[논문]저손실 고주파 유전재료 개발 동향

한찬수; 이준석; 조연화; 최익진; 조용수

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문제 정의

낮은 소결온도에서 더 향상된 유전특성을 얻기 위하여 alkali 원소가첨가된20RO-20La₂O₃-60B₂O₃ (R=Ca, Mg, Zn) 유리를 제조하여 특성을 연구하였다. 40 wt% 알루미나가 혼합되어 850℃에서 소결되었을 때 Zn가 첨가된 유리의 경우 낮은 온도에서 치밀화 과정이 진행되며 결정화 과정에 Zn가 관여하면서 ZnAl₂O₄ 상을 형성하여 8.
조성의 anorthite 유리 기반 소재도 고주파에서의 유전 성질과 함께 세라믹 filler 의 영향 또는 전극 물질과의 반응성과 관련하여 활발한 연구가 진행되고 있다. 본지에서는 희토류 원소가 첨가된 lead-free borates 유리 기반의 LTCC 소재 연구 동향과 유전성질에 대해 다루었다. 850℃의 낮은 소결온도에서의 우수한 유전성질과 내산성 그리고 RoHS 규정에 부합하는 조성은 고주파용 LTCC 소재로 상용화되기 위한 충분한 잠재력을 보여주었다.
새로운 박막형 유전체 연구로서 무소성 기판에 적용할 저온 공정 초저손실 유전체 재료들 중에 forsterite를 선정하여 PVD 증착법 중의 하나인 RF magnetron sputtering에 의한 박막 증착 공정 최적화 및 금속 배선과의 연계성 등을 통하여 다층으로서의 응용 가능성에 관한 연구를 진행하고 있다.
연구 방향은 크게 3가지로 유리 기반 저온 동시소성 세라믹(LTCC)와 초저손실 벌크 유전체 그리고 이의 재료를 응용한 저온 공정 박막 유전체로 나누어져 있으며 지금부터 각 연구 영역에 대해 간략히 소개하고자 한다.

제안 방법

RF magnetron sputtering 공정을 제어하는 base pressure, gas ratio, RF power 등과 같은 변수 중 working pressure를 조절하고 저온 공정을 위해 실온에서 증착하였다. Working pressure가 증가함에 따라 낮은 증착률을 얻을 수 있었고, grain size는 작아지는 것을 알 수 있었다.
휴대용 소형 전자기기 사용이 증가함에 따라 고집적화된 초고주파용 수동소자의 개발이 요구 되었다. 고집적도를 이루기 위해 다층(multilayer) 기술이 적용되어 기판내부에 capacitor, resistor, inductor 등의 수동소자를 내장하여 고집적화, 경박단소화, 고신뢰성을 이룰 수 있게 되었다. 수동소자의 구동을 위하여 전기 전도도가 높고 저가인 은, 구리의 전극 물질을 사용하는데 이 물질들의 녹는점은 900℃ 이하이다.
우수한 유전특성과 내산성을 나타낸 20ZnO-20La2O3-60B2O3 유리에서의 희토류 원소의 영향을 살피기 위해 ZnO-R’2O3-B2O3 (R’=La, Nd, Sm & Gd) 유리를 제조하여 연구하였다.

대상 데이터

6. 상용 및 고순도 파우더로 제조한 forsterite 세라믹스. (Ref.

