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RF모듈 및 RF-IC 기술동향

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이동통신을 포함한 무선통신은 기존의 무선통신 서비스와 더 불어 3G 이동통신, GPS, 위성/지상파 DMB, 와이브로 및 UWB 등 다양한 멀티미디어 기능을 포함한 무선통신의 등장과 함께 무선통신 시스템 및 단말기에 사용되는 부품 및 모듈의 초 소형화 및 다기능화가 필수적으로 요구되어지고 있다.

특히, 이러한 멀티미디어 기능에 따른 데이터를 안테나를 통 하여 송수신해 주는 RF부에 포함되는 RF 부품 및 모듈은 적용 분야에 따라 초소형화와 저전력 소모 및 다기능화가 급속히 이 루어지고 있다. 이에 따라 RF부의 IC화와 복합 모듈화 등이 급 속히 연구, 개발되고 있으며, 기능 및 적용 분야에 따라 다양한 제품들이 개발되고 있다.

RF-IC는 기존의 헤테로다인 송수신 방식에서 Zero-IF나 Direct conversion 방식을 채택한 제품들이 주로 개발되고 있 으며, 미세 반도체 설계 및 공정의 개발을 통하여 5GHz 정도의 고주파 대역까지 CMOS 공정을 이용하여 RF-IC 구현이 가능 해지고 있다.

또한, 베이스밴드부가 대부분 CMOS로 이루어져 있어 RF부 와 베이스밴드부의 단일 칩 구현이 개발되고 있다.

RF 모듈은 기존의 다양한 부품으로 구성되던 형태에서 RF 부의 단순화와 RF 부품의 IC화에 따라 이를 접목시킨 초소형 복합부품의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이를 위하여 LTCC 세라믹 기판 적층기술과 RF MEMS 및 나노 RF 기술 등을 융 합한 RF 모듈들이 연구, 개발되고 있다. 본 고에서는 이와 같은 RF부의 개발 흐름과 이에 따른 기술의 동향에 대하여 서술하고 자 한다.

RF 모듈

RF 모듈은 송수신 형태 및 주파수, 기능에 따라 다양한 형태 로 이루어지고 있으며, 기본적으로는 RF 프론트 앤드(front end) 모듈인 RF FEM 모듈로부터 그 영역이 확대되어진다고 볼 수 있다.

RF 모듈의 종류는 일반적인 RF부와 IF부 전체를 포함하는 RF부 모듈과 ASM(Antenna switch module)을 포함하는 RF 송수신 FEM 모듈, 그리고 RF-IC 및 LTCC 세라믹 공정기술, RF MEMS, 나노 RF 기술 등을 접목한 RF 복합 모듈로 크게 나눌 수 있다. 이 RF 모듈들은 기능별 각 RF 부품의 포함여부, 기판의 재질 및 종류, 그리고 무선통신 적용분야 및 주파수대역 에 따라 구분되어 사용되며, 현재의 기술개발 추세는 세라믹 LTCC 적층기판 기술을 이용하여 다양한 능수동 부품들과 RF- IC를 내장, 접목하여 초소형화와 우수한 RF 특성을 구현하는 추세를 보이고 있다.

RF 모듈의 종류 및 기술 동향

RF FEM(RF Front End Module)

RF FEM은 주로 이동통신 단말기에 사용되어지며, 단말기의 소형화 및 다기능화에 대응하기 위하여 부품업체에서는 모듈화 제품의 채택을 적극 추진하고 있으며, FEM(Front end Module)의 수요와 기술 향상도 이러한 추세에 대응하며 지속 될 것으로 예상되고 있다.

RF 모듈은 기존의 다양한 부품으로 구성되던 형태에서 RF부의 단순화와 RF 부품의 IC화에 따라 이를 접목시킨 초소형 복합부품의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이를 위하여 LTCC 세라믹 기판 적층기술과 RF MEMS 및 나노 RF 기술 등을 융합한 RF모듈들이 연구, 개발되고 있다. 본 고에서 는 이와 같은 RF부의 개발흐름과 이에 따른 기술의 동향에 대하여 서술하고자 한다.

글: 이규복 책임연구원 / 전자부품연구원 무선통신부품 연구센터 leekb@keti.re.kr / www.keti.re.kr

Technology Focus

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RF FEM(Front end module)은 크게 두 종류로 분류되며, 안테나 스위치와 RF 수신부를 모듈화한 RF 수신 FEM과 송신 부를 담당하는 송신단과 안테나 스위치를 일체화한 RF 송신 FEM이다. 또한 이들을 일체화한 RF 송수신 FEM도 개발이 진 행되고 있다. 그림 1은 RF SAW 필터를 내장한 RF FEM과 내 부 패키지이며, LTCC 세라믹 적층기술을 이용하여 안테나 스 위치부를 패키지 형태로 구현하고 내부에 SAW 필터 칩이 실장 될 수 있도록 본딩 패턴과 라인 등을 패턴화한 것이다.

