- 밀리미터의 전파대 디바이스의 고정밀의 성능 평가를 염가로 실현 / 100GHz를 넘는 고주파의 전송 특성이 뛰어난 전송로(傳送路)를 개발 / 인쇄 기술에 의해 제작 시간의 단축과 저비용화를 실현 / 1～10밀리미터의 전파대 디바이스의 성능 평가를 위한 `표준 전송로`로서 이용 가능
국립 연구 개발 법인 산업기술 종합 연구소(이하, `AIST`) 물리 계측 표준 연구부문 고주파 표준 연구 그룹과 플렉시블 일렉트로닉스 연구 센터는 인쇄 기술을 이용하여 100GHz를 넘는 1~10밀리미터의 전파대(주 1)에서 뛰어난 전송 특성(주 2)을 나타내는 고주파 전송로(주 3)를 개발하였다.
도전율이 높은 은나노 입자 잉크를 이용한 인쇄 기술에 의해서, 도체의 도전율이 높고 치수 정도의 좋은 Coplanar 도파로(導波路)(Coplanar Waveguide)(주 4)를 제작하였다. 이 도파로는 100GHz를 넘는 고주파 대역까지 저손실 특성을 나타내고 특히 60GHz 이상에서는 기존 Coplanar 도파로의 약 반의 전송 손실이 나타났다다. 또한 반복하여 사용에 의한 특성 열화도 작기 때문에 1~10밀리미터의 전파대 디바이스(주 5)의 전기적인 성능을 평가하는 `표준 전송로(주 6)`로서 이용할 수 있다. 그리고 한 번에 많은 패턴 형성이 가능한 스크린 인쇄 기술의 활용에 의해 도전막 형성, 노광 및 에칭에 의한 기존 제작법에 비해 제작 시간의 단축과 저비용화를 실현하였다(제작 시간 : 약 1시간, 기존 대비 20분의 1 이하. 제작비 : 약 6,000엔(약 6만 원), 기존 대비 10분의 1 이하).
개발의 사회적 배경으로 전파 중에서도 30GHz 이상의 높은 주파수인 1~10밀리미터의 전파는 높은 분해능으로 거리를 측정할 수 있는 점이나 대용량의 데이터를 고속으로 전송할 수 있다는 이점이 있다. 지금까지 1~10밀리미터의 전파대를 이용하는 디바이스(1~10밀리미터의 전파대 디바이스)가 고가였었기 때문에 보급의 방해가 되고 있었지만 최근에는 염가의 실리콘 디바이스가 1~10밀리미터의 전파대로 동작할 수 있게 되어 자동차 충돌 방지 레이더(주 7), 근거리 무선 통신 기술(주 8), 제5세대(5G) 휴대전화(주 9)에서 1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 개발이 진행되고 있다. 이러한 추세에 따라 1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 성능 평가에 이용하는 `표준 전송로`가 중요해지고 있다. 표준 전송로에는 장기간 사용하여도 안정된 특성이 요구된다. 그러나 고주파 프로브를 표준 전송로에 접촉시켜 측정을 실시하기 위하여 반복 사용하면 접촉점 상태가 변화되어 전송 특성이나 반사 특성(주 10)이 열화되게 된다. 이런 이유로 1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 고정밀 성능 평가에는 고가의 표준 전송로를 자주 교환할 필요가 있어 염가로 반복하여 사용에 의한 성능 열화가 적은 표준 전송로가 요구되고 있다.
30~40개의 표준 전송로가 1장의 기판에 제작되고 있어 1장당 가격 표준 선로에서는 10회 정도, 기판에서는 300에서 400회 정도로 다만 사용의 조건에 의해 다르다고 한다.
AIST는 1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 성능 평가 기술의 연구 개발을 실시하고 있다. 1~10밀리미터의 전파대로 고정밀의 성능 평가를 실시하려면 손실?반사 특성이 뛰어난 표준 전송로가 필요하다. 또한 고정밀의 디바이스 성능 평가를 계속하여 실시하려면 표준 전송로의 비용을 저감하고 교환하기 쉽게 하는 것이 필요하다.
