金敬龍
74년 울산공과대학 재료공학과 학사
76년 고려대학교 재료공학과 석사
83년 North Carolina주립대 공학박사
84년 Florida 주립대 Post Dr.
85년∼현재 한국과학기술연구원(KIST) 세라믹공정센터 책임연구원
수십년전만 하더라도 통신분야에서 마이크로파의 이용은 군사용과 같은 특수분야에 국한해 사용됐다.
하지만 최근에는 부품의 소형, 경량화가 급진전 됨에 따라 휴대전화를 비롯한 개인용 이동통신기기와 위성방송 등 일상 생활에 필요한 분야에서도 사용되는 등 적용 폭이 넓어지고 있다.
마이크로파를 활용하는 통신기기는 이제 일반화됐다고 할 수 있을 정도로 이용이 많아졌으며 이 흐름에 가장 큰 역할을 담당한 것 중 하나가 기기에 사용되는 부품의 소형, 경량화이다.
고주파 또는 마이크로파의 송수신 회로내 증폭회로 또는 고속 디지털 회로 등은 아주 약한 고속신호를 취급하는 것이기 때문에 저손실 송신선을 사용해야 한다.
따라서 저항값이 낮은 도체의 사용이 필수적이다.
전기저항 및 가격적인 면을 고려할 때 마이크로파를 사용하는 부품에는 Ag, Au 또는 Cu가 도체재료로 사용된다.
또한 여기에 사용되는 세라믹 재료도 기본적으로 손실 값이 작아야 한다.
기판(Substrate)이라 함은 좁은 의미에서는 PCB기판과 같이 전기, 전자적 회로 및 부품을 기계적, 공간적으로 지지해 주는 부품을 의미한다.
하지만 넓은 의미에서는 다층구조를 지닌 부품이나 듀플렉서 등의 부품에 사용되는 매칭 커패시터에서와 같이 각층에 형성되어 있는 도체 패턴을 서로 분리시켜 주고 지지해 주는 역할 뿐만 아니라 층간 또는 같은 층에 형성돼 있는 도체 패턴에 의해 커패시터로 동작할 수 있는 부품을 의미하기도 한다.
이런 의미에서 볼 때 마이크로파용 기판 재료는 각각의 용도에 따라 서로 다른 요구사항을 만족시켜야 한다.
우선 동시소성용 기판(저온소성기판)으로 사용하는 경우을 보자.
소성온도가 어느 정도 이하여야 저온소성 기판인가에 대한 명확한 구분은 없다. 다만 앞서 언급한 것처럼 전기 저항이 비교적 작은 Ag, Au, Cu 등을 사용해 동시소성이 가능한 정도를 나타낸다고 보면 타당할 것이다.
이 경우 대부분 내부회로를 갖고 있는 다층구조의 부품을 제조할 때 사용될 수 있는 기판이다.
저유전율을 정의할 때도 같은 맥락에서 일반적으로 사용되는 알루미나 기판에 비해 작은 유전율을 갖는 기판재료를 의미한다.
특별히 저유전율 기판재료가 관심의 대상이 되는 것은 기판위에 형성돼 있는 전송선을 따라 신호가 전달될 때 신호의 지연 정도가 기판 유전율의 평방근에 비례하기 때문이다.
또한 인접한 도체패턴 사이에 발생하는 원하지 않는 부유용량 값을 줄이기 위해서도 저유전율 기판을 사용해야 할 필요가 있다.
현재 개발돼 있는 저소온성(저유전율)기판재료를 살펴보자.
기판 재료를 저유전율화하기 위한 방법 중 가장 대표적인 것은 Al₂O₃, Forsterite, Cordierite, SiO₂ 등을 모재로 하고 여기에 붕규산유리를 조합, 소결하여 치밀화시키는 방법이다.
Al₂O₃ 55wt%와 붕규산납 유리 45wt%조성을 사용하여 9백도에서 소결할 경우 소결체의 꺾임강도가 3천/이상의 값을 얻을 수 있다는 연구결과도 있지만 이 방법을 사용할 경우에는 기공률에 의한 영향도 충분히 고려해야 한다.
저유전율화를 도모하면서 특별히 저열팽창성이 요구될 경우에는 결정화 유리를 함유하는 조성이 효과적이다.
또 다른 방법은 유지질을 함유하지 않은 세라믹 단상을 이용하는 경우이다.
이 경우는 당연히 다른 유리-세라믹계와 비교해 볼 때 결정성이 높기 때문에 고온다습 상태에서도 Ag의 이동이 일어나기 어렵고 열적변화에도 안정성이 높은 장점을 가지고 있다.
이들 방법외에도 기판의 저유전율화을 이루기 위해 다공성 세라믹소결체를 제조한 후 여기에 에폭시 수지 등을 진공함침시켜 세라믹-수지 복합기판을 만드는 방법도 제안되고 있다.
