무선통신시스템 시장이 하루가 다르게 성장하고 있는 가운데 무선통신시스템의 요구를 충족시키기 위해 대량의 정보를 빠르게 처리할 수 있는 고주파 반도체소자가 부각되고 있다. 대규모 통신용량을 수용하기 위해 사용주파수가 점차 높아지게 되고 고성능 및 고속의 통신시스템을 요구하게 됨에 따라 초고속 고주파 반도체소자의 필요성이 한층 부상하고 있기 때문이다. 과거에는 고주파 무선통신용 소자 또는 회로를 구현함에 있어 수동소자나 단일부품 등을 사용했으나 고주파의 신뢰성에 문제가 있어 반도체 기술을 이용한 소자의 사용이 늘어나고 있는 추세이다. 더불어 고주파 특성이 우수하고, 신호 크기에 따른 특성 변화가 적으며, RF단의 여러 소자들을 단일 칩으로 집적 가능하게 한 정보통신용 부품으로 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 개발이 급진전되고 있고, 중요성이 날로 확대되고 있다. 특허청에 따르면, 현대사회의 다양화와 전문화에 따른 신속한 정보교환의 필요성에 의해 언제 어디서나 통화가 가능한 다양한 무선이동통신시스템 시장이 빠른 속도로 증가하고 있다. 무선이동통신 기술의 핵심이 고주파 반도체소자이며, 통상 GHz대 이상의 고주파수 대역 신호를 고속 처리할 수 있는 고주파시스템에 사용되는 고주파소자 중 반도체공정을 이용해 제작된 반도체소자를 총칭해 고주파반도체소자라 한다. 위성 및 정보통신 분야에 있어 정보통신 기술발달과 함께 다양한 미디어가 나타나기 시작했고 공간적 시간적 제약에서 벗어날 수 있는 무선 및 이동통신에서도 다양한 미디어가 요구되고 있기 때문이다. 그러나 기존의 무선 및 이동통신 주파수대역에서는 현재 사용자가 원하는 만큼의 충분한 정보를 제공할 수 없을 뿐만 아니라 많은 기존 공중파 사업자와 통신업자들이 점유하고 있어 새롭게 출현하고 있는 고품질의 무선 및 이동통신 멀티미디어 서비스들은 아직 사용하고 있지 않은 더 높은 고주파영역으로 자리잡고 있다. 이에 따라 새롭게 부각된 것이 고주파회로의 핵심소자인 고주파 반도체소자이다. 무선통신 시장이 활성화되면서 무선통신시스템이 대중화됐으며 사용자가 급속히 늘어나게 됐고, 대량의 통신용량을 수용하기 위해 사용주파수가 점차 높아지고 있으며, 무선통신시스템의 활성화와 고성능 통신시스템에 대한 요구의 증가는 초고속 고주파 반도체소자의 필요성을 한층 부각시키고 있다. 이동통신을 무선통신의 기술발전단계로 구분할 때 제1세대는 아날로그이동통신, 제2세대는 디지털이동통신, 제3세대는 IMT-2000의 차세대 통신으로 구분되며 해를 거듭할수록 새로운 기술을 이용한 서비스가 제공되고 있다. 정보화사회의 통신수단인 무선통신기술에서 신호를 주고받는 기능을 하는 송수신부품은 가장 중요한 부품의 하나로 시스템의 성능을 좌우하기 때문에 시스템의 경쟁력을 확보하기 위해서는 부품의 집적화에 의한 소형화, 저가격화, 고신뢰성이 요구되는 한편 고기능화가 요구되고 있다. 이동통신용 고주파 반도체부품은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체와 Si 반도체에 의하여 주로 제작되고 있으며, 이동통신용 무선단말기에서의 기술적 요구사항은 가능한 가장 낮은 전력에서 사용 가능한 기능 블록의 운용주파수이고, 또 다른 하나는 시스템의 성능 요구사항이다. 이러한 단말기는 소형화, 경량화 및 저소비전력형의 고주파 반도체소자를 요구하고 있어 현재까지는 GaAs화합물 반도체가 주로 이용되고 있으나, 앞으로 2-3년 후에는 Si 반도체기술로도 2GHz 이하의 고주파 반도체소자의 성능을 만족시킬 수 있을 것으로 예상된다. 