이와 같이 RF 수신 FEM은 안테나 스위치 모듈에 RF SAW 필터를 실장하는 것으로 LTCC 다층 세라믹 기판 내부에 안테 나 스위치를 구성하고 SAW 필터 칩을 본딩하여 구성하며, RF 송신 FEM은 LTCC 다층 안테나 스위치에 전력증폭기 칩이나 소자들을 실장하여 구성된다.

최근 들어 이동통신 시장의 글로벌화에 따라 멀티 밴드화가 진행 중이며, 특히 GSM에서는 현재 트리플(Triple) 밴드가 급 속하게 진행되고 있으며, W-CDMA과의 멀티 모드 단말기도 서서히 생산이 확대되고 있다. GSM 방식은 현재 듀얼(Dual) 밴드 중심에서 점차 트리플 밴드로의 이행이 이루어지고 있으 며, 2004년 하반기부터는 Quad Band까지도 점차 확대되기 시작했다. CDMA 단말기는 대부분 AMPS/Cellular/PCS를 포 함하거나 TDMA 방식까지 포함한 방식으로 개발과 생산이 진 행되고 있다.

또한, GSM과 CDMA가 단일 단말기기에 구현되어 전 세계 어느 곳에서나 사용할 수 있는 휴대전화가 개발되고 있고 이에 따라 GSM 단말기에 사용되는 안테나 스위치와 CDMA 단말기

에 사용되는 듀플렉서 필터와 RF SAW 필터, 그리고 전력증폭 기를 포함하는 RF 송수신 FEM의 개발도 진행되고 있다. 따라 서 RF FEM은 통신방식의 확대와 복합화에 따라 부품의 내부 실장이 점차 확대되고 있는 추세이며, 3G 이동통신 서비스의 시작으로 인하여 보다 초소형화, 다기능, 복합화된 RF FEM이 필요하리라 보인다.

MMIC 업계에 의한 RF FEM은 지금까지 표준적으로 사용되 어 온 LTCC 세라믹 적층기판을 반드시 사용하지는 않으며, LTCC를 사용하는 모듈과 동등한 사이즈에서 뛰어난 성능을 실 현하는 것을 기본방향으로 하고 있다. 외형 크기 면에서는 LTCC를 기반으로 하는 RF FEM 보다 우수하지만 실질적으로 는 MMIC 내부에 RF 필터나 관련 정합부품들을 포함시키지 못 하고 추가적인 부품이 외부에 소요됨으로 인하여 모듈의 크기 를 줄이는 효과는 크지 않다. 한편으로, LTCC 업체들은 값싼 Pin 다이오드를 사용하면서, LTCC 기술기반에 의한 소형화와 높은 RF 특성을 실현하여 시장을 개척하고 있다.

RF FEM은 주로 이동통신 단말기 분야에서는 LTCC 기반의 RF FEM을 주로 사용하고 있으며, 무선 랜이나 기타 무선통신 분야에서는 MMIC 형태의 제품들이 사용되고 있다.

현재 각 업체에 의한 내부 실장 부품의 범위와 실장기술 등 차 이가 있어 이용 기술과 부품에 따른 세부적인 기술 개발을 표현 하는 것은 다소 무리가 있으나, 업체들에 의해 개발되고 있는 GSM 단말기용 RF FEM의 경우, 2003년에는 안테나 스위치와 송신단 모듈을 포함하여 10×8×1.5mm3의 크기였으며, 2004 년에는 RF 송수신단과 BPF를 포함한 모듈이 10×9×1.5mm3

RF모듈 및 RF-IC 기술동향

그림 1. SAW 필터를 내장한 RF FEM

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로 개발되었다. 그리고 2005년 하반기 정도에는 일부 부품을 제 외한 RF 송수신 전체 모듈이 10×10×1.5mm3정도의 크기로 제품화 될 것으로 보인다. 또한, 850/900/1800/1900MHz 대역 등의 다양한 이동통신 주파수 대역에 적용 가능하고 저대역 통 과 필터와 송수신 스위치, 그리고 전력증폭기를 포함하는 모듈 의 경우, 전력 증폭, 전력 제어, 저대역 통과 필터링 및 안테나 스위칭 기능을 통합하고 있으며, 6.0×8.0×1.15mm3의 소형 모 듈로 일부 업체에서 개발하여 생산하고 있다. 특히 이러한 모듈 들은 약한 배터리에서 전압이 떨어질 때 스위칭에 과도 전류가 발생하는 것을 방지하며, 극한 환경에서도 배터리가 작동할 수 있도록 저대역에서 전류를 제한하는 포화방지 기술이 포함되어 져 있어 단말기 배터리 수명을 연장하는 효과를 지니고 있다.

