1. 개요

가. 개념 정의

□ 베이스밴드 신호를 무선신호로 또는 그 반대의 과정의 수행하는 부품 및 그 구성 소재로, 스마트폰 및 무선통신기기에 사용되며, 안테나, LC 필터 등 RF Filter, RF 부품 Wafer 원판 등을 포함

□ RF(Radio Frequency, 무선주파수)는 안테나에 들어오는 입력이 전류일 때 무선 방송이나 통신에 적합한 전자기장이 생성되는 특성을 갖는 교류를 가리키며 무선통신에 할당된 가장 낮은 주파수(사람이 들을 수 있는 범위 내에 속함)인 9kHz로부터 수천 GHz 까지 걸쳐있음

□ RF 시스템은 RF로 통신을 하기 위한, 안테나 및 안테나와 연결된 무선 주파수 송· 수신부를 말하며 RF 시스템은 Tx(Transmission, 송신) 부, Rx(Receiver, 수신) 부로 나뉘는데 아래 그림의 오른쪽 칸의 위쪽이 Tx, 아래쪽이 Rx를 의미

[ RF 시스템 ]

□ RF Filter(무선주파수 여파기)

▪Filter(필터)는 입력된 여러 주파수 성분 중 원하는 주파수만 통과시키고 나머지는 감쇄 또는 반사하는 역할을 하는데 결국 Filter는 주파수 선택을 위해 꼭 필요한 개념

▪RF 시스템은 Filter를 피할 수는 없는데 수동회로는 물론 능동회로, 시스템에 걸쳐서 단품이건 부속품이건 매칭 회로로 존재하건 간에 Filtering 개념이 필요하지 않는 곳은 없음

▪즉 RF 시스템에서는 사용하고자 하는 주파수는 정해져 있으므로 원하는 주파수를 선택하려면 반드시 필터는 필요

□ 따라서 RF 필터는 각종 무선통신 전자기기의 통신 주파수 선택을 위해 사용되는 부품으로 RF 필터 종류는 기능적으로 LPF(Low pass filter), BPF(Band pass filter), HPF(High pass filter) 등으로 나누어짐

[ RF 필터의 종류 ]

□ RF 필터는 각종 고주파용 기판에 LC 공진기를 형성하여 RF필터를 구성하고 패키징 하거나 모듈화하여 RF필터를 생산

□ 각종 무선통신 전자기기의 통신 주파수 선택을 위해 사용되는 부품 RF 필터 종류는 기능적으로 LPF(Low pass filter), BPF(Band pass filter), HPF(High pass filter) 등으로 나누어짐

나. 중요성 및 의의

□ 필터는 안테나와 마찬가지로 네트워킹 구성의 일부로 점점 중요해지고 있어서 모바일 데이터와 4G LTE 네트워크의 급격한 성장으로 무선 트래픽을 수용하기 위해 새로운 주파수 대역이나 주파수 대역 결합(Carrier Aggregation)에 대한 수요가 전례 없이 높아짐

□ 3G 네트워크는 5개의 주파수 대역을 사용하는 데 그쳤지만, LTE 네트워크는 현재 40개 이상의 대역을 사용하고 있으며, 5G 네트워크는 26, 28, 38, 60GHz 등에서 작동하는 밀리미터파 주파수를 이용하고 핫 플레이스 지역에서 사용되는 28GHz 대역의 경우 333MHz 대역폭을 사용할 수 있어 BPF의 대역폭이 대폭 증가

□ 모바일 네트워크에 연결된 장치는 셀룰러 신호나 와이파이, 블루투스, GPS 신호를 여러 주파수 대역에 걸쳐 전송하면서 간섭을 피해야 하는데 스마트폰뿐만 아니라 자동차 지붕에 달린 상어 지느러미 모양 안테나부터 이동통신 기지국, 레이더 통신 시스템, IoT에 연결된 산업, 과학, 의학용 애플리케이션까지 모든 곳에 필터가 필요

□ 한 덩어리의 주파수가 서로 시선을 끌려고 경쟁을 할 때, 필터는 원하는 주파수를 허용하고 원하지 않는 주파수를 거절하는 역할

□ 오늘날의 스마트폰은 이런 간섭과 싸우기 위해 30~40개의 필터를 내장하고 있으며 상황은 차세대 이동통신 때문에 한층 더 복잡해지고, 더 많은 수의 필터가 요구될 가능성이 큼

다. 가치사슬 구조 및 분류

(1) 가치사슬 및 용도별 분류

◎ 가치사슬

□ RF 부품(필터 포함)산업은 안테나에서 Baseband 이전 단의 전파를 송수신하는 모든 부품의 산업을 포함. RF 부품은 매우 복잡한 구조로 되어있으며, 단말에서 차지하는 비중이 매우 큼

