유비쿼터스와 세라믹스

유비쿼터스와 통신네트워크용 세라믹스 기술

박 종 철 공학박사 전자부품연구원 수석연구원

유비쿼터스에 활용될 통신네트워크를 크게 분류하면, 백본망 또는 홈네트워크 등에 주로 사용되는 유선망과 휴대용 또는 이동용에 활용될 무선망 그리고 기타 홈 어플라이언스, 센서 네트워크 등이 있다. 백본망 쪽에서는 고속화가, 무선망의 휴대기기 쪽에서는 융합화와 소형경량화가 그 핵심이다. 세라믹 재료는 각 분야에서 고루 사용되고 있으나 특히 후자의 무선망 휴대기기의 고주파 재료로서 많이 활용되어져 왔다. 무선망의 대부분이 수백 MHz이상의 캐리어 주파수를 사용하고 있다. 단순히 재료의 전도도나 저항 등이 중요한 인자로 되는 DC영역과는 달리, 이러한 고주파 영역에서는 유전율이나 임피던스의 조절 등이 중요해지므로, 여러 가지 물성의 세라믹 재료가 개발되어, 필터 등의 고주파 소자 및 기판으로서 활용되어져 왔다.
시대의 변화에 따라 중요시되는 재료도 달라지고 있다. 산업화시대의 주 재료는 금속이나 반도체였다. 철강으로 대표되는 금속은 자동차, 선박, 건설 등 산업화 시대의 대표적인 재료이었고, 이 분야의 연구가 20세기 재료연구의 주 테마이었다. 그러나 이것이 지식화 사회로 넘어오기 시작하면서는 세라믹 재료가 각광을 받기 시작하였다. 전술했듯이 무선용 고주파에는 세라믹 재료가 필수 불가결하고, 또한 휴대용으로서의 경량성 등에서 유리하기 때문이었다. 최근에는 미래형 재료로서 폴리머 등의 유기재료가 많이 연구되고 있다. 금속이나 세라믹 등의 무기재료가 가지지 못하는 초경량성 및 유연성 등이 유비쿼터스 및 입는(wearable) 디바이스에 적합하기 때문이다. 금속, 세라믹, 유기재료는 각각 장단점을 갖고 있기 때문에 여하히 장점만을 활용할 수 있을까 하는 관점에서 최근에는 복합재료도 많이 연구되고 있다.
본고에서는 통신네트워크 특히 휴대전화기와 근거리 통신모듈에 활용되는 세라믹 기술, 특히 LTCC 기술에 대해 응용분야별로 살펴본다.

1. 휴대 전화기 분야
휴대전화기의 크기는 그림 1에서 보인 바와 같이 초기 소형화의 관점에서 점차 축소되어 오다가, 최근 전화기 내의 갖가지 기능의 멀티미디어화 그리고 카메라, 방송, 근거리 통신 등의 송수신기능 이외의 여러 가지 기능의 첨가 복합화에 따라 오히려 부피가 커지고 있는 실정이다. 여러 기능들을 복합화하고서도 작은 크기의 휴대전화기를 여하히 구현할 수 있겠는가 하는 것이 기기 및 부품 제작자들의 관심의 초점이다.
휴대 전화기에 사용되는 세라믹스 기술은 기존의 개별소자 수동부품인 저항, 커패시터, 인덕터 등의 SMD부품의 소형화 기술과 LTCC기술로 대표되는 집적, 소형화 기술이다.
SMD 부품의 소형화는 0603(0.6mm×0.3mm)보다 더 작은 0402의 제품개발이 최근의 동향으로 거의 극한 기술에 다다르고 있다. 이러한 칩 부품의 소형화는 제작 쉬트의 극박화, 초미세회로 인쇄기술 등의 제작상의 기술적 한계뿐만 아니라 이러한 부품을 기판위에 실장하는 후공정에서의 극소형부품의 핸들링의 어려움 등 때문에 수동소자의 기판 내장화 등의 새로운 돌파구를 찾고 있는 실정이다.
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시 소성 세라믹) 기술은 적층 세라믹 공정기술로서, 2차원 평면상에 제작되어온 소자를 다층의 세라믹으로 적층하여 3차원으로 제작함으로써 부품의 소형화와 고기능화를 이룰 수 있는 기술이다. 그림 2는 그 대략적인 공정 흐름도이다. 공정의 상세한 설명은 이미 여러 번 소개되어 왔으므로 여기서는 생략한다.
궁극적으로는 한 패키지 내에 모든 휴대폰 기능을 넣고자 하는 것이 최종 목표이지만 그리 쉽지 않기 때문에 대개는 다음과 같이 몇 개의  RF부로 나누어 모듈화 하고 있다.
- 3개부:(1)스위치 및 필터, (2)PAM, (3)LNA, Transceiver, VCO, TCXO
- 2개부:(1)스위치, 필터, PAM, (2)LNA, Transce
iver, VCO, TCXO
스위치 및 필터들은 이미 LTCC기술을 이용하여, ASM(Antenna Switch Module) 및 FEM(Front End Module) 들로 상품화되어 Murata, Epcos를 비롯한 여러 부품회사에서 모듈화하여 제품화하고 있다.(그림 3) 
PAM(Power Amp. Module)은 휴대전화기 RF신호를 증폭하는 모듈이다. PAM은 증폭기 칩, 임피던스 매칭 소자 및 수동소자들로 구성되어 있다. PAM은 최근, 안테나 스위치와 다른 RF 기능과 함께 한 모듈로 합해지고 있다. 개별소자로서의 PAM은 점차 줄어들어 모듈 속에 집적되기는 하겠으나 PAM 기능은 계속 필요할 것이다.
또 한 가지 언급할 내용은 현재 대부분의 폰에 기본 기능화되어 있는 카메라 기능이다. 그림 4와 같이 CMOS Image 센서는 렌즈, CMOS 이미지센서, 카메라 프로세서 등을 포함하고 있다. 디지털 카메라는 소비자에게 더 이상의 가격 부담 없이 기능의 부여가 되고 있는 실정이다. 오늘날, 저가의 CMOS 이미지 센서 패키지는 하나의 렌즈와 VGA 이상의 resolution의 CMOS 센서로 되어 있다. 카메라 프로세서는 보통 들어가 있지 않다. 가격 저감화에 따라 저가의 CMOS 이미지 센서 패키지는 수백만 화소 센서와 여러 렌즈가 들어간 고성능으로 될 것이고, 카메라 프로세서도 모듈 내부로 집적화될 것이다.