고주파 반도체 소자를 집적정도에 따라 HMIC(Hybrid Microwave IC), MMIC(Monolithic Microwave IC) 및 개별소자로 분류할 수 있으며, 기능적으로는 저잡음 증폭기, 주파수 혼합기 등으로 구분할 수도 있지만 각 기능회로에서 사용하는 기술이 서로 독립적이지 않고 중첩되어 있다. 즉, 기술의 효과 면에서 증폭도를 향상시키기 위해 저잡음 증폭기에 적용한 기술은 주파수 혼합기, 전력증폭기 등 다른 회로에도 적용이 가능하고, 효율을 개선하기 위해 전력 증폭기에 사용한 기술은 저잡음 증폭기에도 적용이 가능하다. 기존의 마이크로파회로는 HMIC(Hybrid Microwave IC)가 주류를 이루었으나, 1980년대 이후에는 초고주파 반도체기술의 급속한 발전에 힘입어 능동소자와 수동소자를 하나의 반도체 기판 위에 일관공정으로 제작하는 고주파집적회로인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 무게 중심이 이동되는 추세이다. 수동소자는 유전체 기판 위에 구현되고, 능동소자(고주파트랜지스터)는 반도체 상에 제작되어 표면실장(surface mount technology)이나 와이어 본딩 등의 방법을 이용해 저항, 커패시터, 인덕터 등 수동소자와 연결해 집적회로를 구성한 것이 HMIC(Hybrid Microwave IC)이며, 일반적으로 중전력, 전력, 고전력 HMIC 모듈을 포함하고, 단일 패키지에 포함된 하나 이상의 다이로 구성된 하이브리드 반도체의 형태를 갖고 있다. MESFET, HEMT/PHEMT, HBT, 바이폴라, MOSFET 기술을 이용한 회로소자를 HMIC라 한다 화합물반도체의 응용부품으로 고주파특성이 우수하고 선형성이 우수하며 송수신단의 여러 소자들을 단일칩(Monolithic)으로 집적이 가능하게 한 정보통신용부품이 MMIC(Monolithic Microwave IC)이며, MMIC는 능동소자와 수동소자가 단일의 기판 위에서 구현된 회로형태를 말한다. 일반적인 하이브리드 회로에서는 수동소자는 유전체 기판위에 구현되고 능동소자는 반도체 상에 제작돼 표면실장(surface mount technology)이나 와이어 본딩 등의 방법을 통해 수동소자와 연결하지만, MMIC에서는 능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도 그대로 이용해 별도의 연결수단 없이 한 기판 위에 마이크로파 회로 동작에 필요한 모든 RF소자를 구현한다 MMIC는 모든 능동소자와 수동소자들이 하나의 기판 위에서 구현된 회로로, 능동소자의 기판으로 사용되는 반도체를 수동소자의 제작에도 그대로 이용해 별도의 연결수단 없이 한 기판 위에 마이크로파 회로동작에 필요한 모든 고주파반도체소자를 구현함으로써 크기와 무게가 하이브리드 형태에 비하여 수십 배에서 수백배 이상 작아지는 장점 때문에 휴대전화기 같이 점차 경량화, 소량화 추세로 작은 칩 크기를 갖는 MMIC의 수요가 늘어날 것으로 예상된다. 칩의 크기가 작아질수록 한 웨이퍼에서 생산되는 칩의 개수가 늘어나므로 공정원가는 줄게되고 생산단가가 낮아져 칩의 소형화는 중요한 요소가 되고, MMIC의 중요한 설계 사양 중의 하나는 칩의 소형화이며 이를 줄이기 위한 여러 가지 설계기법이 연구되고 있다. MMIC의 장점으로는 와이어 본딩 등의 외부적인 연결수단을 최소화 할 수 있다는 점이며, 와이어 본딩 과정이 생략됨으로써 패키징 단가를 줄일 수 있고 와이어 본딩과정에서 기인하는 비반복성과 신뢰성 문제를 최소화 할 수 있다. 