<테마특강> 무선통신용 반도체 기술 동향

조삼열

◇79년 광운공대 응용전자공학과 졸업

◇88년 현광전자 기술담당 이사

◇93년 마이크로통신 사장

◇현재 마이크로통신 기술담당 사장

◇세계전기전자학회 마이크로웨이브 기술분과(IEEE-MTT) 멤버

　통신산업은 빠른 속도로 성장하면서 세계 자동차 시장규모보다 무려 2배나 웃돌 정도로 거대한 시장규모를 형성, 세계 경제에 막강한 영향력을 행사하고 있다.

　특히 2000년대 주도 분야로 떠오르고 있는 무선통신은 초기에 저렴한 투자비용과 간편한 사용방법, 제품에 대한 신뢰성 등의 장점 때문에 향후 세계 통신시장을 주도해 나갈 것으로 보인다.

　무선통신이 통신산업을 주도하는 가장 큰 요인은 셀룰러 및 개인 휴대통신 사용자의 증가와 이에 따른 기지국 및 중계기 등 기반시설 투자의 증가 때문이다.

　또 적은 비용으로 빠른 속도의 정보를 전달할 수 있는 무선가입자망(WLL)과 광대역 초고속용인 LMDS시장의 창출, 디지털 세트톱박스와 디지털 케이블 모뎀, 디지털 TV시대 개막 등도 성장 요인으로 작용하고 있다.

　이밖에 광대역을 이용한 대용량·고속서비스 욕구, 무선통신 소자 및 시스템의 가격인하와 품질 향상 등도 통신시장의 성장에 기여하고 있는 것이다.

　이러한 성장 요인으로 세계 무선통신기기의 시장은 97년 708억달러에서 99년 980억달러, 2002년에는 1359억달러로 매년 14% 이상 증가될 것으로 예상되고 있다.

　그러나 무선통신시장이 이같은 성장세를 지속적으로 유지하기 위해선 핵심요소인 RF 및 마이크로웨이브 반도체의 기술발전이 뒷받침되어야 한다.

　대량생산이 가능한 실리콘 계열의 반도체 소자를 사용하고 있는 무선통신용 제품 종류를 살펴보면 현재 아날로그를 디지털로 변환하는 ADCS(Analogue Digital Converters)나 디지털을 아날로그로 변환하는 DACS(Digital Analogue Converters), 베이스밴드 프로세서, 중간 주파수용 이득조정 증폭기, QPSK, BPSK 등 변조 및 복조용, 단말기용 상향 및 하향 변환기 등이 있다.

　이들 반도체 소자는 낮은 신호를 사용하고 전력소모가 적으며 출력 직선성(Linearity)이 작은 곳에서 사용 가능한 것으로 실리콘CMOS·실리콘게르마늄(SiGe) 반도체 등이 있다.

　이들 제품은 주로 IBM·NEC 등에서 생산하고 있는데 이들 업체는 현재 낮은 잡음지수와 더 높은 주파수대역과 출력을 실현시키기 위해 연구개발을 진행중이나 갈륨비소(GaAs)반도체 특성을 만족하기에는 한계가 있다.

　GaAs반도체는 GaAs MESFET와 GaAs HBT, GaAs HEMT 등 세종류가 현재 시장의 주도적 역할을 담당하고 있다.

　이들 세종류의 반도체별 장단점을 살펴보면 GaAs MESFET는 1970년대 초 화합물 반도체용 트랜지스터로 개발되어 미사일과 레이더 등 군사용에 이용되고 있다. 이 제품은 다른 반도체와 달리 생산성이 뛰어나고 대량생산이 가능해 가격이 싼 것이 장점이다.

　GaAs MESFET는 주로 저잡음과 직선성 높은 효율성, 고출력, 광대역 등의 특성을 지니고 있으나 전반적인 특성이 HEMT에 비해 떨어지고 2중 바이어스 전원을 연결해야 하는 단점을 갖고 있어 점차 적용 범위가 축소되고 있다.

　하지만 NEC와 후지쯔 등 일본 회사들은 높은 주파수인 1∼20㎓ 범위의 고출력 트랜지스터를 내놓고 10∼300달러의 높은 가격으로 판매하고 있는데 주로 믹서(Mixer)와 고주파 스위치, 업­다운 컨버터 등에 광범위하게 사용되고 있다.

　4인치 웨이퍼의 생산이 주류를 이루고 있는 GaAs MESFET의 제품들은 약 3000달러의 가격에 거래되고 있다. 대량으로 생산하는 회사는 트리큐인트·아나디직스·레이던·셀럴리텍·도시바·NEC·후지쯔 등이 있다.

