고속 전자기파를 저속 음파로 변환하는

표면탄성파의 기술세계

설계기술의 정밀성과 다양성,신속한 시장대응능력 시급

SAW 필터란 ‘광속으로 전달되는 전자기파 형식의 파를 속도가 아주 느린 음파(Acoustic Wave)의 형식으로 변환한 다음, 그 중에서 원하는 주파수의 파장만 뽑아내는 역할을 하는 부품’을 말한다. 이때 전자기파를 음파로 변환하기 위해서 압전물질(Piezoelectric Material)을 사용하는데, 이러한 물질을 사용해서 전자기파를 음파로 변환하게 되면 크게 두 가지 종류의 음파가 발생한다. 하나는 표면파(Surface Wave)라는 것이고, 다른 하나는 벌크파(Bulk Wave)라고 하는 것이다. 이론적으로는 이 두 가지파중에서 어느 것을 사용하든 상관이 없지만 SAW 필터의 경우에는 표면파를 이용한다. 바로 이러한 특징 때문에 SAW(Surface Acoustic Wave)라는 이름이 붙게된 것이다.

표면탄성파는 탄성고체의 자유 표면에서 발생되어질 수 있다. 이와 같은 현상은 과거 20년 이상 매년 수백만 달러씩 증가하는 군사적, 상업적, 소비자의 응용제품들을 위한 시스템과 여러장치의 개발에 의한 전자공학의 아날로그 신호처리의 업적으로 비교적 새로운 전자기술이며 지난 100년간 누적된 과학적 발견들에 그 뿌리를 두고 있다. 사실, 등방성을 가진 동질 물질인 탄성 고체에서 표면탄성파의 전달에의 수학적인 토론은 1855년 11월 12일에 London Mathematical Society 에서 Lord Rayleigh에 의해서 발표됐다

표면탄성파는 탄성고체의 자유 표면에서 발생되어질 수 있다. 그와 같은 파의 발생은 압전체의 표면에 놓인 금속박막 Inter Digital Transducer(IDT)에 전압의 인가로 만들어진다. 두개의 IDT는 기본적인 SAW 디바이스를 필요로 한다. 이중 하나는 디바이스의 입력과 표면탄성파의신호전압 변환에 작용한다. 다른 IDT는 출력전압으로 돌아오는 SAW의 진동을 변화시키는 출력단의 리시버로 작용한다. 이와 같은 에너지의 변환에는 압전체들이 결합되어 있는 탄성표면에서 사용된 IDT들을 필요로 한다. 그러나 IDT의 외부 표면에서는 단지 압전체가 없는 탄성체를 필요로 하게 된다.

입력과 출력 IDT들은 두 개의 시스템에 적용된 상호작용의 원리로 전자기파를 받고 전달하는 안테나에 비유될 수 있다. 결국, 신호전압들은 결과적으로 다른 IDT에 인가된다. 물론, 이러한 모든 목적은 비교적 전자기파보다는 탄성파의 상호작용을 통한 신호처리 기능에 더 많은 이점을 주고 또한, 그런 처리 과정에서얻을 수 있는 고밀도의 디바이스에 이점이있다

SAW 필터의 특징 및 장단점

앞에서도 언급한 바와 같이 SAW 필터는 전자기파를 음파의 형식으로 변환해서 필터링을 수행한다. 그렇다면, 왜 이와 같은 변환 작업을 하는가 하는 의문이 생긴다. 거의 대부분의 RF 부품의 경우에는, 그 부품에서 다루는 파의 파장과 부품의 크기가 밀접한 상관관계를 가지게 된다. 예를 들어, 부품에서 처리하는 파의 파장이 길면 부품의 크기도 커지고 파장이 짧으면 부품의 크기도 작아지는 것이 일반적인 경향인 것이다. 그렇다면, 어떤 파의 파장을 결정하는 요인은 무엇인가? 그것은 그 파의 주파수와 속도에 의해서 결정된다. 결론만 말하면, 파의 진행 속도가 동일할 경우 주파수가 높으면 높을수록 파장은 짧아지고, 파의 주파수가 동일한 경우에는 진행속도가 느리면 느릴수록 파장이 짧아지는 것이다. 이러한 논리를 적용하면 속도가 동일한 파의 경우에는 주파수가 높은파를 다루는 부품일수록 그 크기가 작아지며, 동일한 주파수의 경우에는 속도가 느린 파를 다루는 부품일수록 그 크기가 작아지는것이다.

