金世淇 공학박사 / 요업(세라믹)기술원 전자소재기술개발사업단 선임연구원 1. 서 언 ‘곤충의 촉각’이란 의미의 라틴어에서 유래한 안테나는 전자파를 복사하거나 수신하는 즉, 전기신호를 전자파신호로 변환하거나 그 반대의 기능을 하는 일종의 에너지 변환장치로서, 1896년 이탈리아의 마르코니가 동선을 안테나로 사용하여 무선통신 시대를 연 이래로 사용목적과 주파수 대역에 따라서 발전해 왔다. 무선통신을 용도별로 분류하면, 고정통신, 이동통신, 위성통신으로 나눌 수 있다. 고정통신은 고정된 지점간의 통신으로 여러 방식이 있으나, Bluetooth와 같은 단거리통신에서는 2GHz 대를 사용하고 있으며, 휴대전화와 같은 이동통신은 국내 Cellular의 경우 824~894MHz, PCS의 경우 1.75~1.87GHz대를 사용한다. 위성통신은 주로 ‘전파의 창’으로 불리는 1~10GHz를 사용하지만 전송용량을 고려하여 10GHz 이상을 사용하기도 한다. 우리나라의 ‘무궁화’ 위성 1, 2호는 Ku(12.8 ~18GHz)대역을 사용하고 있으며, 3호는 Ka(28.5~ 40GHz)대역을 사용할 예정이다. 한편 통신과는 목적을 달리하지만 곧 세계 최초로 시작될 우리나라 ‘한별’ 위성에 의한 위성디지털멀티미디어방송(DMB, Digital Multimedia Broadcast)도 2GHz대를 사용할 예정이다. 이와 같은 통신서비스의 멀티미디어화, 광대역화, 단말기의 소형화 추세에 따라 안테나는 고이득화와 광대역 주파수를 목표로 주로 연구 개발되고 있으며, 세라믹 안테나도 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) 공정기법을 사용하여 모듈화하는 경향이 있다. 본 고에서는 세라믹 안테나의 최근 연구개발동향에 대하여 소개하고 앞으로의 전망에 대하여 기술하고자 한다. 2. 실장 형태에 따른 세라믹 안테나 가. 표면실장형 세라믹 안테나 표면실장(Surface Mounted Device, SMD)형 세라믹 칩 안테나는 초기에는 고유전율 세라믹 기술을 이용하여 모노폴(monopole) 및 헬리컬(helical) 안테나를 소형으로 형성하는 형태였으나 최근에는 발전된 패턴 기술을 이용한 다양한 제품들이 개발되고 있다. 초소형 형태로 구현될 수 있기 때문에 단말기의 어느 부분이라도 실장이 가능하다. 또한 양산성이 매우 우수하고 기존의 안테나들을 단말기에 실장할 때와는 달리, SMD 부품들을 회로기판에 접착하는 방법을 그대로 사용할 수 있다. 구조는 모노블록 형태의 외부에 은이나 구리 등을 이용하여 패턴을 형성하고 이 패턴의 면적을 제어하여 그 특성을 맞출 수 있도록 되어 있다. 또한 현재 사용되는 안테나 제품들이 단말기 외부로 돌출되는 단점을 극복할 수 있는 제품이기 때문에 연구가 활발히 진행되었으나, 높은 비용과 좁은 대역폭, 저이득 특성으로 인한 문제점이 대두되고 있다. 나. 적층형 세라믹 안테나 안테나는 표 1에 나타낸 바와 같이 외장형과 내장형으로 나눌 수 있다. 초기의 단말기는 주로 외장형을 사용하였으나 단말기의 소형화, 외부 노출로 인한 디자인상의 제약 등으로 점차 내장형에 대한 수요가 늘고 있다. 내장형 안테나는 과거에는 제조공정 및 가격면에서 외장형 안테나에 비해 열등한 경향이었으나, LTCC 기술과 마이크로스트립라인 기술을 이용하여 다층구조를 갖는 회로의 칩 형태의 안테나 제작이 가능하다. 적층형 세라믹 구조는 기존의 헬리컬 안테나의 나선구조를 수에서 수십 장의 세라믹 패턴 위에 형성하고 이것을 적층 공정을 이용하여 하나의 초소형 모듈화한 것이다. 최근의 적층형 세라믹 안테나는 단파장용 안테나의 역할을 하는 모노폴(mono pole) 형상과 장파장용 안테나 역할을 하는 헬리컬(helical) 형상을 그림 2와 같이 다층 인쇄에 의하여 듀얼밴드(dual-band) 안테나의 구현도 가능하다. 이러한 3차원 형태의 다양한 안테나는 점차 다양한 서비스를 제공하기 위한 멀티밴드(multi-band)화된 광대역 안테나로 발전되고 있는 추세이다. 