또한 AIST는 프린티드 일렉트로닉스(Printed Electronics)의 실현을 목표로 한 연구 개발을 실시하고 있어 인쇄법에 따르는 전자 디바이스의 형성에 적절한 인쇄 프로세스의 개발이나 고도화에 임하고 있다. 따라서 고성능 고주파 전송로를 인쇄 기술에 의해서 염가로 제작하는 연구 개발을 실시하는 것으로 하였다고 한다.
Coplanar 도파로의 전송 특성과 반사 특성은 각각 도파로 도체의 도전율과 도파로 치수의 정밀도에 의해 정해지기 때문에 고성능의 Coplanar 도파로를 제작하려면 높은 도전율과 치수 정밀도가 높은 제작 기술이 필요하다. 이번에 110GHz까지 신호를 전송할 수 있는 1~10밀리미터의 전파대 Coplanar 도파로를 설계하여 도전율이 높은 은나노 입자 잉크와 고정밀 스크린 인쇄 기술을 이용하여 알루미나 기판 상에 Coplanar 도파로(신호 선폭 50μm, 신호선과 접지선의 간격 25μm)를 제작하였다.
이번에 개발한 인쇄법에 따르는 Coplanar 도파로와 기존 Coplanar 도파로에 관해서 110GHz까지의 신호의 전송 특성과 반사 특성을 평가하였다. 전송 특성은 값이 0에 가까울수록 손실이 낮고 고성능이지만 인쇄법에 따르는 전송로의 전송 특성은 기존 전송로와 동등하든지 그 이상이었다. 60GHz 이상의 고주파수 영역에서는 기존 Coplanar 도파로보다 저손실이 되었고 특히 100GHz 이상으로는 약 반의 저손실을 실현하고 있다. 또한 반사 특성으로는 부(-)의 숫자가 클수록 신호의 반사가 적고 성능이 양호하였다. 이번에 개발한 도파로는 반사 특성에서도 기존과 거의 동등한 성능을 나타내었다. 이러한 평가 결과는 기존 기술에 비해 도전율과 치수 정밀도가 동등하든지 그 이상인 전송로를 인쇄 기술에 의해 제작할 수 있는 것을 나타내고 있다.
또한 고주파 전송로를 표준 전송로로서 이용하려면 고주파 프로브로 반복하여 접촉하여도 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 것이 요구되고 있다. 이번에 개발한 Coplanar 도파로에 고주파 프로브를 10회 접촉시켜 전송 특성의 위상 변화를 측정했는데 인쇄법에 따라 제작한 Coplanar 도파로는 기존 Coplanar 도파로에 비해 위상 변화가 3분의 1 정도이며 안정성이 증가함을 알 수 있었다. 이것은 반복의 접촉에 의한 도체 금속 표면의 변형이 적기 때문이라고 추측된다.
이러한 평가?측정 결과로부터 이번에 개발한 Coplanar 도파로는 전송 특성?안정성의 면에서 기존의 도파로보다 우수하여 `표준 전송로`로서 이용할 수 있다. 또한 제작비용도 염가이기 때문에 1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 성능 평가용 `표준 전송로`로서 매우 유망하다고 한다.
향후의 예정으로는 이번에 개발한 Coplanar 도파로를 다양한 1~10밀리미터 전파대 디바이스의 성능 평가에 활용하여 `표준 전송로`로서의 유용성을 실증할 예정이라고 한다.
(주 1) 1~10밀리미터의 전파
주파수가 30 GHz에서 300 GHz의 전자파로 주로, 자동차 충돌 방지용 1~10밀리미터의 전파 레이더나 단거리 무선 통신 등에 이용되고 있다.
(주 2) 전송 특성
배선, 디바이스나 회로에 입력되는 신호의 정보(강도나 위상)와 출력단으로부터 출력되는 신호의 정보(강도나 위상)의 비로 나타낸다. 일반적으로 측정되는 대상물에 신호의 증폭 기능이 없는 경우 출력되는 신호의 강도는 입력 신호보다 작고 손실이 발생한다.