RF 복합 모듈

RF 복합 모듈이란 일반적인 RF FEM에 포함되지 않은 RF 능수동 부품을 무선통신이나 이동통신단말기의 양산을 용이하 게 하기 위하여 데이터를 송수신하여주는 RF부 전체를 하나의 모듈로 구성한 것이다. 최근에는 이와 같이 무선통신 시스템이 나 단말기 내부의 부품수가 줄어들고 한 장의 단말기 PCB 기판 위에 RF부와 베이스밴드부의 모든 부품들을 구성하는 형식으 로 바뀌고 있고 대부분의 능동 부품들이 IC화되기 때문에 소형 화 및 복합화하는 추세이다.

그림 2는 세라믹 적층기술(LTCC)을 이용하여 이동통신단말 기의 RF부와 베이스밴드부를 하나의 모듈로 구성한 RF 복합

저히 줄일 수 있으며, 다양한 유전율의 세라믹 재료를 적용할 수 있어 RF 특성 구현시 문제되는 저 삽입손실이나 저 위상잡 음 등의 특성 개선에 탁월한 성능을 보인다. 또한, 세라믹 적층 공정의 안정화에 따라 대량생산이 가능하며, 그에 따른 저가격 화 실현이 가능하다. 이 RF 복합 모듈은 초기에는 군사용 목적 으로 주로 개발 사용되었으나 모토롤라, National Semiconductor, 듀폰, 교세라, 무라타 등의 업체와 RF-IC 업 체에서 3~4년 전부터 이 기술을 민수용으로 개선하여 연구 개 발을 추진하여 상품화하였으며, 현재 블루투스 및 무선 LAN 모듈 등에 적용 가능한 모듈들이 시제품으로 나오고 있다.

최근에 RF 복합 모듈은 MCP(Multi Chip Package)나 SiP(System in a Package)라는 세라믹 패키징 기술과 접목이 이루어지고 있는데, MCP는 휴대전화나 PDA 같은 소형의 휴대 용 단말기 및 네트워크 시스템 분야에서 점차 널리 활용되고 있 다. 특히 이러한 패키징 기술은 중∙대량 생산 제품을 개발할 때 시스템 설계자들이 추구하는 전력 감소, 소형화, 그리고 저 가화를 가능하게 한다.

SiP(System in a Package) 형태의 패키징 기술을 살펴보면 MCM(Multi Chip Module) 기술이 몇몇 고성능 틈새 애플리케 이션에서 활용되고 있는 것에 반해 MCP는 주로 패키징 애플리 케이션에서 주력 기술이 되고 있다. 그러나, 최근 들어 SiP는 싱글 패키지에 프로세서, 로직, 메모리를 결합하기 위한 기능뿐 아니라 보다 고가의 RF 컴포넌트용 SoC(System On Chip)를 대신하는 데에도 활용되고 있다.

RF 모듈은 일반적으로 100개 이하 소수의 능수동 부품 및 소 자로 구성되어지며 베이스밴드부보다 매우 적은 I/O만을 필요 로 하고, 전력 소모는 수 와트(W) 이하에 불과하다. 따라서 SiP 기술을 이 RF 모듈에 접목하면 무선통신 기기 및 시스템의 RF 부와 IF, LO부를 하나의 패키지화한 복합 모듈을 구현할 수 있 게 된다.

그러나 이러한 SiP 및 MCP 기술을 이용한 RF 복합 모듈의

Technology Focus

그림 2. 세라믹 적층 기술을 이용한 RF부와 베이스밴드부 복합 모 듈의 개념도

Baseband Precessor IC PLL IC

RF Feedthrough

세라믹 적층 수동소자류 (공진기, 필터, Capacitor, Resistor,

Inductor)

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RF모듈 및 RF-IC 기술동향

경우, 내부 층 및 선폭이 미세한 관계로 임피던스 정합 문제나 외부 주파수 간섭 등의 문제가 있어 장거리나 고출력을 요하는 무선통신에는 적절치 못하여 블루투스 모듈과 같은 몇몇 저속 단거리 무선 설계에서는 RF 칩과 디지털 베이스밴드 칩 등을 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 세라믹 기판에 인덕터와 커패시터를 매립하고 기판 표면에 저항을 배치하여 패키징하는 SiP 및 MCP 기술이 이용되고 있다.

기타 RF 모듈

무선 LAN 칩 모듈

최근 들어 무선 LAN은 단순한 인터넷 망 연결 기능을 떠나 멀티미디어 무선 데이터의 송수신과 O/A 기구와의 접목을 통 한 사무 무선 자동화 측면으로 많이 응용되고 있다. 2004년 초, 일본의 무라타, 알프스 전기를 비롯한 RF 부품 및 모듈 전문 업 체들에 의하여 전력소모를 최소화한 9.6mm2크기의 새로운 무 선 LAN 모듈이 개발되어 휴대전화 및 PDA 등의 무선통신 단 말기에 적용되고 있다. 또한, 휴대용 게임기인 일본 소니 컴퓨 터 엔터테인먼트의 PSP와 일본 닌텐도의 닌텐도-DS에는 무선 LAN 기능이 포함되어 개발되고 있다.