세라믹 적층형 안테나는 그 크기가 매우 작으며, 세라믹 적층 공정의 안정화에 따라 대량생산이 가능하며, 저가격화 실현이 가능하다는 장점이 있다. 적층 패턴이나 공정의 개선, 그리고 재료의 개발 등을 통하여 우수한 특성을 구현할 수 있을 것이다. 그러나 안테나의 성능과 사이즈에는 (안테나의 전기적 체적) = Constant (대역)×(이득)×(효율) 의 관계가 있다. 즉, 안테나의 성능을 높이기 위해서는 안테나를 대형화하여야 한다는 기술적 모순성을 극복해야 한다. 3. 용도에 따른 세라믹 안테나 용도에 따른 세라믹 안테나는 GPS용, DMB용, 무선LAN용 등 여러 가지를 들 수 있으나, 여기서는 지면 관계상, 가장 수요도 많고 개발이 활발한 휴대전화용과 블루투스용에 대해서만 언급한다. 가. 휴대전화용 안테나 휴대전화용 안테나로 현재 가장 많이 사용되고 있는 안테나는 Whip이나 나선형의 Helical 구조 안테나를 들 수 있으며, 이들 안테나는 구조적인 특허를 Allgon사 등과 같은 선진업체에서 보유하고 있어 특허 회피 연구가 개발의 중점이었다고 할 수 있다. GSM 방식의 휴대전화 등에서는 일찍부터 내장 안테나가 주류가 되어 시작되었으며, 일본에서는 기지국 간의 거리나 출력관계로 다이버시티 방식에 의한 전파수신이 이루어지고 있으므로 휩, 헬리컬, 내장의 복수 안테나 탑재가 주류가 되어 있다. 또한 최근은 휴대전화 안테나가 공간 다이버시티(space diversity) 기능을 갖도록 모노폴 안테나와 평면형 역 F형 안테나(Planar Inverted F antenna, PIFA)를 하나의 단말기에 장착한 시스템이 개발되어 사용되고 있고, 유럽에서는 PIFA만을 실장한 제품들이 사용되고 있다. 최근은 소형화, 디자인 등의 장점으로 내장 안테나만의 모델이 증가하는 경향이다. 안테나는 통신방식에 따라서 1대의 휴대전화에 있어서 탑재 개수가 다르지만, 최저 1대에 1개 이상 탑재되는 부품이므로 휴대전화 시장의 성장과 직접적인 비례관계에 있다. 나. 블루투스(Bluetooth)용 세라믹 안테나 Bluetooth는 1998년 Nokia, Ericsson, IBM, Intel, 도시바의 5사가 새로운 무선통신 시스템의 표준화를 목적으로 시작되어 모바일 컴퓨팅 기기, PC 주변 기기, 휴대전화, 디지털 카메라 등의 정보기기와 통신기기를 무선으로 연결하는 표준규격 작성이 진행되고 있으며, SIG(Special Interest Group) 멤버가 2,000사를 넘는다. Bluetooth는 2.4GHz대의 ISM(Industrial, Scientific, Medical) 밴드를 사용하고 있다. 현재 Bluetooth 보급의 포인트는 전용 모듈의 개발과 모듈 코스트의 저감이며, 블루투스용 칩 안테나에 요구되는 성능은 먼저 광대역성을 들 수 있다. 안테나 성능으로서는 이득도 중요하지만 내장 안테나의 경우 실장 조건에 따라 중심 주파수가 변동되기 쉽기 때문에 블루투스에 사용되는 2400~2484MHz를 커버하기 위해서는 약 100MHz라는 광대역이 필요하다. 또한 블루투스의 사양에 따르면, 클라스 1에서 통신거리 100m, 클라스 3에서 통신거리 1m를 만족시키기 위한 안테나의 이득(gain)은 이론상, -5dBi 이하이어야 한다. 다음은 소형화를 들 수 있는데, 이미 소형화 된 휴대전화나 노트북 등의 비좁은 본체 내에 내장되어야 하므로 지금까지 이상의 소형화가 요구된다. Low profile형 마이크로 스트립 안테나에 사용되는 것은 안테나 사이즈 λ/2의 패치 타입이나 λ/4의 역 F타입(안테나 소자의 형상이 F자를 역으로 한 모양으로 안테나 주변의 유전체나 ground의 영향을 덜 받고, 안테나로써의 특성이 안정적)이다. 역 F타입은 성능은 패치 타입에 미치지 못하나, 구조가 비교적 간단하고 소형화할 수 있는 장점이 있어서 널리 채택되고 있는 타입이다. 일본의 TAIYO YUDEN은 2004년 6월에 그림에서와 같이 -1.6dB의 세계 최소형(2.5×1.6×1.6mm)의 역 F타입 Bluetooth용 세라믹 칩안테나의 개발과 동년 9월 양산 개시를 발표한 바 있다. 