본드 와이어 및 패키지의 기생효과로 인하여 하이브리드 형태의 가용주파수 대역은 30㎓ 이하로 한정돼 있었으나 본드 와이어를 쓰지 않는 MMIC 기술은 평면형 마이크로파 회로의 경우 가용주파수 대역이 밀리미터파(30㎓ 이상)까지 가능한 장점을 가지고 있다. MMIC는 소형 경량 고효율이며, 설계 및 운용상 유연성(Flexibility)이 높은 트랜지스터를 능동소자로 사용하고 있는데, 마이크로파 대역의 전력증폭 소자로 널리 쓰이고 있는 기술이 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)이며, 11단계의 마스크 공정을 거치는 실리콘(Si) 기술로도 가능한 비교적 제작이 용이한 기술이다. 기타 기술로는 HEMT(High Electron Mobility Transistor)/ PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)가 있으며, 동작 성능과 주파수를 강화하는 GaAs/GaAlAs 접합을 만들기 위해 GaAlAs와 같은 재료를 사용하는 이종접합(Heterojunction process) 등도 사용되고 있다. MMIC에 사용되는 다른 기술로는 단일의 양전원 전압에서 동작하는 HBT(Heterojuction Bipolar Transistor)가 있으며, PHEMT 기술에 사용되는 것과 유사한 이종구조가 사용되고 PHEMT, HBT 모두 MESFET 소자보다 더 높은 차단주파수(Cutoff frequency)와 최고 발진 주파수를 가지고 있다. 밀리미터파 대역에서는 MESFET보다 동작주파수가 높고 전력이득과 효율 및 잡음지수 특성이 좋으면서 공정이 상대적으로 간단한 HEMT계열이 전력증폭 소자로 유망하다. 고주파반도체 시장은 1990년 후반 이동통신 시장의 폭발적으로 성장함에 따라 연평균 20% 이상 성장했으며, 무선통신용 고주파반도체 시장규모는 1998년 54억달러에서 1999년 65억달러, 2004년에는 170억달러를 상회할 것으로 예측되고 있다. 특히, DRAM 시장이 하강국면으로 접어들면서 2005년까지 산업성장을 위축시킬 것으로 예상되는 반면, 무선응용반도체소자의 매출액은 컴퓨터어플리케이션 반도체 매출액보다 훨씬 더 빠른 속도로 성장해 2004년경에는 무선응용반도체가 전체 반도체 시장의 15%를 점할 것으로 예상되고 있다. 그러나 시장경제적 유인 및 국내의 고주파 반도체소자의 소비가 전세계 생산량의 약 6%에 달하고 있음에도 불구하고 생산기반이 절대적으로 취약해 고주파 반도체소자의 각 분야에서 상위에 위치하는 기업이 하나도 없는 실정이어서 그만큼 비메모리분야인 고주파 반도체소자의 개발 및 육성정책이 절실한 실정이다. 다만, 무선응용 고주파 반도체소자의 입지확보는 제품개발과 설계에 막대한 자금이 소요되고, 제품의 개발이 완료돼 성능검증이 이루어졌다고 하더라도 고주파 반도체소자의 기술에 대한 원천특허를 가진 선진 외국기업들의 기술 견제가 더욱 심해질 것으로 보여 특허분쟁이 일어날 여지가 우려되고 있다. 고주파반도체 관련 연구개발은 벤처기업을 중심으로 일부 대기업만이 참가하고 있는 것이 한국의 현실로 고주파 반도체소자기술에 대한 기술개발 노력과 더불어 선진 외국기업의 특허동향을 면밀히 검토하고 또한 개발된 기술에 대해 특허를 확보하고 관리를 철처히 이행함으로써 선진 외국기업의 특허분쟁에 휘말리지 않고 대응하는 수단을 강구해야 할 것으로 지적되고 있다. 그래프,도표:<고주파반도체 세계시장 전망><고주파반도체 세계시장 전망><미국·일본·한국의 고주파반도체 특허 출원추이> <Chemical Daily News 2002/01/11> |
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