기존의 무선 LAN 모듈은 일반적으로 개인용 데스크톱 컴퓨 터에 사용되는 PCMCIA 카드나 노트북 PC에 사용되는 미니 PCI 카드 정도의 크기였다. 이보다 작은 것으로 SD 메모리 카 드만한 수신 모듈도 있기는 하지만 이것 역시 약 32×24mm2 정도이다. 이에 비하면 이 무선 LAN 칩 모듈은 풋프린트가 PCMCIA 카드의 60분의 1에 불과할 정도로 매우 작다. 이에 따 라 기존의 가격과 전력 소모가 높고 휴대용 기기에 탑재되기에 는 물리적인 크기가 비실용적으로 매우 컸던 무선 LAN 모듈이 휴대 단말기에 적용할 수 있는 솔루션이 개발된 것이다.

휴대전화 업계에서는 유럽에서 널리 활용되고 있는 다기능 스 마트폰과 기업용 확장폰으로 사용되는 모바일 센트렉스(Mobile Centrex) 단말기에 무선 LAN 기능을 부가하고 있으며, 실제로 핀란드의 노키아나 미국의 모토로라는 이미 무선 LAN 링크를 갖는 휴대전화에 이 무선 LAN 칩 모듈을 채택하여 2005년에 단 말기를 출시할 계획이며, 일본의 휴대전화 업체에서는 이미 이

모듈을 탑재한 휴대전화 시제품이 개발된 상태이다.

일본의 무라타에서는 이러한 초소형 무선LAN 모듈 개발을 9.6mm2 크기로 개발하였으며, 일본의 알프스 전기(Alps Electric)는 11.0×13.7×1.8mm3크기의 수신 모듈을 개발, 판 매를 하고 있다. 또한, 네덜란드의 로열 필립스 전자(Royal Phips Electronics)도 10×15×1.3mm3 크기의 모듈을 샘플 출 하하기 시작했으며, 이미 GSM 단말기에 채택되어 단말기가 출 시될 계획에 있다.

무라타사가 이와 같이 초소형화를 이룰 수 있었던 것은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 세라믹 기판의 사용과 외부에 별도로 전력증폭기가 필요 없는 무선 LAN 칩을 사용함으로써 모듈을 소형화 할 수 있었다. 전력증폭기는 크기 가 클 뿐만 아니라 열이 발생하기 때문에 다른 부품들과 물리적 으로 분리되어야 하며, 전력증폭기를 제거하면 송수신 회로를 보다 쉽게 소형화 할 수 있다.

블루투스용 RF 모듈

최근 들어 세라믹 부품 전문 업체인 일본의 교세라 및 몇몇 업체에서는 CDMA 이동통신 단말기용 블루투스 RF 모듈을 제 품화하였으며, 이 모듈은 크기가 5×4×1.4mm3에 불과하며,

그림 3. 전자부품연구원에서 개발한 GSM 단말기용 RF One- chip IC

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이러한 초소형 블루투스 RF 모듈은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 세라믹 기판을 사용하며, 내부에 RF 대역통 과 필터를 적층으로 소형화 구현하고 RF 칩을 웨이퍼 규격의 칩 크기 패키지(WSCSP, Wafer Scale Chip Size Packaging)를 사 용하여 부품의 크기와 수를 줄임으로써 초소형화가 가능하게 되 었다. 또한 기존 메탈 케이스를 에폭시 코팅으로 대체함으로써 1.4mm의 두께 실현이 가능해졌다.

일반적으로 LTCC 세라믹 적층기술을 이용할 경우, 기판으 로 사용된 유전율에 맞게 모든 부품을 설계하여야 하지만 최근 에는 일본 세라믹 업체와 국내 연구소 및 전문 업체에서 이종 세라믹 적층기술이 개발되어 다양한 제품들의 모듈내 구현이 가능해지고 있다. 블루투스 RF 모듈은 이와 같은 이종접합 LTCC 적층기술이 필수적으로 필요하며 이를 통하여 보다 초소 형화된 제품의 구현이 가능해지는 것이다.

RF 모듈의 기술전망

이동통신 단말기의 발달은 지난 수년간의 추세로 볼 때 다양 한 기능들을 통합하여 하나의 단말기에 구현하는 방향으로 발 전하리라 보인다. 즉 기존의 음성 및 메시지 전송과 함께 화상 송수신이나, 화상회의, 홈쇼핑, 인터넷 게임, 보안 해독기, 전자 서명 및 결재, 화상진료, 도난차량추적, GPS 등의 다양한 기능 들이 추가되어지고 있다. 이에 따른 소요 부품의 다기능화, 광 대역화 및 초소형화는 필수적으로 추진되어야 할 것이다.

