현대 사회의 다양화와 전문화에 따라 일상 생활에서부터 업무에 이르기까지 정보와 통신의 도움없이 이루어지는 일은 없다. 특히 언제 어디서나 누구와도 정보의 교환이 가능한 무선통신에 대한 요구는 사회의 정보화에 따라 급격히 증가하고 있다.
무선통신 시스템은 저속 데이터통신으로 가능한 음성 및 정지영상 정보로부터 고속 데이터통신이 필요한 동영상정보로 발전하고 있고,무선통신 시스템의 대중화로 사용자의 수가 급격히 늘어남에 따라 통신용량을 수용하기 위해 사용주파수가 점차 높아지고 있으며 통신방식도 아날로그에서 디지털로 바뀌고 있다.
이에따라 고주파 회로에 사용되는 소자는 고주파 특성이 우수해야 할 뿐만아니라 신호 크기에 따른 특성 변화가 작아야 하며 또한 집적도가 높아서 소형화 할 수 있어야 한다. 고주파회로의 제작을 위해 종래에는 세라믹기판등에 개별부품인 능동소자 및 수동소자를 장착한 고주파회로기판을 사용했으나 무선시스템이 소형화되고 대량 생산됨에 따라 이들 소자들을 반도체기판에 일관공정으로 제작해 집적화한 MMIC(Monolithic Microwave IC)로 대체되고 있다.
MMIC는 수 ㎜ 크기의 반도체 기판에 능동소자와 수동소자 뿐만아니라 단위소자의 연결까지도 일괄공정으로 동시에 제작하므로 종래의 고주파회로기판에 비해 크기가 작고 신뢰성이 높으며 특성이 균일하다. 또한 개별부품의 패키지가 따로 필요없으므로 개별부품을 사용해 고주파 회로를 제작하는 경우에 비해 제작단가를 낮출 수 있어 무선통신기기의 시장경쟁력을 높일 수 있다.
3GHz 이하의 주파수를 사용하는 이동통신용 시스템으로는 기기 설치의 자유도를 높일 수 잇는 무선LAN(WLAN) 및 무선전화망(Wireless Local Loop)과 개인의 이동자유도를 높일 수 있는 휴대전화기(HHP:Hand Held Phone),개인휴대통신(PCS:Personal Communication System),위성이동통신(MSS:Mobile Satellite System) 및 차세대 통합 이동통신인 플림스 등을 들 수 있다.
3GHz 이하의 이동통신시스템에 사용되는 MMIC들은 일부 제품이 상품화되어 시판되고 있으며 적용 시스템에 따라 휴대전화기의 고주파회로부를 3∼5개의 MMIC로 구성할 수 있을 정도의 집적도 수준에 이르렀다. 집적도에 대한 연구는 계속되고 있으며 고주파 회로부를 하나의 MMIC에 집적화하려는 연구와 함께 응용 시스템에 적합하게 성능을 최적화하고 제작단가를 낮춰 시장경쟁력을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 현재 여러가지 규격의 이동통신시스템이 제안돼 사용되고 있으며 각각의 시스템은 서로 다른 성능의 MMIC를 필요로 하기 때문에 시스템 특성을 최대한 발휘할 수 있는 최적의 MMIC 개발이 필요하다.
30GHz대역까지의 주파수를 사용하고 있는 고속 무선통신시스템으로는 전화국간의 통신(mocrowave Link),인공위성을 이용한 직접위성방송(DBS:Direct Broadcasting Satellite),컴퓨터간의 고속정보 전달을 위한 18GHz WLAN 및 화상전화를 가능하게 하는 28GHz LMCS(Local Multipoint Communication service) 등이 있다. 직접위성방송 수신용으로는 이미 수신부 고주파회로가 하나의 MMIC로 집적화돼 시판되고 있으나 잡음특성을 만족시키기 어려워 고주파회로기판을 이용한 초단 저잡음증폭기를 추가해야 하는 문제가 남아 있다. 소자의 특성 및 회로구조를 개선함으로써 저잡음 특성을 갖는 MMIC의 개발을 위한 연구가 진행중이다. 18GHz WLAN 및 LMCS용 MMIC는 초기 연구단계로서 저잡음 증폭기,국부발진기 등 단일 기능의 MMIC에 대한 연구결과가 발표되고 있는 단계이다.
