세라믹 내부 구조 바꿨더니…통신 신호 손실 줄이는 소재 개발

- 가열 온도 조절해 신호 손실 적은 세라믹 결정구조 형성 -
- 유전손실 0.0006 달성… 통신 필터에서 삽입손실 0.9dB 확인 -
- 6G·위성통신 등 차세대 통신부품에 활용 기대 -

□ 한국세라믹기술원(원장 윤종석) 지상수·신효순 박사 연구팀이 통신 신호의 손실을 줄일 수 있는 세라믹 소재를 개발하고 이를 활용한 고성능 초고주파 통신 필터 제작에 성공했다고 밝혔다.
 
□ 6G와 위성통신 등 차세대 통신기술은 많은 정보를 빠르게 전달하기 위해 높은 주파수를 사용하지만 주파수가 높아질수록 신호 손실이 커져 이를 줄이는 기술이 중요하다.
 
 ㅇ 통신기기에는 여러 주파수 가운데 필요한 신호만 골라 통과시키는 통신 필터가 매우 중요하며, 신호가 필터를 통과하는 과정에서 신호 손실을 줄이기 위한 소재 개발이 필수적이다.
 
 ㅇ 특히, 세라믹과 금속 회로를 여러 층으로 쌓아 만드는 저온동시소성세라믹(LTCC)*은 우수한 유전 특성과 더불어 작은 공간에 복잡한 회로를 만들 수 있어 통신부품의 소형화에 유리하다.
     * 저온동시소성세라믹(LTCC) : 유리 분말 및 세라믹 필러가 혼합된 얇은 세라믹 판과 금속 회로를 여러 겹 쌓은 뒤 함께 구워 만드는 복합체로 차세대 통신분야에 널리 사용하고 있는 대표적인 소재
 
□ 연구팀은 실리카(SiO₂)*기반 유리 분말과 세라믹 필러**를 결합한 소재를 가열하는 온도에 따라 내부 구조가 달라지고 이러한 변화가 신호 손실에도 영향을 준다는 점에 주목했다.
     * 실리카(SiO₂) : 규소와 산소로 이루어진 물질로 유리와 세라믹의 주요 원료 중 하나
     ** 세라믹 필러 : 유리 등 다른 재료에 섞어 전기적 특성을 개선하거나 조절하는 미세한 세라믹 분말
 
 ㅇ 실리카는 같은 성분이라도 내부 원자가 배열된 모습에 따라 석영과 크리스토발라이트라는 서로 다른 결정구조를 만들 수 있다.
     * 크리스토발라이트(Cristobalite) : 실리카(SiO₂)의 한 종류로 석영과 성분은 같지만 내부 원자 배열이 다른 결정
 
 ㅇ 연구팀은 세라믹을 굽는 온도를 조절한 결과, 약 900℃에서 석영과 크리스토발라이트가 함께 존재할 때 유전손실*이 가장 우수함을 발견했다.
     * 유전손실 : 전기 에너지가 소재 내부에서 열 등으로 소모되는 정도를 나타내는 값으로 수치가 낮을수록 신호 전달에 유리
 
 ㅇ 이는 두 결정구조가 함께 있을 때 세라믹 내부에서 전기를 띤 작은 입자인 이온이 이동할 수 있는 경로가 줄어들면서 에너지 손실이 감소하기 때문인 것으로 분석됐다.
 
□ 개발된 세라믹 소재는 전기 신호가 전달될 때 에너지가 손실되는 정도를 나타내는 유전손실이 0.0006으로 나타났으며, 유전율 4.5와 품질계수(Q×f) 20,400GHz의 우수한 특성을 보였다.
 
 ㅇ 연구팀은 개발된 소재를 이용해 얇은 세라믹 판과 금속 회로를 여러 겹 쌓은 통신 필터를 제작했으며, 약 28GHz 주파수에서 삽입손실* 0.9dB의 성능을 확인했다.
     * 삽입손실 : 신호가 통신부품을 통과할 때 약해지는 정도를 나타내는 값으로 수치가 낮을수록 신호손실이 적음
 
□ 지상수 선임연구원은 “실리카 기반 LTCC 세라믹 소재의 내부 결정구조를 정밀하게 조절하면 신호 손실을 줄일 수 있어 산업적 활용 가능성이 높다”며, "향후 6G와 위성통신, 자율주행차 레이더 등 고주파 통신부품 뿐만 아니라 빠른 신호 전달이 필요한 반도체 패키지 기판 등에도 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
 
□ 한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구성과는 지난 10월 22일 복합소재 분야 최상위급 국제학술지(IF 15.5, JCR 5.71%) ‘어드밴스드 컴퍼지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)’ 온라인 게재됐다.