□ 따라서 단말의 소형화 및 고기능화가 급속도로 진행됨에 따라 가장 먼저 기술 개선이 요구되는 산업이며 가장 큰 변화는 모듈화 및 통합화가 급속도로 진행되는 중

◎ 용도별 분류

□ 통과특성과 스커트특성에 따른 RF 필터의 분류

▪필터 통과특성 자체에 따른 RF 필터의 분류를 살펴보면, 이것은 통과 대역 형태와 스커트 특성에 따라 분류되며 대표적으로 Butterworth와 Chebyshev 라는 두 가지 형태로 존재

▪Butterworth type은 Maximal flat이라 하여 통과 대역의 형태가 가장 평평하게 만들어지는 필터를 말하며 통과 대역이 평평하면 스커트 특성을 날카롭게 세우는데 뚜렷한 한계가 있는 가장 단순한 형태의 필터

▪Chebyshev type은 Equally Ripple(동일잔 진동)이라 하여 통과 대역에 똑같은 크기의 진폭을 갖는 작은 ripple들이 존재하는데 이들은 품질에는 좋지 않지만 대신에 스커트의 특성은 좋아지며 스커트 특성이 좋을수록 ripple의 크기는 점점 더 커지는 trade-off 관계가 있음

▪실제로 많은 상업용 필터들은 Chebyshev type으로 만들어지며 상업적 이동통신에서는 주파수를 잘게 나누어 써야 하는데, 통과 대역에 다소 ripple이 있더라도 대역 구분이 명확한 필터를 더 선호

[ Butterworth Type과 Chebyshev Type 필터 ]

□ 또한 RF 필터의 분류 중 필터구조를 물리적으로 어떻게 구현하는지에 대한 즉, L - C 조합에 따른 분류로는 크게 다음과 같음

▪Waveguide(도파관) : 공진(resonance) 현상을 직접 이용하는 경우로서, 도파관 필터는 위성이나 이동통신 기지국의 경우처럼 kW 단위의 대전력을 사용하는 경우에 널리 응용됨

▪SAW(Surface Acoustic Wave) : 소형, 경량, 박형을 추구하는 이동통신 단말기와 같은 휴대용 장비의 필터에 사용하는데 같은 성능을 구현하는 경우 LC 필터, 세라믹 필터 등에 비해 가장 작은 크기로 구현이 가능

▪그 외에 Lumped Element(Lead Type 혹은 SMD type의 L, C 소자를 PCB에 땜질해서 만들 수 있는 원초적이고 기본적인 필터), Transmission line - Microstrip / Stripline(수 GHz 이상의 경우 lumped element 사용이 어려울 때, 전송선로를 이용한 필터), Ceramic / dielectric(파장에 따른 공진을 이용하는 구조적 필터) 등이 있음

(2) 기타 분류 방법

□ 필터는 정의하기에 따라서 여러 가지 분류법에 의해 구분되나 어느 주파수 대역을 통과시키는지에 대한 대역통과 특성에 따라 구분하면 크게 4가지의 종류로 구분할 수 있음

□ LPF (Low Pass Filter : 저역 통과 여파기)

▪모든 필터의 기본형이라 할 수 있는 것이 바로 이 LPF으로 가장 간단한 형태로 구현되어, 이것을 기반으로 여러 가지 형태로 변환하여 다른 종류의 필터를 만들 수 있음

▪주로 고주파 잡신호를 걸러내어 저주파의 필요한 신호만을 골라낼 때 많이 사용되는 filter 구조이며 전원단에서 저주파 ripple을 제거하기 위한 용도 및 고주파 spurious 제거, 고주파 억제와 각종 검파 등 전 분야에 걸쳐 고루 사용되는 필터 형태

▪특성적으로는 모든 필터의 기본형으로서, 우선 LPF 형태의 필터를 구현하고서 그것을 변화하여 다른 형태의 필터로 구현하는 경우가 많음

□ BPF (Band Pass Filter : 대역 통과 여파기)

▪RF Filter 중에서도 주축이 되는 필터는 BPF로 여러 주파수를 잘 게 나누어 쓰는 현대 RF에서 원하는 주파수 대역만 정확하게 골라내야 하는 BPF의 역할은 너무나도 중요한 문제

▪수신단에서는 수많은 잡주파수 중에서 필요한 주파수만 정확히 골라내야 하고, 송신단에서는 불필요한 잡주파수가 발신되지 않도록 송신주파수만 잘 걸러서 내보내야 하는데 시스템마다 사용해야 할 주파수가 정확히 정해져 있고, 이것을 국한해주는 것이 결국 BPF의 역할

▪그렇기 때문에 특성과 application에 따라 매우 다양한 형태의 필터로 구현할 수 있고 filter와 관련된 거의 모든 최신 기술의 90%는 이 BPF에 몰려 있는 상황