현재 이동통신용 RF부품 및 모듈의 기술 환경은 단말기의 기 능이 하나의 칩으로 통합되는 시스템-온-칩(System On a Chip)이 지배적인 경향으로 대두하고 있어 설계기술과 더불어 RF 핵심부품의 기술력 확보가 이동통신 산업의 경쟁력에 영향 을 미치는 결정적인 요인이다. 즉, Si CMOS 기술을 이용하여 RF부와 베이스밴드부를 통합하여 하나의 IC로 구현하는 기술 이나 세라믹 적층기술(MCM-C)을 이용하여 단말기의 모든 부

및 모듈의 기술흐름을 주도해 갈 분야라 할 수 있다. RF MEMS 기술은 주로 이동통신단말기의 RF 스위치나 공진기, 인덕터, 안테나, 초소형 스피커 등을 중심으로 제품화가 추진되 고 있다.

특히 RF 스위치분야는 선진 업체 및 국내 업체들의 수 년간 의 연구개발에도 아직까지 상품다운 모습을 보이지 못하고 있 는 실정이지만 초소형화가 가능하고 웨이퍼 기판위에 IC와 함 께 구현이 가능하다는 점에서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. 이동통신 단말기용 스피커의 경우, 일부 상품화가 진행되 어 실장 측정이 진행되고 있으며, 안테나의 경우, 인체 내에 무 선수신기를 내장하기 위한 용도로 주로 연구가 진행되고 있다.

이 MEMS 안테나의 경우도 웨이퍼 상에 구현이 가능하다는 점 이 큰 장점으로 부각되고 있다.

이와 같은 RF MEMS 및 나노 RF기술 등을 기반으로 한 RF 모듈은 기존의 RF-IC에 내장이 불가능하였던 수정발진기나 안 테나 등을 웨이퍼 상태에서 식각이나 증착 후 기계적, 전기적 연결을 통하여 구현이 가능하게 하여 극초소형 RF 칩 모듈로의 개발이 가능하도록 할 것이며, 이 기술들은 LTCC 세라믹 적층 기술 등과 필수적으로 접목이 되어지며 발전할 것으로 보인다.

RF-IC

RF-IC란 트랜지스터나 다이오드와 같은 능동소자와 R, L, C 등의 수동소자로 구성된 RF 회로를 반도체 기판 위에 구현한 것을 말한다. RF-IC는 일반적으로 하이브리드 IC 형태나 하이 브리드 MIC(Microwave Integrated Circuit) 형태로 개발되는 SMD 부품에 비하여 대량생산이 용이하며, 이에 따라 저가격화 실현이 가능하고 제품의 신뢰성이 높다. 그리고 여러 가지 소요 부품들을 하나의 IC내에 구현할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이 라 할 수 있다.

멀티미디어 무선통신기술의 발전은 초소형화와 함께 다기능

Technology Focus

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RF모듈 및 RF-IC 기술동향

복합화로 발전하고 있으며, 이러한 시장의 요구를 실현하기 위 해서는 얼마나 많은 부품 및 소자들을 RF-IC 내에 내장할 수 있느냐가 멀티미디어 무선통신기기의 발전과 직결된다고 해도 과언이 아니다.

이러한 시장의 요구에 발전해가고 있는 RF-IC는 이동통신 뿐만 아니라 무선 LAN, 블루투스, DMB 등 다양한 분야로 개 발이 확대되어져가고 있다.

RF-IC의 종류 및 기술동향

현재 멀티미디어 무선통신용 RF부 품의 기술 환경은 무선통 신기기의 기능이 하나의 칩으로 통합되는 시스템-온-칩(SOC;

System On a Chip)이 주로 연구 개발되어지고 있으며, 최근에 는 실리콘 CMOS 반도체 공정이 0.1㎛까지 가능해져 5GHz 대 역의 RF-IC 구현도 가능해졌으며, 이러한 기술로 무선통신기 기의 RF부 전체를 하나의 IC에 구현하는 제품들이 국내외에서 활발히 출시되고 있다.

RF-IC용 반도체소자로는 주로 화합물반도체(GaAs)와 실리 콘반도체(Si)가 사용된다. 화합물소자는 MESFET, HBT, HEMT 등이 있으며, 실리콘소자로는 BJT와 MOSFET가 있다.

화합물소자는 차단주파수가 높아 주로 5GHz이상의 RF단 IC구 현에 주로 사용되고 있으며, 실리콘소자는 5GHz대역 이하의 RF 및 IF단 IC 구현에 주로 사용되어진다.