2. 근거리 통신 모듈
LTCC 업체들은 최근 휴대폰 RF 모듈용 LTCC 시장의 경쟁심화와 플라스틱, Si 기판 재료 기술 등 경쟁 대체 기술의 증가로, 응용영역을 블루투스, 무선 LAN 등의 근거리 통신이나 DMB 모듈 등 휴대폰의 부가기능 영역으로 확장하기 시작했다.
블루투스는 근거리에서 device 끼리 무선으로 통신 가능하게 하는 기술로서 2.4GHz 주파수 대역을 사용한다. 이미 GSM 단말기에서는 몇 년 전부터 채용되어 왔으나 국내의 CDMA 단말기에서는 올해부터 삼성전자가 일부 단말기에 핸즈프리용으로 출하하고 있다.
그림 5는 블루투스의 기능 블록도이다. RF부와 베이스밴드부, 두 개의 패키지로 하거나, RF부와 베이스밴드부를 한 패키지 내에 넣어 블루투스 모듈화 하는 솔루션으로 제공하고 있다. 물론 블루투스 모듈대신에 블루투스 회로를 설계하여 모기판에 실장 조립하는 방법도 있다. 그러나 이것은 RF설계 경력과 RF 소자들을 실장, 튜닝하는 능력이 필요하게 된다. 블루투스 모듈은 이미 RF 엔지니어에 의해 설계된 기성품(ready-to-use) 개념의 모듈이다. 따라서 공정상의 문제점도 적고 비숙련공들도 조립 가능한 이점이 있다. 벌룬, 필터 등 모든 필요한 부품들이 이미 조립되어 튜닝되어 있고 다른 소자들로부터의 interference도 고민할 필요가 없기 때문에 이의 활용이 늘어갈 것이다.
그림 6은 NEC와 Sony Ericsson의 GSM 단말기에 장착된 LTCC 블루투스 모듈이다. LTCC모듈을 사용하면 수동부품을 기판 내에 내장하기 쉽고 Bare 칩 실장도 가능하여 소형화하기 쉬운 장점이 있으나, 내장 필터의 특성이 그리 좋지는 않기 때문에 시스템 설계 시 잘 고려해야 한다. CDMA 단말기의 경우 Qualcomm 칩셋을 사용하는데, 단말기 베이스밴드 IC에 블루투스 베이스밴드 기능이 같이 들어가 있어, 주로 이 기능과 인터페이싱 가능한 RF모듈만을 채택하고 있다.
무선 LAN은 IEEE 802.11a, b, g의 규격으로 2.4 GHz 또는 5 GHz 영역에서 11~54Mbps의 속도로 교신한다. 무선 LAN은 블루투스보다 더 먼 거리에서 활용되기 때문에 증폭기 기능이 첨가되어 있다. 넓게 보면 블루투스나 802.11은 같은 기능을 제공한다. 노트북 PC에서의 무선 LAN은 대개 NIC(Net
work Interface Card) 형태이거나 On Board 형태로 지원되고 있어 주로 수지기판 상에 실장되어, LTCC 형태로 나오지 않았으나, 최근 소형화를 위해 무라타 등에서 이종유전체 LTCC를 적층하여 제품화하기 시작하였다. 또한 휴대전화기에 무선 LAN 기능을 부가하기 위한 소형화 제품으로 파워앰프를 내장한 드라이버 IC와 스위치를 기판 상에 실장한 제품도 무라타에서 발표한 바 있다.(그림 7)

