- 무선전화의 대중화와 더불어 증가 추세인 고주파 반도체

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│ 이동 통신 기술의 핵심인 고주파반도체소자는 통상 1GHz 이상의 │
│고주파수 대역 신호를 고속처리할 수 있는 고주파시스템에 사용되는 │
│고주파소자 중 반도체공정을 이용하여 제작된 반도체소자를 총칭한다. │
│고주파반도체소자는 전력소모가 적고 빠른 속도의 구현에 유리한 │
│GaAs와 SiGe 화합물 반도체소자를 이용하여 고속동작이 가능한 반도 │
│체소자를 구현하는 기술이다. │
│ │
│ 정보기술 관련 시장조사 업체 스트래티지스언리미티드가 공개한 │
│보고서에서 최근 휴대폰의 폭발적인 성장에 편승하여 1999년 39억 │
│달러에 달했던 고주파관련 칩의 세계시장 규모가 오는 2004년에는 │
│77억달러로 거의 2배 가까이 확대될 것으로 예측했다. │
│ │
│ 고주파 반도체 관련 특허출원은 1990년도 초부터 꾸준히 증가하여 │
│90년대 중반 이후 무선전화의 대중화와 더불어 급격히 증가하고 있다. │
│이는 93년부터 97년까지의 시장의 고도성장에 영향을 받은 것으로 │
│보이며 이 분야에서 신기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있음을 │
│보여준다. │
│ │
│ 고주파관련 기술은 일부 대기업에서 손을 대고 있으나 주로 벤처 │
│기업을 중심으로 활발히 연구되고 있으며, 기술적 사양의 표준화 │
│작업이 필요하며 지속적인 성장을 뒷받침할 수 있도록 기술적 개발과 │
│더불어 기술개발의 추이분석을 통하여 외국기업의 특허권공세에 대비 │
│하여 특허권확보 노력이 요구되는 시점이라고 할 수 있다. │
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○ 정보통신기술은 현대사회의 다양화와 전문화에 따른 신속한 정보교환의
필요성이 증가하여 급속한 발달과 함께, 언제 어디서나 통화가 가능한
다양한 무선 이동통신 시스템시장이 빠른 속도로 증가하고 있다. 이동
통신 기술의 핵심인 고주파반도체소자는 통상 1GHz 이상의 고주파수
대역 신호를 고속처리할 수 있는 고주파시스템에 사용되는 고주파소자
중 반도체공정을 이용하여 제작된 반도체소자를 총칭한다. 고주파반도체
소자는 전력소모가 적고 빠른 속도의 구현에 유리한 GaAs와 SiGe 화합
물 반도체소자를 이용하여 고속동작이 가능한 반도체소자를 구현하는
기술이다.

○ 무선통신 시스템시장의 증가는 이를 뒷받침해 주는 기술의 발달을 촉진
하였는데, 무선통신시스템의 요구를 충족시키기 이한 기술의 등장의
결과의 하나가 바로 고주파반도체소자라고 할 수 있다.

○ 위성 및 정보통신 분야에 있어서 정보통신 기술발달과 함께 다양한
미디어가 나타나기 시작했고 공간적 시간적 제약에서 벗어날 수 있는
무선 및 이동통신에서도 이러한 다양한 미디어가 요구되기에 이르렀
다. 그러나 기존의 무선 및 이동통신 주파수대역에서는 현재 사용자가
원하는 만큼의 충분한 정보를 제공할 수 없을뿐더러 많은 기존 공중파
사업자와 통신업자들이 점유하고 있어 새롭게 출현하고 있는 고품질의
무선 및 이동통신 멀티미디어 서비스들은 아직 누구도 사용하고 있지
않은 더 높은 고주파영역으로 자리를 잡게 되었다. 이에 따라 새롭게
부각되고 있는 것이 고주파회로의 핵심소자인 고주파반도체소자이다.