바로 이러한 논리에서 SAW 필터를 사용하는 가장 큰 이유중의 한가지를 찾을 수 있다. 속도가 아주 빠른 전자기파(300,000,000m/sec)를 그대로 걸러내는 부품을 만드는 것보다는 속도가 아주 느린 음파(3,000m/sec)로 진행하는 파의 형태로 변환하면 부품의 크기를 엄청나게 줄일 수 있는 것이다. 한 마디로 SAW를 사용하면 전자기파를 그대로 사용하는 필터보다는 그 크기가 엄청나게 작다는 것이다.

또 한가지 SAW 필터가 갖는 장점은 필터의 형상지수(Shape Factor)를 아주 좋게 만들 수 있다는 것이다. 사실 가장 이상적인 필터는 우리가 원하는 주파수 대역의 에너지는 100% 통과시키고, 원하는 주파수 밖의 에너지는 전혀 통과시키지 않는 성질을 가진 것이다. 하지만, 현실적으로 이와 같은 필터를 구현한다는 것은 불가능할 뿐만 아니라 수학적으로도 이와 같은 모양의 함수를 만드는 것은 거의 불가능하다. 이와 같은 현실을 그대로 인정한다고 하면 이상적인 필터와 동일한 것이라는 할수 없지만 가능한한 이상적인 필터의 특성에 근접하는 기능을 갖는 것을 만드는 것이 모든 필터 설계자의 지상과제인데 현재까지 개발된 그 어떤 종류의 필터보다도 SAW 필터가 이와 같은 이상적인 필터특성에 가깝다는 것이다.

그렇다면, SAW 필터라는 것이 무조건 장점만 가지고 있는가? 물론 그렇지는 않다. SAW 필터에도 나름대로의 문제점이 있다. 첫 번째 문제점은 필터의 동작 원리가 하나의 에너지형식(전자기파)을 다른 종류의 에너지형식 (표면파)으로 변환하는 과정을 거치기 때문에 이들 변환 과정에서 유발되는 에너지 손실과 필터의 구조상의 특징 때문에 필터를 통과하는 에너지에 대한 삽입손실(Insertion Loss)이 커진다는 것이다.

그리고, 일반적으로 전자기파를 그대로 처리하는 필터에 비해서, SAW 필터의 경우에는 아주 작은 면적의 평면에 아주 복잡한 패턴의 전극들이 배열되어 있는 구조를 하고 있기 때문에, 과도한 크기의 에너지가 유입될 경우에는 이들 전극들이 끊어지거나 떨어져 나가는 사태가 발생할 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 다른 종류의 필터에 비해서 파워핸들링을 할 수 있는 범위가 좁다는 것이다.

SAW 필터 설계 기술상의 특징 및 선도 업체

어떤 종류의 부품이든 그 부품을 개발하고 생산하기 위해서는 그 부품에 대한 설계기술과 공정기술이 필요하다. 그런데, 이들 중에서 어느 것이 더 중요하고 더 큰 비중을 차지하는가 하는 것은 그 부품의 특징에 달려 있다. 어떤 경우에는 설계기술에 비해서 공정기술이 더 중요한 비중을 차지하는 것도 있고, 또 어떤 경우에는 공정기술보다 설계기술이 더 중요한 경우도 있다.또 다른 경우에는 설계기술과 공정기술이 똑같이 뒷받침되어야 하는 것도 있다. SAW 필터의 경우에는 어떠한가? SAW 필터의 경우에는 공정기술보다 설계기술이 훨씬 더 중요한 역할을 하는 디바이스라고 할 수 있다. 물론, 그렇다고 SAW 필터의 공정이 아무나 할 수 있는 간단한 것은 아니지만, 엄청난

정밀도와 여러 장의 마스크를 사용해야하는 반도체 공정에 비하면 SAW의 공정은 상대적으로 아주 간단한 공정으로 분류할 수 있다는 것이다. 어쨌든 산술적인 숫자만을 빌어서 표현한다면 SAW 공정은 서브마이크론 이하의 정밀도를 요구하는 경우도 그리 많지 않으며, 또 한단한장의 마스크만으로 디바이스가 완성되는 것이니까.

그런데, 이와 같은 특성은 상황에 따라서 유리한 점이 될 수도 있고 불리한 점이 될 수도 있다. 그 동안 SAW에 대한 설계기술을 충분히 축적하여 시장에서의 요구에 따라서 새로운 모델들을 신속하게 내놓을 수 있는 능력을 가지고 있고, 또 기존에 개발된 모델이라고 하더라도 시스템설계자의 요구에 따라서 그 기능을 세부적으로 튜닝할 수 있는 능력을 가진 업체의 경우에는 비교적 저가의 공정시설 투자만으로도 충분한 이익을 남길 수 있는 반면, 이와 같은 설계기술이 제대로 확보되어 있지 않은 회사의 경우에는 엄청난 정밀도와 자동화된 장비를 가지고 있다 하더라도 시장에서 많은 이윤을 남길 수 있는 고부가가치의 SAW 필터를 생산하기는 어려운 것이다.

