), 1466-1470 (2004) 4. RF Engineering Community, www.rfdh.com