일반적으로 RF-IC는 실리콘 웨이퍼 상에 구현할 경우, 낮은 Q-factor값과 유전율 등의 문제로 인한 고주파화 실현의 어려 움과 RF특성 구현 문제 등이 있어 이러한 문제를 해결하여 저 잡음, 저손실, 고이득, 저전력 소모 등의 구현을 위한 설계 및 공정기술이 가장 중요하다. 또한 패키지 상에서의 기생성분의 발생으로 인한 문제점을 해결하기 위한 채키징 모델링도 중요 한 RF 특성구현 요소로 볼 수 있다.

이동통신단말기용 RF-IC

이동통신 단말기는 다양한 멀티미디어 기능의 집합체로 발전 하고 있으며, 이러한 멀티미디어 기능을 무선으로 구현하기 위 하여 다양한 주파수 대역 필요와 소형화가 필연적으로 요구되 어지고 있다. 이동통신방식은 크게 GSM 방식과 CDMA 방식으

로 양분되며, 국내 RF-IC 업체는 주로 CDMA 방식 단말기에 대한 RF-IC가 주로 개발되고 있으며, GSM 방식 단말기용 RF-IC는 GSM 시장을 형성하고 있는 유럽의 RF-IC 업체들이 주로 개발하고 있다.

GSM, GPRS, EDGE용 RF-IC의 경우, 세계 시장에서 가장 두각을 보이고 있는 업체는 실리콘랩사이며, 이 업체는 고성능 휴대전화에 활용되는 5×5mm2크기의 단일 칩 쿼드밴드 RF 트랜시버 IC를 개발하였으며, 이 RF-IC는 현재 개발되어 판매 되고 있는 쿼드밴드 GSM/GPRS 트랜시버 RF-IC중 최고의 집 적도를 나타내며, 경쟁 제품에 비해 부품 수와 보드 크기를 절 반으로 줄임으로써 이동통신단말기 제조업체의 부품수를 크게 낮출 수 있게 하였다.

제조공정은 0.13미크론 CMOS 공정이 적용되었으며, 기존의 제품과 달리 EDGE 방식의 이동통신 단말기에도 활용이 가능 하다. 이 RF-IC는 쿼드밴드 RF 모듈을 10×10mm2의 크기로 구현했다. 여기에는 RF-IC를 비롯하여 수정발진기, SAW 필 터, 그리고 두 개의 바이패스 콘덴서가 포함되어 있으며, 이 밖 에 파워 앰프와 안테나 스위치는 별도로 구성된다.

이처럼 RF 및 IF 전압 제어 발진기, VCO 공진회로, 루프 필 터 및 클록 커플링 커패시터와 같은 부품들을 통합하고 있기 때 문에 이동통신단말기 제조업체는 VC-TCXO 기능까지 한꺼번 에 활용할 수 있어 외부 부품수를 최소화할 수 있도록 개발하였 다. 그림 3은 전자부품연구원에서 개발한 GSM 단말기용 RF- IC의 내부 사진이다.

CDMA 단말기용 RF-IC는 불과 2~3년 전만해도 대부분 선 진업체에서 수입해 사용하여 왔으나 국내 RF-IC 업체의 꾸준 한 연구개발과 정부의 지원 등으로 RF 프론트 앤드 IC의 경우, FCI 및 인티그란트 등의 국내업체가 국산화에 성공하여 이동통 신 단말기에 실장되어 판매되고 있으며, 최근에는 국내 이동통 신 단말기의 세계시장 점유율 확대 등을 통하여 RF-IC의 시장 을 세계로 확대해가고 있다.

그러나 CDMA 단말기의 경우, 퀄컴사의 CDMA 모뎀 칩과 함께 대부분 RF 및 IF단 IC를 사용하고 있고, 이에 대한 퀄컴사 의 IC 수급 조절 등으로 인하여 국내 RF-IC 업체의 시장과 기 술적 선도가 어려운 실정이다. 이에 국내 RF-IC 업체에서는 우

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VCO 공진부의 RF특성 구현이 관건으로 대두되고 있다. 대부 분의 VCO 공진부는 스파이럴 인덕터 구조로 구현되고 있으며, 업체마다 원형, 사각, 육각, 팔각 형태의 인덕터를 설계, 개발하 고 있다. 또한, RF-IC 내부의 RF, LO 및 IF 주파수 그리고 하 모닉 성분 등으로 인한 주파수 간섭 등을 막기 위하여 이중 차 단선로를 필수적으로 사용하여야 하며, 가변 커패시터 성분의 구현을 위한 선폭 및 층간 두께 조절 등이 고려해야할 설계 요 소 중의 하나이다.

RF-IC는 RF 고유의 특성을 이동통신단말기에 직접 실현하 여야 한다는 중요한 문제점을 안고 있으며, 이를 위한 RF-IC 내부의 설계기술 뿐만 아니라 패키징 기술도 매우 중요하며, 특 히 IC 패키지 내부의 본딩에 대한 기생성분 모델링이 필수적으 로 필요하다. 주로 본딩 와이어에 따른 인덕터 성분과 본딩 패 드 부분의 커패시터, 저항성분 등이 주요 기생성분이며, 주파수 대역에 따른 특성변화 모델링이 요구된다.