구상의 고분자 입자를 세라믹-유리계와 혼합하여 기판을 제조하고 탈지공정에서 이 고분자 입자를 제거하여 소결체의 내부에 고립기공을 형성시키는 방법등도 제안되었다.
저온소성기판의 또 다른 큰 용도는 내층에 L,C,R과 같은 수동소자를 동시소성에 의해 형성시킬 수 있다는 점이다.
이 경우 기판위에 형성되는 용량은 기판의 유전율과 전극의 면적에 비례하기 때문에 저유전율 기판재료를 사용할 경우 다른 도체패턴간 불필요한 부유용량을 줄일 수 있는 장점을 살릴 수있다. 하지만 부품의 소형화에는 부적합한 경우가 많다.
따라서 이 경우에는 저온소성이 가능하면서도 적절한 범위의 유전율을 갖는 기판재료를 사용해야 한다.
이러한 재료는 고유전율 마이크로파 유전체에 저연화점을 갖는 유리상을 첨가해 만드는 것이 가장 일반적이다.
이같은 방법외에도 세라믹 단상 중에서 저온소결이 가능하고 유전율도 비교적 높은 BaOSrO-ZrO₂-SiO₂계나 Bi₂O₃-Nb₂O계 물질들도 연구, 개발되고 있다.
이같은 특성을 지닌 기판재료들은 칩 LC필터, 휴대전화나 무선전화 등 이동통신기기의 칩형 방향성 결합기, 딜레이 라인, 대역통과 필터나 저역통과 필터로 사용되고 있다.
소결된 기판위에 회로를 형성하는 경우를 살펴보자.
이 경우에는 도체와 동시소성할 필요가 없다. 때문에 소성온도에는 제약을 받지 않는다. 마이크로파 유전체의 일반적 요구사항인 저손실과 사용부품에 필요한 적절한 유전특성을 지니고 있는 재료가 사용된다.
대표적인 예가 GPS용 유전체 기판이다.
평면안테나는 74년 마이크로 스트립안테나가 제창된 이래 많은 연구가 진행돼 왔다.
그 기본구조는 프린트판 위에 원형 또는 방형의 도체 패치를, 이면에는 그라운드를 배치시킨 개방형 공진기를 형성시킨 것이다.
안테나의 최저차 모드에 있어 공진주파수는 다음의 식을 따른다.
원형 MSA: f=1.841C/{2πa(ξ)¹²}
방형 MSA: f=C/{2d(ξ)¹²}
따라서 고유전율 물질을 사용하면 안테나의 소형화가 가능하다.
하지만 안테나 이득의 감소나 주파수 대역폭의 감소가 따르기 때문에 테프론 등의 저유전율 기판을 사용하는 것이 일반적이었다.
GPS용 안테나는 -1백20㏈정도의 미약한 신호를 동시에 여러개 수신하기 위해 무지향성이고 저앙각에서도 고이익을 얻을 수 있어야 한다.
여러 종류 유전체의 비대역폭, 이득, 지향성 등을 검토해 본 결과 ξ=10에서 20정도가 특성과 소형화의 양면을 모두 만족한다고 알려져 있다.
예를 들어 ξ=21인 유전체를 사용해 안테나를 구현했을 경우 종래의 테프론 제품에 비하여 면적을 약 6분의 1이하로 줄일 수 있다.
또한 비대역폭은 기판의 두께에 비례하기 때문에 훨씬 얇게 할 수는 없다. 하지만 6㎜두께에서는 약 3%(RL=10dB)를 얻을 수 있다.
GPS의 신호는 1천5백75.42±2의 C/A코드로 송신된다.
때문에 안테나의 주파수 변동을 고려해도 이 정도면 충분한 대역폭을 얻을 수 있다.
이외에도 유전체 기판 위에 마이크로 스트립 공진기와 주변회로를 일체화하여 소형화를 도모한 9백대역 VCO등도 개발되어 있다.
일본 東光사 제품의 예를 들면 ξ=88인 재료의 기판 위에 무전해 도급법으로 표면에 Cu도체를 형성시킨 후 포토 리소그래피(Photo Lithography)에 의해 스트립공진기와 미세패턴을 형성시키고 질소분위기 중에서 열처리하여 제조된 것이다.
이같이 기판상에 형성시킨 콘덴서 이외에 표면실장 부품을 탑재시킴으로써 종래에 비해 크게 소형화시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 마이크로파 대역에서 사용되는 기판은 그 용도에 따라 각기 다른 특성이 요구되기 때문에 그에 해당되는 다양한 재료가 개발 및 연구, 검토되고 있다.
전수한 기판재료 이외에도 기판 위에 탑재되는 부품이 열을 많이 발생시키는 경우에는 기판의 열전도도가 관심의 대상이 된다.
이런 종류의 기판에는 BeO나 AiN재료 등이 검토될 수 있다.
또한 기판위에 반도체 칩이 직접 실장되는 기법을 사용할 경우에는 반도체 칩과 열팽창 계수가 유사한 기판재료가 검토되어야 할 것이다.