또한 전술했듯이, 블루투스의 보급에 있어서 코스트 저감은 필수적이다. 모듈 단가 목표가 5달러 정도이므로 안테나 가격은 그에 비해 충분히 낮아야 할 것이다. 4. 전 망 세라믹 안테나를 포함한 안테나의 전체적인 개발 방향은 소형화의 진행과 아울러 특성유지 및 전파방사에 대한 지향성을 부여함으로 인체로의 영향을 경감하는 방법 등을 포함하여, 이득을 유지한 내장화 등으로 고성능화 및 Bluetooth나 무선LAN와 같은 다른 통신방식까지 포함한 Multi-Band화에 대한 대응이나 고효율화에 의한 소비전력의 저하 등을 들 수 있다. 또한 시장은 2003년 이동통신용 내장형 안테나의 수요는 전년대비 28% 성장한 233,000천개이며, 2004년에는 전년대비 13% 성장한 263,800천개로 큰 폭의 성장이 예상된다. 금액으로는 2003년에는 전년대비 18% 성장한 1,398억원이며, 2004년에는 전년대비 6% 성장한 1,477억원에 달할 것으로 전망된다. 내장형 안테나는 휴대성이 좋아서 판매가 하락률이 낮은 것이 금액 면에서의 성장을 지탱하고 있는 요인이다. 그러나 성장률은 GSM에 대한 내장 안테나 채용률이 상한에 접근하고 있어서 점점 둔화되고 있는 중이다. 따라서 CDMA 등 GSM 이외의 방식에서의 채용 확대가 내장 안테나 시장 확대의 열쇠를 쥐고 있다. 그러나 CDMA에서의 내장 안테나 채용은 극소수에 불과하며, GSM용 수요가 전체의 95.3%로 압도적인 우위를 차지하고 있다. 한편, 생산의 7할 이상은 중국을 중심으로 한 아시아로 다른 지역을 압도하고 있고 코스트 저감의 필요로 중국생산이 증가하고 있으며 이러한 경향은 향후도 변함이 없을 것이다. 5. 결 언 안테나의 개발에는 재료 이외에 수학과 물리학을 배경으로 한 접근이 필요하며, 개발 및 평가장비에 대한 투자도 고액을 요하는 분야인 관계로 개발이 쉽지 않은 실정이다. 더욱이 세라믹 안테나의 역사는 다른 안테나의 역사에 비하여 비교적 짧다. 그러나 안테나는 어느 기기에 있어서도 무선통신의 품질을 좌우하는 가장 최초의 부품이며, 그 시장은 휴대전화를 필두로 한 무선통신기기에는 불가결한 부품이므로 휴대전화 시장이 확대되는 한, 그에 따라서 확대될 것이므로, 이에 대비한 연구개발을 통한 기술 확보를 하여야 할 것이다. 그림 1. SMD형 세라믹 안테나 표 1. 안테나의 분류 및 장단점 분류 안테나 종류 장단점 외장형 - Whip - 구조 간단 - Helical - 외부 노출(디자인 제한) - 소형, 경량, 양산성(저가격) 내장형 - 세라믹 - 이득 및 수신감도 저하 - PCB 타입 - 내부 RF 부품 등의 영향으로 인한 - PIFA 타입 특성변화 우려 그림 2. Dual(900/1800MHz) 밴드 LTCC 칩 안테나의 3차원 및 단면도 표 2. Bluetooth 사양 Class 출력 레벨 통신거리 1 20dBm(100mW) 100m 이상 2 4dBm(2.5mW) - 3 0dBm(1mW) 10m 이상 그림 3. Bluetooth 사양별 안테나 이득과 통신거리와의 관계 그림 4. 2.5×1.6×1.6mm 사이즈의 Bluetooth용 세라믹 칩안테나(TAIYO YUDEN) 표 3. 내장형 안테나의 세계시장규모 (단위:백만개, 억원) 구분 2002 2003 2004 2005 2006 CAGR 수량 182 233 264 304 356 15.2% 금액 1,183 1,398 1,477 1,613 1,781 8.4% ※ 자료출처 : Navian(2003) 표 4. 용도별 안테나 시장규모 2002년 2003년 용 도 판매수량 비율 판매수량 비율 (1,000대) (%) (1,000대) (%) GSM 343,000 52.0 411,000 55.0 PDC 93,000 14.1 75,000 10.0 CDMA 173,000 26.2 202,000 27.0 WCDMA 4,000 0.6 23,000 3.1 TDMA 47,000 7.1 36,000 4.8 합 계 660,000 100.01 18,000 100.0 ※ 자료출처 : 2004 유망전자부품재료 조사총람, 후지키메라총연