무선 LAN용 RF-IC

무선 LAN용 RF-IC의 경우, 불과 2~3년 전만해도 헤테로다 인 방식의 RF 블록을 사용하여 왔으나 최근에는 다이렉트 컨버 전(direct conversion) 방식을 주로 사용하는 제품들이 주를 이 루고 있다. 주요 업체로는 CSR, Maxim, RFMD 등이 있으며, IEEE802.11 표준의 제품들을 출시하고 있다.

최근의 무선 LAN용 RF-IC의 동향을 보면, 단말기와의 연계 가 두드러져 초소형 모듈에 탑재되어 이동통신 단말기에 장착할 수 있도록 개발이 되고 있다. 제품화된 것 중 가장 작은 무선 LAN 칩셋은 미국의 마셀 세미컨덕터(Marcell Semiconductor) 가 개발한 6mm2크기의 제품으로, 현재 일본 무라타사의 무선 LAN 트랜시버 모듈에 사용되고 있다.

모든 RF 부품과 마찬가지로 RF-IC에서 가장 중요한 부분 중의 하나는 저전력 소모 설계이다. 최근 들어 이동통신단말기 업체에서 무선 LAN을 휴대전화 내부에 구현하기 시작하면서

는 것이다. 그 대신 별도의 내부 수정 발진기를 통해 오직 최소 의 회로만을 동작시킨다.

이를 위하여 선잠 대기 모드(Doze Standby Mode)를 대기 모드와 긴급 대기 모드(Hot Standby Mode)로 나눈다. 대기 모 드에서는 블루투스와 같이 모든 외부 클럭 공급이 끊기고 기지 국으로부터 신호를 받아들이는 하나의 회로만 동작 상태에 있 으며, 내부 타이머 회로에 의해 구동된다. 이러한 대기 모드에 서의 전력 소모는 최대 200μW에 불과하다.

긴급 대기 모드에서는 통신에 사용되는 동일한 수정 발진기 클록이 회로에 공급되며, 전력 소모는 3mW이거나 기존 무선 LAN의 전력 소모와 같다. 이 모드는‘클록 게이팅’이라는 기술 을 활용하는데 클록 게이팅이란 개별 전원 공급 장치에 맞도록 디지털 회로를 보다 작은 단위로 나누는 것으로, 무선 LAN 칩 에서는 이미 널리 활용되고 있는 방법이다. 이 방법은 긴급 대 기 모드는 표준 통신 모드와 대기 모드를 잇는 역할을 한다.

DMB용 RF-IC

DMB는 2004년부터 표준화 등이 잇달아 제정되면서 시장의 개막이 시작되었으며, 이에 따라 시스템 및 단말기, 그리고 부 품업계에 새로운 큰 시장이 열리게 되었다.

DMB는 사용처, 수신방식, 부가기능에 따라 다양한 RF 솔루 션을 요구하고 있으며, 이에 따른 표준화 제정 등이 다양하게 이루어지고 있다. 그중에서 가장 핵심적인 부분이 RF-IC 부분 이다. 현재 국내외적으로 활발히 표준화 작업이 이루어지고 있 으며, 이에 따른 다양한 RF-IC가 개발되고 있으나 소비자와 서 비스업자 그리고 생산자간의 다양한 의견으로 인하여 상품화 또한 문제점을 많이 내포하고 있다.

DMB는 수신방식에 따라 크게 위성과 지상파 DMB로 구분 이 되며, 사용분야로는 오디오/비디오 가전기기, 이동통신 단말 기, 차량용 등이 있다. 이러한 다양한 시장의 요구에 국내외 RF-IC 업체들이 다양한 솔루션을 내놓고 있으며, 특히 국내

Technology Focus

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RF모듈 및 RF-IC 기술동향

RF-IC 전문업체인 인티그런트는 위성 DMB 뿐만이 아니라 지 상파 DMB용 RF 튜너 칩을 개발하여 세계 기술 표준을 선도하 고 있다.

인티그런트의 RF 튜너 칩은 일반적으로 RF 튜너용 칩에 사 용하는 BiCMOS가 아닌 CMOS 설계기술로 개발되었으며, RF 블록은 ZERO-IF 구조로 이루어져 있다.

일반적으로 CMOS 설계방식은 전력소모가 적고 BiCMOS보 다 가격이 저렴하며, 디지털과의 통합이 용이하다는 장점이 있 다. 반면 CMOS로 칩을 설계할 경우 전원전압을 낮춰야 하는데 전원전압을 낮추게 되면 칩에서 요구하는 선형성을 맞추기 어 려워진다. 이러한 문제해결을 위해 인티그런트는 낮은 전원전 압에서도 신호가 제대로 전달될 수 있도록 하는 선형화 기술을 접목시키는 한편 RF 튜너 칩의 전력소모를 최소화하기 위해 DC 옵셋 발생을 방지하는 알고리즘을 개발 사용하였다.