○ 고주파반도체소자의 응용분야는 아주 넓으며, 고주파 반도체 소자는
셀룰러 휴대전화기, PCS 등 기지국과 단말기간의 통신을 이용하는
이동통신, 위성체와 지국국 또는 위성체와 이동단말기간의 통신을
이용하는 위성통신, 전화국과 전화국, 방속국과 중계국 등 고정된
지역간의 통신 선로를 이용하는 국간통신, PC와 PC, PC와 프린터 등
컴퓨터 주변기기를 서로 연결하는 무선 LAN(Local Area Network) 등의
무선통신 뿐만 아니라 cable TV망을 이용하는 유선통신, 광 케이블을
이용하는 광통신에도 사용되고 있다.

○ 고주파 반도체 소자를 집적의 정도에 따라서 NMIC, MMIC, 개별소자로
분류할 수도 있고, 기능적으로 분류하여 저잡음 증폭기, 주파수 혼합기
등으로 분류할 수도 있지만 각 기능회로에서 사용하는 기술이 서로
독립적이지 않고 중첩되어 있다. 즉, 기술의 효과면에서 증폭도를
향상시키기 위해 저잡음 증폭기에 적용한 기술은 주파수 혼합기,
전력증폭기 등 다른 회로에도 적용이 가능하고, 효율을 개선하기 위해
전력증폭기에 사용한 기술은 저잡음 증폭기에도 적용이 가능하다.

○ 고주파반도체소자를 이용한 통신회로의 개발에 있어서는 소형화를 위한
집적화가 필수적인데 이러한 기술의 일환으로 MMIC(Monolithic crowave
Integrated Circuit, 단일칩 고주파 집적회로) 기술이 고주파반도체분
야의 주요기술이라고 할 수 있다.

○ MMIC는 능동소자(고주파트랜지스터)와 수동소자(저항, 커패시터, 인덕
터)를 단일의 기판위에서 구현된 회로형태를 말하는데, 일반적인 하이
브리드 회로에서 수동소자는 유전체 기판위에 구현되고 능동소자는
반도체 상에 제작되어 표면실장이나 와이어 본딩 등의 방법을 통하여
수동소자와 연결하지만, MMIC에서는 능동소자의 기판으로 사용되는
반도체를 수동소자의 제작에도 그대로 이용하여 별도의 연결수단 없이
한 기판위에 마이크로파 회로 동작에 필요한 모든 RF소자를 구현한다.

○ 이렇게 함으로써 그 크기와 무게가 하이브리드 형태에 비하여 수십
배에서 수백배이상 작아지는 장점으로 인하여 휴대전화기 같은 경우
점차 경량화, 소량화 추세이므로 작은 칩 크기를 갖는 MMIC의 수요가
늘어날 것이 예상된다. 또한 칩의 크기가 작아질수록 생산 단가의
면에서 보더라도 칩의 크기는 중요한 의미를 지닌다. 따라서 MMIC의
중요한 설계 사양 중의 하나는 칩의 크기이며 이를 줄이기 위한 여러
가지 설계기법이 연구되고 있다.

○ 또한 MMIC의 장점으로는 와이어 본딩 등의 외부적인 연결수단을 최소화
할 수 있다는 점이다. 와이어 본딩 과정이 생략됨으로써 패키징
단가를 줄일 수 있고 와이어 본딩과정에서 기인하는 비반복성과 신뢰성
문제를 최소화 할 수 있다.

○ 고주파 반도체 기술은 소자의 사용 주파수를 높이기 위해 소자의
구조를 개발하고 기판 재질을 바꾸어 고주파에서의 특성을 향상시키기
위한 연구와 고주파에서 출력전력을 증대시키려는 연구로부터 시작하였
다. 무선통신 시스템이 점차 일반화 되어감에 따라 단말기의 소형화에
대한 요구가 증대하기 시작하였고 따라서 고주파 반도체 소자의 집적화
를 통한 소형화 연구가 시작되었다. 사용자의 수가 증가함에 따라
한정된 사용 주파수 대역에서 많은 데이터를 송수신하기 위하여 디지털
변조방식이 채택되기 시작하였고 따라서 반도체 소자의 선형성이 중요
하게 되었으며 최근에 와서는 저가격화가 가장 큰 이유로 떠오르고
있다.