SAW의 설계기술은 크게 RF 영역이냐 IF 영역이냐에 따라서 그 방식에 큰 차이가 있고, 또 필터의 대역폭이 좁으냐 넓으냐에 따라서도 그 설계방식에 많은 차이가 있는데, 이 중에서도 특히 IF단에서 사용되는 SAW 필터의 설계가 기술적으로 훨씬 더 어려운 문제들을 안고 있다. 간단히 말하면 IF 영역의 SAW 필터의 경우에는 정밀도보다는 설계기술이 특히 큰 비중을 차지하고 RF 영역의 SAW 필터의 경우에는 설계기술에 비해서 공정기술의 비중이 높다고 할 수 있는 것이다. 또 필터의 대역폭이 좁으냐 넓으냐에 따라서도 그 설계방식에 많은 차이가 있는데, 이 중에서도 특히 IF단에서 사용되는 SAW 필터의 설계가 기술적으로 훨씬 더 어려운 문제들을 안고 있다. 간단히 말하면 IF 영역의 SAW 필터의 경우에는 정밀도보다는 설계기술이 특히 큰 비중을 차지하고 RF 영역의 SAW 필터의 경우에는 설계기술에 비해서 공정기술의 비중이 높다고 할 수 있는 것이다.

현재 이들 설계기술 및 시장에서 선도적인 역할을 하고 있는 업체들을 보면,어플리케이션 영역에 상관없이 IF 영역의 SAW 에서는 거의 모든 부분에서 선도적인 역할을 하고 있는 SawTek이 있고, 주로 GSM 용 단말기의 IF 필터에서 강세를 보이고 있는 Vectron이 있고, CDMA 용 단말기 IF 필터에서 강세를 보이고 있는 Thomson 이 있다. 반면 RF 영역의 경우에는 거의 대부분의 시장이 무라타(Murata)나 엡코스(Epcos)와 같이 일본 회사나 일본 회사가 참여한 합작 회사들에서 거의 대부분의 시장을 장악하고 있다고 해도 과언이 아니다. 아마도 이와 같은 시장판도만을 보더라도 SAW 필터의 설계기술상의 특징을 어느 정도 가늠할 수 있을 것이라 생각한다.

한편 국내 SAW 필터개발 생산업체의 경우를 보더라도 크게 IF 부분에 강세를 보이고 있는 곳과 RF 부분에서 강세를 보이고 있는 곳으로 나누어진다. RF 부분, 특히 이동통신단말기의 RF 영역에서는 삼성과 LG가 국내 RF SAW 필터의 대부분을 차지하고 있으며, IF 부분에서는 (주)아이티에프가 많은 원천기술을 확보하고 SawTek과 같은 해외업체들과의 경쟁을 강화하면서 시장점유율을 점점 높여가고 있는 상황이다.

SAW 필터기술의 경향 및 전망

앞으로의 SAW 필터의 설계 기술은 어떤 방향으로 진행될 것인가? 물론, 이러한 종류의 질문에 대한 답변은 어느 누구도 확실히 얻어낼 수는 없다. 하지만 현재의 기준에서 봤을 때 몇 가지 두드러진 현상들은 찾아볼 수 있다.

SAW에 대한 기술전망 또한 RF 부분과 IF 부분으로 나누어 생각해볼 수 있는데, RF 부분에서는 기존의 성능에 손상을 주지 않는 상태에서 부품의 크기를 줄일 수 있는가 하는 것이 최대의 관건이고, 또 한가지는 SAW를 이용한 듀플렉스를 개발하는 것이다.

그리고, IF 부분에서도 역시 부품의 크기를 줄이는 것이 중요한 과제 중 하나이다. 게다가 IF 영역에서는 SAW 필터의 가장 큰 단점 중의 하나로 지적되어 오던 삽입 손실 (Insertion Loss)을 얼마나 줄일 수 있는가 하는 것이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 그리고, 또 한가지. 현재까지의 IF 단필터는 응용분야에 크게 상관없이 몇 가지 종류의 표준화된 스펙(Specification)을 구현한 것이 대부분이었는데, 최근 들어 무선통신 기술 을 활용하는 어플리케이션 영역이 다양화됨에 따라서 기존에 사용되던 표준 스펙에서 벗어나는 SAW 필터에 대한 요구가 높아져서, 얼마나 빠른 시간내에 시장에서 요구하는 다양한 스펙들을 개발할 수 있는가 하는 것이 큰 기술적인 문제로 부각되고 있다. 다시 말하면 설계기술의 정밀성 뿐만 아니라 설계기술의 다양성까지도 확보해야 하는 상황이 된 것이다.