현재 국내에서 개발되고 있는 위성 DMB 단말기에는 대부분 인티그런트의 RF-IC가 사용되고 있는데 일본의 도시바 외에는 다른 경쟁자가 없을 뿐더러 도시바의 RF-IC조차 원래 차량용 으로 개발된 제품이라 인티그런트 제품보다 전력소모가 크고 모듈로 제공되어 실장공간이 부족한 휴대전화에는 부적합하다.

또한 기존의 RF 튜너 칩들은 전력소모가 1W 내외로 높지만 인 티그런트의 튜너 칩은 그 5분의 1 수준인 200mW 내외에 불과 하기 때문에 배터리로 구동되는 휴대형 단말기 제품에 이상적 이며,

저항과 커패시터를 이용한 폴리페이즈(Polyphase)를 RF- IC 내부에 설계하여 외부에 SAW 필터를 사용할 필요 없이 몇 개의 커패시터만 붙이면 RF 수신단이 완성되기 때문에 풋프린 트가 매우 작고 사용되는 소자수도 크게 감소된다.

CMOS로 구현된 RF-IC에서 폴리페이즈 필터를 설계하면 실리콘 기판 자체의 낮은 Q값으로 인하여 우수한 저 삽입손실 과 고 감쇄특성을 구현하기 어려워진다. 이와 같은 문제를 해결 하기 위하여 폴리페이즈 필터를 직렬로 연결하여 전체적인 감 쇄특성을 향상시키고, 손실을 최소화시키는 것이다. 이와 같은 기술들은 지상파 DMB 및 유럽의 지상파 TV 방송규격인 DVB-T를 약간 변형한 GSM 단말기용 DVB-H RF 튜너 IC에 도 적용이 가능할 것으로 보인다.

RF-IC의 기술전망

이동통신을 비롯한 무선통신용 단말기의 멀티미디어화에 따 라 단말기에 부가적으로 첨부되는 부속물들이 증가함에 따라 부품의 소형화가 추진되어야 하며, 특히 단말기내부에서 대부 분의 면적을 차지하는 RF 부품의 초소형화는 필연적으로 이루 어져야 한다. 이를 위하여 기존의 여러 개의 RF 소자 및 부품을 하나의 IC로 구성하는 RF-IC가 무선통신의 핵심적인 부분으 로 성장하고 있다. RF 송수신단을 IC화하기 위해서는 먼저 송 수신 방식의 간소화와 기존의 IC화가 어려웠던 부품에 대한 IC 화 또는 IC와의 단일 패키징화가 필요하다. 이러한 시장의 흐름 에 따라 통신방식은 Zero-IF 나 다이렉트 컨버전 방식으로 RF 단이 간소화되고 있으며, 필터의 IC 내부 설계 등이 이루어지고 있다. 그러나, 이러한 연구 개발은 급속히 발전, 팽창해 가는 멀 티미디어 데이터와 통신 서비스를 위해서 부가되는 부속품들을 줄이기에는 한계가 있게 마련이다. 이러한 이유로 향후 RF-IC 에 대한 연구개발은 LTCC 세라믹 적층기술과 접목되어 SOP (System on Package)나 MCP(Multi Chip Package) 형태로 연구개발과 웨이퍼 상의 구현이라는 공통점으로 인하여 RF MEMS 기술, 나노 RF 기술과의 접목도 추진될 것이다.

또한 국내외 RF-IC 업체 및 학계들을 중심으로 CDMA 및 GSM 방식 이동통신 단말기의 베이스밴드부가 CMOS IC로 구 성되어져 있고 TCXO의 온도보상회로가 CMOS로 되어진 점을 이용하여 수정 진동자를 제외한 부분을 IC내에 내장하는 연구 개발이 진행되어지고 있다. 안테나의 경우도 RF MEMS 기술 을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 식각 및 증착하여 헬리컬 구조를 반도체 웨이퍼 상에 구현하는 연구개발도 이루어지고 있다. 수 정진동자의 경우도 RF MEMS 기술을 이용하여 기계적인 진동 자를 설계 개발하여 웨이퍼 상에 구현하는 것이 가능하리라 보 여 최종적으로는 RF-IC 내부에 RF부 및 베이스밴드부, 수정 진동자, 안테나 등이 내장 가능할 것으로 보인다.

이와 같은 연구개발이 이루어질 경우 무선통신기기 내에 소 요되는 부품 및 모듈은 배터리와 RF-IC 그리고 기타 부가기능 부품만이 소요되게 되어 다양한 멀티미디어 기능들의 구현이 가능해질 것으로 보인다.

참조

관련 문서

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