○ 소자기술의 발달과 통신량의 증대로 인하여 통신시스템의 사용주파수가
점차 높아지게 되어 이를 수용할 수 있는 고주파 트랜지스터 기술에
대한 연구가 진행되었다. 특히 기존의 실리콘 기판을 이용한 소자의
한계로 인해 화합물반도체를 사용한 소자가 중점적으로 연구되었다.
초기에는 GaAs MESFET(Metal Semiconductor Junction Field Effect
Transistor, 금속반도체 전계효과 트랜지스터)를 이용하여 GHz 대역의
소자들이 연구 개발되었으며, 여러 가지 화합물반도체를 하나의 기본
기판에 결정 성장시킨 다중기판 구조를 이용하여 수십 GHz 대역에서
사용 가능한 HEMT(High Electron Mobility Transistor, 고전자이동도
트랜지스터)가 연구 개발되었다.

○ 다중 기판 구조를 이용한 HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor,
이종접합 쌍극성 트랜지스터)가 수십 GHz 대역 소자로 연구 개발
되었다. HEMT와 HBT는 모두 수십 GHz 대역에서 동작 가능하지만 HBT는
높은 전력소자에 응용이 유리하고 HEMT는 100 GHz 대역의 높은 주파수
응용에 유리한 것으로 알려져 있다. 최근에 와서는 MOS 소자의 게이트
길이를 0.1㎛ 정도로 작게 제작함으로써 10 GHz 대역의 동작이 가능함
을 보인 바 있으며 실리콘과 게르마늄의 다중기판구조를 이용한 SiGe
HBT가 개발되어 고성능 저가격 고주파 반도체 소자의 연구 영역을
확장하고 있다.

○ 고주파 반도체 관련 특허출원은 1990년도 초부터 꾸준히 증가하여
90년대 중반 이후 무선전화의 대중화와 더불어 급격히 증가하고 있다.
이는 93년부터 97년까지의 시장의 고도성장에 영향을 받은 것으로
보이며 이 분야에서 신기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있음을
보여준다. 표에는 최근 6년간 한국에 출원한 고주파 반도체 소자에
관한 각국의 특허출원 현황을 보여주고 있는데 90년대 중반 이후 출원
건수가 꾸준히 증가되고 있음을 알 수 있다. 특히 일본과 미국의 출원
건수가 한국의 출원 건수 보다도 많아서 기술개발의 추이분석을 통하여
외국기업의 특허권공세에 대비하여 특허권확보 노력이 요구되는 시점이
라고 할 수 있다.

<표> 한국에 출원한 각국의 연도별 특허출원 현황

(단위:건)
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│연도│1995│1996│1997│1998│1999│2000│
├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│한국│74 │80 │87 │114 │150 │166 │
├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│일본│69 │75 │82 │107 │137 │160 │
├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│미국│54 │59 │64 │84 │108 │123 │
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○ 고주파관련 기술은 일부 대기업(삼성전자, 현대전자, LG종합기술원,
LG전자기술원, LG정밀, 대우전자)에서 손을 대고 있으나 주로 벤처기업
(나리지*온, 씨티아이반도체, 에이에스비, S&S 테크놀로지, 한마이크로
텍, 이언컴, 경인양행, 웨이브 아이씨스, 네오세미테크, FCI, TLI,
에피밸리, 마이크로통신)을 중심으로 활발히 연구되고 있으며, 현대전자
와 ETRI(한국전자통신연구원)가 PCS 단말기에 사용하는 고주파 칩세트
를 공동개발 하기로 하고 올해 안에 상용화 계획을 갖고 있고 광전자
반도체와 ETRI가 셀룰러와 PCS 단말기용 송수신 MMIC 6종의 신제품 발표
회를 가졌던 것 외에는 개별적으로 기술개발이 이루어지고 있어서
이의 기술적 사양의 표준화작업이 필요하며 지속적인 성장을 뒷받침할
수 있도록 기술적 개발과 더불어 기술개발의 추이분석을 통하여 외국
기업의 특허권공세에 대비하여 특허권확보 노력이 요구되는 시점이라고
할 수 있다.

* 문의 : 심사4국 반도체1심사담당관실
송원선 사무관. 전화 042)481-5735