　GaAs HBT는 칩사이즈를 작게 할 수 있고 직선성을 높이면서도 단일 전원으로 동작이 가능한 장점을 갖고 있다. 또 GaAs MESFET보다 후발기술이면서도 단말기용 파워 앰프나 MMIC화한 증폭기 등을 중심으로 6㎓ 이하의 출력제품에서 상당한 수요가 일고 있다.

　GaAs HBT시장에서 TRW·록웰·RFMD·에릭 등이 가장 앞선 기술을 갖고 있으면서 대량 양산체제를 구축하고 있다. GaAs HBT의 생산은 3인치가 주류고 점차 4인치로 전환되는 시점으로 웨이퍼 가격은 3500(3인치)∼5000달러(4인치)다.

　GaAs HEMT는 현존하는 반도체 중에서 가장 진보된 것으로 보고 있다. 잡음지수가 매우 낮고 효율이 높으며 광대역이 가능하기 때문이다.

　또 매우 높은 주파수인 수백㎓까지도 사용 가능하다. 하지만 5W 이상 출력시 발진현상이 있고 양전원을 공급해야 하는 데다 제품가격이 상대적으로 비싼 것이 흠으로 지적되고 있다.

　GaAs HEMT는 4인치 웨이퍼가 5000달러에 거래되고 있으며 앞으로의 밀리미터 웨이브 대역에서 주도적 역할을 할 것으로 보인다.

　고출력 소자인 경우 2㎓ 이하에서 실리콘바이폴러 TR와 LDMOS가 리드업체며 10∼150W 제품에서는 모토롤러와 에릭슨 등이 주도하고 있다. 이 제품들은 출력에 비해 직선성이 낮은데 반해 가격이 높은 것이 문제점으로 지적되고 있다.

　세계 무선통신용 반도체시장이 폭발적인 증가세로 접어들자 핸드세트(Handset)용을 중심으로 TRW·레이던·록웰·RFMD 등은 24시간 풀가동을 하면서 반도체를 생산하고 있다.

　거대한 무선통신 반도체시장에서 우리의 위치는 어느 정도 수준인가. 국내 무선통신 반도체 기술수준은 아직 걸음마 단계에 머물러 있다고 볼 수 있다. 국내 무선통신 반도체산업의 기술은 매우 낮은 수준이어서 품질 및 가격, 생산성 등에서 미국과 일본 등 선진국과 매우 큰 격차를 보이고 있는 것이 사실이다.

　특히 무선통신 반도체의 고주파(RF)패키지산업은 아직 시작도 하지 않고 있어 기술개발이 무엇보다 시급하다. 따라서 국내 무선통신 반도체 기술확보를 위해서는 먼저 미국 등 선진국의 무선통신 반도체업체들과 전략적 제휴 등 상호 협력방안을 모색해야 한다. 이들 선진국과 상호협력을 통해 응용기술을 확보, 독자적인 제품개발을 추진해야 한다.

　또 무선통신 반도체기술의 근간인 RF패키지기술에 시간·인력·자금 등을 투입, 안정적인 기반기술을 확보하는 것이 무엇보다 시급하다. RF패키지기술은 무선통신에만 적용되는 것이 아니고 매우 광범위하게 응용이 가능하다. 특히 RF패키지 기술개발과 관련 높은 성능을 얻기 위해선 발열 문제를 어떻게 해결하느냐에 달려 있다.

　발열 문제를 해결할 수 있는 기술만 습득하면 외국의 유수 무선통신 반도체회사들과 대등한 관계로 협력이 가능하기 때문이다.

　이밖에 와이어 본딩(Wire Bonding)과 Die부착 등 어셈블리(Assembly)기술과 RF부품의 대량 테스트기술도 확보해야 한다.

　특히 관련업체들이 의욕적으로 연구개발을 하기 위해서는 안정적인 시장확보와 연구개발에 필요한 인력 및 연구개발비 등이 종합적으로 갖춰져야 한다.

　이를 위해 정부·국책연구소·기업이 삼위일체가 되어 종합계획을 세워 체계적이고 광범위하게 계획이 진행되어야 하며 무선통신 반도체 연구개발 업체들에 다양한 혜택을 주는 것도 잊지 말아야 한다.

　특히 2000년부터는 세계 산업을 주도하고 있는 무선통신산업이 통신산업의 핵심적인 역할을 수행할 것으로 보인다.

　무선통신 반도체기술은 무선통신 발전의 중추적 부문으로 한번 개발에 성공하면 그 응용분야가 무궁무진하기 때문에 선진국들이 앞다퉈 제품개발에 본격적으로 뛰어들고 있는 것이다.

　우리도 마지막 남은 거대 시장인 무선통신시장에서 주도적인 수출국으로 자리잡기 위해서는 기초가 되는 RF반도체산업을 일으켜야 할 것이다. 이를 위해서는 꾸준한 노력과 투자가 장기적인 계획으로 이루어져야 한다.