□ HPF (High Pass Filter : 고역 통과 여파기)

▪LPF와 정반대의 개념으로 매우 제한된 용도로 사용되는 필터로, 무엇보다 HPF 형태의 필터는 distributed type으로는 구현하기가 어렵다는 게 가장 큰 문제인데 낮은 주파수를 쉽게 통과하게 하여 LPF로 구현하는 것은 쉽지만, 높은 주파수를 쉽게 통과하게 하여 HPF로 구현하는 것은 어려움

▪그럼에도 불구하고 매칭 구조 등에서 저주파 발진을 최소화하기 위해서 HPF 형태를 종종 사용하게 되는데 모든 매칭단이 LPF 형태로 구성되면 고주파는 많이 억제되겠지만, 저주파에 불필요한 이득이 많아져서 발진이 나는 경우도 종종 발생하기 때문에, HPF 형태 구조의 매칭단도 함께 겸해서 사용

□ BSF (Band Stop Filter, BRF - Band Reject Filter, Notch Filter : 대역저지 여파기)

▪BPF와는 정반대로, 모든 주파수대역은 잘 통과시키면서 특정 대역의 주파수만 통과시키지 않는 형태의 필터로 주로 특정 주파수의 유입만 차단하기 위해 사용되며 RF 시스템 여러 군데에서 유용하게 사용 가능

▪BPF와 공진형태를 정반대로 사용하는 형태로 쉽게 구성되며, 직렬공진과 병렬공진을 잘 배치하고 조합하여 구현

[ RF Filter의 종류 ]

□ 최근 무선통신 기술은 급속도로 발전하여 새로운 무선 기기가 출시됨에 따라 데이터 소비량이 기하급수적으로 증가하고 있으므로 이러한 모바일 사용자 트래픽 증가에 따른 수요를 충족 하기 위해서는 새로운 무선기술의 개발이 필요

□ 따라서 기존의 6GHz 이하 대역에서 동작하는 이동통신 시스템은 대역폭 제한에 의한 전송용량에 한계가 있으며 대용량을 수용할 수가 없는데 이를 위해 넓은 대역폭 확보가 가능한 밀리미터파 기반의 5세대 이동통신 RF(Radio Frequency) 기술개발이 우리나라를 비롯하여 전 세계적으로 활발히 진행 중

□ 밀리미터파(mm-Wave)는 전파의 특성상 파장이 짧아 안테나 및 기기의 소형, 경량 화가 가능하고 대역폭을 넓게 사용할 수 있어 정보량을 대량으로 전송 가능한 것이 강점

□ 이처럼 밀리미터파 무선통신 기술은 30GHz 이상의 주파수 대역에서 1GHz 이상의 대역폭을 사용하고, 가용 대역이 풍부한 밀리미터파 및 밀리미터(mm) 단위의 짧은 파장을 제어하여 대량의 멀티미디어 정보를 실시간으로 전송함으로써 전송 용량을 증대시킬 수 있는 5세대 이동통신 핵심 요소 기술로 연구개발 중

□ 초고속 모바일 정보 전송을 제공하기 위하여 밀리미터파 기반 광대역 이동통신 RF 구성은 그림3과 같이 전력증폭기(Power Amplifier : PA), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : LNA), Tx/Rx 스위치, 필터 등으로 구성되는 RF 전치단(Front End Module : FEM), 상기 RF 전치단의 입출력단은 밀리미터파 배열 안테나 및 밀리미터파 RF 송수신기로 연결되어 RF 시스템이 구성

[ 밀리미터파 기반 이동통신 RF 구성도 ]

2. 산업 분석

가. 산업 동향

□ 5G 이동통신은 크게 6 GHz 이하의 주파수를 사용하는 시스템과 mmWave의 광대역을 사용하는 시스템으로 이루어짐

□ 6GHz 이하의 주파수는 기존의 LTE-A에서 진화한 NR 방식이 사용될 것으로 보이며 mmWave의 경우 현재 3GP에서 표준화 진행 중인 mmWave NR 방식이 사용되고 있음

□ 6GHz 이하의 주파수를 사용하는 5G 이동통신의 경우 허가 주파수(licensed frequency) 뿐만 아니라 비허가 (unlicensed frequency)도 다양하게 사용하는 구조가 될 것으로 보이며 기존의 셀룰러 이동통신 사업자뿐만 아니라 공공와이파이 서비스, Local 임대 서비스, 별정통신사업자 등 다양한 형태의 사업자들이 공존할 것으로 예상

□ 5G 이동통신은 ’20년 상용서비스가 개시되어, 기존 이동통신 시장을 점진적으로 대체하며 성장(’26년 1조 3,686억 달러)할 전망

[ 세계·국내 이동통신 및 5G 시장 전망 ]

