사진; KAIST가 개발한 분산 발진기 칩을 60배로 확대한 전자현미경 사진.
무선 통신 기기의 고주파 동작 대역에서 발생하는 잡음을 획기적으로 개선한 무선 고속 데이터 송·수신용 핵심 칩이 처음 개발됐다.
과학기술부의 국가 지정 연구실로 운영되고 있는 한국과학기술원(KAIST) 3차원 미세구조체 연구실(연구책임자 윤의식 교수)은 상보형 금속산화물반도체(CMOS)회로 위에 저손실의 초미세전자기계시스템(MEMS)결합 전송선을 시스템온칩(SoC)으로 구현해 13GHz 대역의 분산 발진기를 개발하는데 성공했다고 15일 밝혔다.
이번 연구결과는 낮은 손실을 갖는 MEMS결합 전송선을 SoC로 집적화해 성능을 향상시킨 세계 최초의 연구 사례로 이달 말 미국 샌프란시스코에서 열리는 IEEE 국제고체반도체회로학술회의 (ISSCC)에서 발표된다.
윤 교수는 “13GHz 대역으로 상용화가 가능한 9dB 수준의 낮은 위상 잡음 특성을 가진 SoC를 구현해 CMOS 제조단가를 획기적으로 낮췄다”고 말했다.
이 발진기는 무선 통신 시스템의 핵심부품으로 음성을 포함한 데이터 신호를 RF 신호, 또는 그 역으로 변환해 주는 역할을 하는 기기로 13GHz 이상의 높은 주파수 대역에서 사용할 수 있도록 기존의 방식에 비해 위상 잡음 특성을 3분의 1수준으로 크게 줄였다. 특히 저손실의 MEMS 결합 전송을 CMOS회로 위에 집적 발진기 성능 유지에 필요한 전력 소모량을 기존의 절반으로 줄였다.
그동안 고주파 발진기 분야에서는 수 GHz 대역에서 인덕터와 커패시터를 이용한 LC형 발진기가 주로 사용되었다. 그러나 방식의 발진기는 응용 주파수가 높아질수록 능동 소자의 전류구동 특성이 나빠지고 수동 소자의 저항이 커지는 어려움을 겪어왔다.
이 분야연구에 있어서는 미국의 스탠퍼드대와 칼텍대가 제조 단가가 낮은 CMOS 공정 기술을 기반으로 하는 18∼20dB 수준의 분산 발진기를 내놓고 있다.
윤 교수는 “MEMS 기술이 접목된 CMOS 기술로 무선 통신기기의 시스템 집적화(SoC)의 가능성을 보여주었다는데 큰 의미가 있다”며 “신뢰성과 패키지 등은 계속적인 연구가 더 필요하다”고 말했다.
<대전=박희범기자 hbpark@etnews.co.kr>
◆ 용어설명
- CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 상보형 금속산화 반도체라는 뜻으로 컴퓨터에서 배터리에 의하여 동작되는 기억 장치로 컴퓨터 시스템의 구성 정보를 보관하는 기억 장소의 재료로 사용되고 있다.
- MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 초미세전자기계시스템으로서 반도체 칩에 내장된 센서·밸브·기어·반사경·구동기 등과 같은 아주 작은 기계장치와 컴퓨터를 결합하는 기술을 일컫는다.