성능/효과

1) 이 가운데서 26 mol% La₂O₃와 74 mol% B₂O₃ 이루어진 유리와 30 wt% 알루미나가 혼합된 재료의 경우 8.4의 유전상수 값과 15.8 GHz에서 785의 Q 값을 보이며 lead-free 유리 기반 LTCC 소재로의 응용 가능성이 확인되었다.²⁾
(R=Ca, Mg, Zn) 유리를 제조하여 특성을 연구하였다. 40 wt% 알루미나가 혼합되어 850℃에서 소결되었을 때 Zn가 첨가된 유리의 경우 낮은 온도에서 치밀화 과정이 진행되며 결정화 과정에 Zn가 관여하면서 ZnAl₂O₄ 상을 형성하여 8.3의 유전상수 값과 1,091의 Q 값의 우수한 유전특성을 나타내었다. 게다가 Mg 또는 Zn가 첨가된 유리기반의 세라믹 소재의 경우 우수한 내산성특성을 지니고 있어 상용화 가능성이 향상되었다.
1의 유전상수 값과 312의 Q 값을 보이며 상용화된 LTCC 물질로의 응용 가능성을 나타내었다.⁵⁾ 그리고 La와 Nd의 경우 Zn와의 상대적인 비를 변화하여 그 특성을 연구하였는데15ZnO-25Nd₂O₃-60B₂O₃ 유리와 50 wt% 알루미나를 혼합한 세라믹 소재가 6.5의 유전상수 값과 1,194 의 Q값을 가지며 가장 우수한 유전특성을 보였다. 15ZnO-25Nd₂O₃-60B₂O₃ 유리 기반 소재의 경우 TCF 값이 매우 큰 음의 값을 가지고 있었기 때문에 TiO₂의 첨가를 통해 TCF 값을 0 ppm/℃ 로 만들 수 있었다.
본지에서는 희토류 원소가 첨가된 lead-free borates 유리 기반의 LTCC 소재 연구 동향과 유전성질에 대해 다루었다. 850℃의 낮은 소결온도에서의 우수한 유전성질과 내산성 그리고 RoHS 규정에 부합하는 조성은 고주파용 LTCC 소재로 상용화되기 위한 충분한 잠재력을 보여주었다.
RF magnetron sputtering 공정을 제어하는 base pressure, gas ratio, RF power 등과 같은 변수 중 working pressure를 조절하고 저온 공정을 위해 실온에서 증착하였다. Working pressure가 증가함에 따라 낮은 증착률을 얻을 수 있었고, grain size는 작아지는 것을 알 수 있었다. 20mTorr와 30mTorr에서 증착된 forsterite의 경우 기존 행하여진 실험들에서 나타난 유전상수 6~7의 값과 0.
03의 이하의 낮은 유전손실값을 얻을 수 있었다. 가장 좋은 유전 성질을 갖는 30mTorr의 증착조건을 이용하여 다층으로서의 응용성을 타진한 결과 Fig. 10에서와 같이 유전 박막 2층을 적층할 수 있었다. 이 연구를 통해 기판의 고성능화 및 소형화에 비약적인 성장을 기대할 수 있으리라 본다.
(R’=La, Nd, Sm & Gd) 유리를 제조하여 연구하였다. 이 가운데 Gd 이 첨가된 유리의 경우 40 wt% 알루미나와 혼합하여 850℃에서 소결하였을 경우 8.1의 유전상수 값과 312의 Q 값을 보이며 상용화된 LTCC 물질로의 응용 가능성을 나타내었다.⁵⁾ 그리고 La와 Nd의 경우 Zn와의 상대적인 비를 변화하여 그 특성을 연구하였는데15ZnO-25Nd₂O₃-60B₂O₃ 유리와 50 wt% 알루미나를 혼합한 세라믹 소재가 6.

후속연구

그러나 최근에 이러한 문제점을 해소하고, mm파 응용의 보급 확대를 통한 새로운 시장 창출을 위하여 선진 기업들을 중심으로 제품의 소형화와 함께 저가격화의 장점을 지닌 waveguide를 대체하는 SiP (System In Package) 형태의 세라믹 패키지 기술 응용 개발뿐 아니라, 새로운 저온 소성 유전체 기판 재료에 대한 연구를 활발히 진행하고 있어서 이러한 응용 시장이 빠른 속도로 창출될 것으로 기대하고 있다. Fig.
10에서와 같이 유전 박막 2층을 적층할 수 있었다. 이 연구를 통해 기판의 고성능화 및 소형화에 비약적인 성장을 기대할 수 있으리라 본다.
2는 mm파 관련 기판 물량 및 시장 예측을 나타낸 그림이다. 이를 보면 향후 mm파 관련한 시장의 지속적인 성장 가능성을 파악 할 수 있다.
현재와 같은 시장 초기에 맞추어 mm파 응용을 위한 SiP 세라믹 패키지 기술 개발 및 관련 소재 원천 기술력 확보는, 기존의 포화 상태와 치열한 경쟁이 진행되는 수기가 주파수 대역의 세라믹 패키징 관련 국내 업계의 새로운 전기를 마련할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

초고주파대역을 무엇이라 지칭하는가?

최근 들어 이러한 초고주파대역을 “mm파”라고 지칭하고 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 mm파 주파수 대역 사용의 장점은 오래전부터 인식되어 왔지만, 고가의 구현기술 문제로 군사용이나 특수 무선 송수신용으로만 전개 되어왔다.

저손실 유전체 박막을 증착시키는 방법으로는 무엇이 있는가?

저손실 유전체 박막을 증착시키는 방법으로는 물리증착법(PVD; physical vapor deposition), 화학증착법(CVD; chemical vapor deposition) 그리고 sol-gel 법을 통한 spin coating 등이 있다. 이러한 박막 증착 공정들이 3D SiP 기술에 적용되기 위해서는 다른 소자들이나 금속 배선에 열적 피해를 주지 않기 위해 저온공정이라는 제한 조건이 따르게 되며, 저온 공정은 공정의 간결화를 통해 저가격화라는 시장의 요구사항 또한 만족 시킬 수 있다.

mm파 주파수 대역 사용이 군사용이나 특수 무선 송수신용으로만 전개 된 이유는?

그러나 mm파 주파수 대역 사용의 장점은 오래전부터 인식되어 왔지만, 고가의 구현기술 문제로 군사용이나 특수 무선 송수신용으로만 전개 되어왔다. 그 주된 이유로는 새로운 산업 application 활성화의 부족과 관련 MMIC 기술 개발의 미진, 그리고 기존의 금속가공을 통한 bulky한 제품과 고가의 제작비용이 문제로 대두 되어 왔다.

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