* 출처 : ETRI 기술경제연구본부, 2016. 02

나. 시장 동향 및 전망

(1) 세계시장

□ 세계 RF 부품 중 RF 필터의 시장 규모는 ’16년 73억 달러에서 연평균 15.98% 성장하여 ’23년 205억 달러에 이를 전망임

(2) 국내시장

□ RF 필터의 대표적 제품인 SAW필터의 시장규모는 2018년 2,933억 원으로 산정되었으며, 2024년에는 6,719억원까지 성장할 것으로 전망

3. 기술 개발 동향

가. 기술 개발 이슈

◎ 기술 개발 방향

□ (소재기술)Ceramic(LTCC필터), 압전기판(SAW필터), 고주파용 Si 기판(FBAR 필터, IPD 필터)과 관련된 기술

□ (공정 및 제조 기술) 기판에 LC 공진기를 구현하는 기술

□ (RF 설계 기술) 필터를 적용한 제품 패키징 기술

◎ 국내 기술 수준 현황

□ 일본과의 기술격차 2년 이상이며, 기술 수준은 80%정도로 판단됨

□ RF 5대 부품(Antenna, Switch, Filter, Power Amp, LNA) 중 고성능 SAW/LTCC 필터는 대부분 일본에서 수입

◎ RF 필터의 과제

□ 필터에 사용된 유전체 또는 압전체의 특성이 온도에 따라 변하기 때문에, 필터의 대역통과 주파수대역이나 감쇄 특성들이 변하게 되어 주파수를 격리하거나 통과 시키는 성능에 영향을 받음

□ 더 많은 새로운 대역이 기존 대역과 인접한 주파수에 할당되면서 온도에 의한 특성변화 관리가 중요해짐. 또한, 이동통신업체들이 네트워크 성능을 높이기 위해 최대 5개의 채널을 결합하는 등 CA(Carrier Aggregation)가 확산하면서 정확한 필터는 필수 사항

□ 표면탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW) 필터는 벌크탄성파(Bulk Acoustic Wave, BAW) 필터에 비하여 온도 특성이 나쁘기 때문에 이를 개선하기 위하여 압전기판의 특성을 조절하여 좀 더 안정적인 특성 구현을 위해 연구가 필요

□ 차세대 고성능 스마트폰 역시 더 많은 필터가 필요하지만 이들 부품을 위한 물리적인 공간은 유한하므로 엔지니어는 더 작은 공간에서 고성능을 제공하기 위한 필터를 결합할 방법 도출 필요

□ 공간 다이버시티 와 MIMO 적용에 따라 기하급수적으로 늘어나는 안테나 개수 문제를 해결하기 위한 듀플렉서, 트리플렉서, 쿼드 플렉서, 헥사플렉서와 같이 여러 대역의 필터들을 묶는 멀티플렉서 (Multiplexer)화의 추진이 진행 중

□ LTE와 와이파이 대역은 극히 가까우면서도 필터링하지 않는 채라서 와이파이 신호는 디바이스의 LTE 수신 감도를 감소시킬 가능성 존재하므로 이를 해결하기 위한 공존 필터(Coexistence filter)의 개발

□ 필터가 없으면 상당한 무선 트래픽 정체를 피할 수 없으며 오늘날의 모바일 환경에서 디바이스 한 대에 필요한 대역의 수는 놀랄 정도로 많고 5G 시대의 도래와 함께 점점 증가할 것이며 이들 대역을 모두 지원하는 것은 간섭 문제를 일으키고, 결국 필터가 없다면 네트워킹은 동작이 불가

4. 전략제품 기술 개발 전략

가. 중소기업 기술 개발 전략

□ CA(Channel Aggregation) 기술의 탑재와 5G 서비스 시작에 의한 다양한 주파수 대역 사용으로 RF필터 수요가 증가하고 있으며, 현재 단말기용 해당 수요의 대부분은 SAW필터 및 BAW필터

□ 2000년 초반부터 단말기용 RF필터는 대부분 SAW필터로 대치되기 시작하였으며, SAW필터의 작동주파수 한계인 3GHz 이하의 4G/LTE 대역까지 주로 적용

□ 최근 ~3.5GHz의 sub-6GHz 통신대역과 ~ 28GHz의 밀리미터파의 광대역 5G 이동통신시대 도래로 BAW필터와 LTCC필터 수요가 계속 증가하는 추세

□ 탄성체 기반의 RF 필터의 작동주파수 한계를 뛰어넘어 ~ 28GHz 밀리미터파 대역에 적용이 가능한 소재 및 소자 기술 지원 필요

□ SAW필터 및 BAW필터를 위한 탄성파 압전소자 구현 최적화 기술과 같은 핵심기술의 경쟁력 향상을 위한 기술 지원 필요

나. 핵심기술 리스트