미래 무선통신 시스템으로 60∼70GHz대역의 주파수를 사용하는 국간 고속 전송망,고속 무선 LAN,통합교통정보망에 이용될 70GHz대역의 ITS(Intelligent Transportation System)등이 연구되고 있다. ㎜파 통신시스템은 이동통신 및 고속 무선통신의 발달로 전송데이터의 양이 막대해짐에 따라 필수적으로 사용 주파수를 높여야하는데 ㎜파 주파수 대역에서의 주파수 분배는 국제적 규격이 아직 정해져 있지 않으므로 시스템의 조기개발 및 시장선점이 향후 무선통신시장을 주도할 수 있는 중요한 요인이 될 것이다.
현재는 능동소자의 고주파 특성을 개선하는 연구를 중심으로 저잡음증폭기등 단위기능소자를 고주파 회로기판으로 제작하여 사용하고 있으며 MMIC에 대해서는 초기 연구 단계로 볼 수 있다. MMIC기술은 소자 제작기술,회로 설계기술 및 고주파 패키지 기술의 조합으로 이루어지며 각 기술이 균형적으로 발전해야만 경쟁력 있는 MMIC를 개발할 수 있다.
개인휴대통신 등 수년 내에 상용화될 3GHz 이하의 MMIC에서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 제작단가의 절감에 대한 연구이다. 공정을 단순화하고 안정화해 공정단가를 줄이는 연구가 필요하고 집적도 향상에 대한 연구를 통해 생산력을 향상시켜야 될 뿐만아니라 저가의 고주파 패키지 개발이 필요하다. 이 주파수 대역에서 사용될 시스템들은 국가마다 사용주파수와 규격이 다양하므로 단기간에 규격을 만족하는 MMIC를 개발할 수 있는 설계능력의 확보가 필수적이다. 이를 위해서는 설계의 자동화,단위기능별 MMIC의 라이브러리화,소자모델의 정밀분석,레이아웃의 고주파 특성 검증기술 등이 주연구 분야가 될 것이다.
3GHz의 이동통신용 MMIC에 사용되고 있는 능동소자로는 제작단가면에서 유리한 MESFET(MEtalSemicounductor Field Effect Transistor)가 주종을 이루고 있으나 고속 무선통신용 MMIC의 능동소자로 제작기술이 복잡하고 제작단가가 높지만 고주파 특성이 우수한 HEMT(High Electron Mobility Transistor)나 HBT(Heterojunction Biplar Transistor) 등이 사용되고 있다.
㎜파 무선통신을 위해서는 접속된 전자선(Electron Beam)을 이용하여 제작된 고성능 HEMT 등이 사용될 전망인데 이를 위해서는 소자특성 향상에 관한 연구가 선행돼야 하고 성능향상을 위한 설계 및 분석 기술과 더불어 향후의 시장경쟁력 확보를 위해 ㎜파 패키지 기술이 연구 되어야 한다.
상용 MMIC 시장은 2000년에 10억달러에 이를 것으로 전망되고 있으며 MMIC기술은 MMIC 자체 시장 보다는 MMIC에 의한 시스템의 부가가치를 높이는 효과가 더욱 크기 때문에 일부 회사에서는 자사 제품에만 사용하고 외부에는 공개하지 않는 경우도 있다.
국내에서는 한국전자통신연구소를 주축으로 화합물반도체 MMIC에 대한 연구가 진행돼 96년에 휴대전화기용 MMIC 시험시제품의 제작에 성공한 바 있으며 올해에는 일부 기업이 MMIC 제작에 참여할 것으로 보여 국내 MMIC 기술 분야는 희망적이라 할 수 있다.
정보통신 분야에서 우리나라가 세계시장을 석권하기 위해서는 시스템 기술 뿐만아니라 핵심부품의 자체개발 능력도 키워나가야만 하는데 지금까지 메모리 분야에서 보여주었던 저력으로 보아 2000년대의 MMIC 시장 역시 한국이 세계 정상으로 나서는데 의심의 여지가 없다.
<이창석 한국전자통신연구소 책임연구원(화합물회로연구실)>