(주 3) 고주파 전송로
전자파를 전송하는 전송로(배선)로 TV의 안테나 케이블로 대표되는 동축(同軸) 구조, 수도관과 같은 파이프를 전송시키는 도파관 구조, 그리고 평면 기판 상에 신호선이나 접지선(또는 접지면)을 배치한 평면 회로가 있다. 평면 회로에는 신호선과 접지선을 같은 면 내에 배치한 Coplanar 도파로나 기판의 표면에 신호선, 이면에 접지면을 배치한 마이크로 스트립 도파로 등이 있다.
(주 4) Coplanar 도파로
세라믹이나 수지 등의 유전체로 완성된 판 모양의 기판 표면에 도전체 박막으로 신호선과 그 양측으로 접지선을 배치한 구조의 전자파를 전파하는 전송로로 주로 고주파 프로브의 특성을 교정하기 위해서 사용되는 선로 형상이다.
(주 5) 1~10밀리미터의 전파대 디바이스
1~10밀리미터의 전파의 주파수대로 동작?기능하는 디바이스로 신호를 분배, 전송 방향을 제한하는 등 수동 디바이스와 전자파 신호를 발생, 수신, 증폭하는 등의 능동 디바이스로 구분할 수 있다. 무선기기, 방송 기기나 계측기에 이용되어 왔지만 최근에는 자동차 충돌 방지 레이더 등 생활에 밀접한 디바이스에도 사용되고 있다.
(주 6) 표준 전송로
1~10밀리미터의 전파대 디바이스의 전기적인 성능을 평가하기 위해서 전송?반사 특성의 측정의 기준치를 주는 전송로(배선)로 표준 전송로의 길이나 도체의 도전율에 의해 정해지는 전송 특성(진폭과 위상)과 배선의 치수 등으로 정해지는 반사 특성(이상치는 마이너스 무한대 데시벨(dB))을 측정의 기준치로 한다. 실제 제작되는 표준 전송로에서는 배선의 가공 정밀도를 위하여 이상적인 치수나 형상으로부터의 차이를 일으켜 배선 내부에서 신호의 반사를 일으킨다. 또한 반복 사용하면 고주파 프로브와의 접촉부 상태가 변화되어 전송?반사 특성이 열화하여 측정 정밀도가 저하된다.
(주 7) 자동차 충돌 방지 레이더
자동차 주변의 사람이나 장애물이나 차간 거리 등을 검출하기 위한 레이더로 검출 결과는 브레이크의 보조나 속도의 조정, 운전자에게의 경고를 하기 위해서 이용된다. 주로 카메라나 적외선, 1~10밀리미터의 전파가 이용된다. 특히 1~10밀리미터의 전파를 이용한 자동차 충돌 방지 레이더는 광범위하게 검출할 수 있는 점과 날씨에 좌우되기 어렵다고 한 이점이 있지만 지금까지는 저비용화가 과제로 여겨져 왔다.
(주 8) 근거리 무선 통신 기술
전철이나 버스 등의 승차 카드나 전자화폐 등의 기능이 부착한 비접촉형 IC 카드나 스마트폰에 이용되는 근거리에서의 통신을 가능하게 하는 기술로 헤드폰 등과 스마트폰과의 통신 등에 이용되고 있는 Bluetooth나 초고속 근거리 무선 전송 방식인 60 GHz대의 전파를 이용하는 WiGig(Wireless Gigabit) 등도 근거리 무선으로 분류되고 있다.
(주 9) 제5세대(5G) 휴대전화
2020년 실용화가 목표로 되어 있는 차세대의 휴대 전화 규격으로 통신 속도는 10Gbps 이상(현재 주류의 제4세대의 최대 10배)을 목표로 하고 있어 일본에서는 2020년 도쿄 올림픽까지의 실용화를 목표로 한 연구 개발이 진행되고 있다. 또한 현재는 최대 70GHz의 전파 이용의 실험도 진행되고 있다.
(주 10) 반사 특성
배선, 디바이스나 회로에 입력되는 신호의 정보(강도나 위상)와 입력단에 되돌아가는 신호의 정보(강도나 위상)와의 비로 나타낸다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