3. 기타 통신 모듈 (TV(DMB) Tuner, GPS 등)
TV 튜너의 휴대폰에의 내장은 한국과 일본에서 2003년 아날로그 TV 튜너를 내장하여 시판한 것이 거의 시초로, 이미 한국·일본·중국 등에서 아날로그 방식의 대응 휴대전화는 출시되고 있다. 그러나 보다 고화질의 수신을 위하여서는 디지털 방식의 실용화가 급선무로 되었다. 디지털 방식의 경우에는 각국에서 여러 가지 방송규격이 나오고 있는데, 한국 및 유럽의 지상파 DMB(T-DMB), 유럽의 DVB-H, 일본의 ISDB-T 등이 그 대표적인 규격이다. 한국의 경우 2005년 12월 이미 본방송을 실시하고는 있으나, 휴대전화기에 지상파 DMB 기능을 탑재한 기기가 아직은 본격적으로 시판되고 있지는 않아, 보급이 지연되고 있으나 점차적으로 수요는 증가할 추세이다.
TV 튜너 회로는 그림 8과 같이 각각의 디지털 TV 규격을 채용한 대역에 따른 대역통과필터, 튜너부와 디코더부의 LSI(1칩 또는 2칩)로 구성되어 있다. 업다운 컨버전 방식의 모듈에는 SAW 필터를 모듈에 다시 부가하기도 한다. 또한 주파수에 따라 다르지만 휴대전화의 송신주파수와의 간섭을 제거할 목적으로 SAW 노치 필터를 사용하기도 한다. 한편 GSM에서는 FM튜너를 탑재하는 것이 이미 일반적으로 되어 있고 조만간 디지털 라디오 기능의 탑재도 진행될 것이다. 따라서 TV기능과 라디오 기능의 동시 탑재를 위한 기술, 안테나의 광대역화, 소형화 등이 개발되어야 할 숙제이다.
GPS 모듈은 특히 CDMA 방식에서 많이 탑재되고 있으나, GSM 쪽은 그리 활발하지는 않다. 다만 2008년경에 예상되는 유럽 휴대전화의 위치 탐지 기능 의무화에 따라 점차 증가될 것으로 보인다. CDMA의 Qualcomm 칩셋트에는 GPS 베이스밴드 기능이 첨부되어 나오기 때문에 주로 필터류, 칩 안테나, 안테나 공용화를 위한 triplexer 등이 주 부품이다. 대부분 필터 쪽에서는 SAW 필터를 사용하고 있다.
기타 세라믹의 모듈화 분야로서는 LTCC모듈을 전원공급용으로의 DC-DC컨버터에 사용하고자 하는 움직임, RF모듈 뿐만 아니라 디지털 회로의 집적화에도 활용하고자 하는 움직임 등이 있다. 이를 위해서는 여러 유전체, 자성체 등의 이종 재료를 적층하는 기술, 디지털회로의 Decoupling 커패시터를 내장화하기 위한 고유전율 재료 및 구조의 개발, 미세 피치화를 위한 광식각기술 및 잉크젯 패터닝 기술의 도입 등이 세라믹 전자부품 업계에서 경주하고 있는 기술 분야이다. 물론 이러한 기술들은 응용 면에서, 기존의 PCB 기술을 응용한 패키징 및 수동소자 내장화(Embedded Passive) 기술 그리고 박막화 기술 등과도 경쟁해 나가야 할 것이다.

참고문헌
[1]차세대 패키지용 SOP 기술개발에 관한 산업분석
   전자부품연구원, 2005
[2]SiP Packaging: The New SoC, Semico Research, 2003.
[3]Non-Cellular Wireless Interface Module 2005, Navian, 2005
[4]Nikkei Electronics Asia 2005.11 pp.20-28

그림 1. Changes in the Size of Cell Phone
그림 2. LTCC Process
그림 3. LTCC Product (Antenna Switch Module : ASM and
         Front End Module: FEM)
그림 4. CMOS Image Sensor Module
그림 5. Block Diagram of Bluetooth
        (Source : Semico Research Corp.)
그림 6. LTCC Bluetooth Module
       (NEC GSM & Sony Ericsson GSM Handeset)
그림 7. WLAN (LTCC) Module of Murata (2004 MTT-S)
그림 8. Schematic Diagram of Digital TV Tuner

필자약력
·서울대학교 금속공학 학사
·서울대학교 금속공학 석사
·서울대학교 금속공학 박사
·한국과학기술연구원(KIST)
   재료설계연구실 연구원, 선임연구원
·전자부품연구원 선임연구원, 수석연구원