에어로졸 제트 프린팅 기술을 이용한 미세공정 마이크로파 회로 소형화 설계

Ⅰ. 서 론

통신 서비스의 다양한 요구에 맞춰 단말 시스템과 회로의 종류, 사이즈, 구조 등도 다양한 요구에 맞는 설계, 제작이 요구되는 시대가 되었다. 특히 시스템 소형화에 대한 요구는 마이크로파 회로의 MMIC/RFIC로의 집적화에 대한 수요를 증가시키고 있으나, 여전히 고가의 공정 비용을 감당하기 위해서는 IC로의 집적은 대량 생산 품고에 한정되어 있는 현실이다[1][2]. 다양한 사용자화된(Customized) 시스템과 모듈, 부품의 개발 요구에 대응하기 위해 LTCC(Low-Temperature Co-fired Cerimic)나 3D 프린팅 등의 적층 공정(Additive manufacturing)을 활용한 다품종 소량생산 기술이 지속적으로 연구되고 있다. 그러나 수 nm의 선폭을 제공하는 IC 공정에 비해 적층 공정 기술들은 공정에 따라 1-50 μm 수준의 선폭 분해능을 제공하고 있다[3]-[5]. 일반 PCB(Printed Circuit Board) 에칭 공정은 저렴한 비용으로 소량 및 대량 생산에 적합하지만, 0.2 mm 이하의 미세한 패턴을 구현하는 데 한계가 있다[6]-[8]. 따라서 공정 비용, 선폭 분해능, 설계 및 제작 소요 기간 등을 고려한 미세 공정이 가능하면서 다품종 소량생산에 적합한 제조 공정이 요구되고 있다.

본 논문에서는 에어로졸 제트 프린팅(AJP, Aerosol Jet Printing) 기술을 이용한 마이크로파 회로 공정 적용 가능성을 검증하여 초미세 공정으로 다품종 소량생산이 가능한 PCB 기반 설계 제조 기술을 제안하였다. AJP 기술은 복잡한 패턴을 정밀하게 구현할 수 있으며, 기존 PCB 에칭 공정에 비해 저비용 및 공정 간소화를 통해 시간 효율성을 높일 수 있다. 기존 AJP 공정이 전송선로 제작 시 낮은 도체 적층에 의해 발생하는 전기전도도와 양호도 문제[9]를 금속 도금 공정[10]을 결합하여 해결하였다. 구성은 서론에 이어 제2절에서 AJP 방식의 마이크로 프린팅 공정기술을 소개하고, 제3절에서 마이크로 프린팅 공정에 의한 아날로그/마이크로웨이브 회로의 적용 가능성을 제시하였다. 제4절에서 제안된 공정 기술에 의해 마이크로파 회로의 공정 제약 극복을 통한 설계 수준 향상도를 회로 설계 및 제작 결과를 통해 검증하였으며, 결론에서 마이크로 프린팅 기술의 응용 및 확장 가능성을 제시하였다.

Ⅱ. 미세공정 초고주파 회로를 위한 에어로졸 제트 프린팅 공정

마이크로 프린팅(Micro-printing)은 육안으로 식별하기 어려운 마이크로미터 스케일의 미세 패턴을 인쇄하는 기술로 3D 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅 등 다양한 방식을 사용한다. 그중 잉크젯을 이용한 AJP 기술은 평면뿐만 아니라 비평면 구조에서도 고해상도 패턴을 정밀하게 인쇄할 수 있어 다양한 입체 구조의 회로 제작에 우수한 특성을 가지고 있다. 또한 2-3μm 수준의 미세 선폭으로 원하는 위치(좌표)에 정확하게 잉크를 적층하여 높은 정확도의 패턴 인쇄가 가능하다. 하지만 기판의 물성, 잉크의 점도와 표면 장력 등 물리적 요인이 공정 정밀도에 영향을 미치며, 증착된 잉크의 낮은 치밀도로 인한 전기 전도성 저하는 직류나 저주파 교류 신호 전송에는 큰 영향을 미치지 않으나, 고주파 전송선로를 프린팅 하는 데는 제한 요소로 작용한다[11]-[14]. 본 논문에서는 프린팅된 선로의 도체 밀도와 두께, 전기적 특성 확보를 위해 도금 공정을 결합한 회로 공정을 제시하였다.

그림 1은 마이크로파 회로 설계를 위한 AJP 공정을 보이고 있다. 플라즈마 전처리 단계는 잉크 프린팅 전 기판의 잉크 접착력을 높이는 과정이다. 실버 잉크가 기판에 뭉치거나 표면 이물질로 인해 불균일한 잉크 층이 형성되는 문제를 해결할 수 있다. 이를 위해 기판 표면을 탄소-아르곤 플라즈마 처리하여 기판 표면의 친수성을 증가시켜 잉크의 부착력을 향상시키고 오염 물질을 제거하여 보다 정밀한 패턴 구현을 가능하게 한다.

Fig. 1.

AJP process for micro-fabricated microwave circuit

AJP 단계는 그림 2에서 보이는 AJP 프린터 장비를 이용하여 에어로졸 상태의 미세 입자를 분사하는 잉크젯 프린팅 기술로 실버 금속 패턴을 기판에 증착시킨다. AJP 기술은 분무기(Atomizer)가 잉크를 끌어올려 에어로졸 상태로 분사함으로써 기판과 접촉하지 않고도 패턴을 형성할 수 있도록 설계되었다. 이러한 비접촉 방식은 분사 속도와 패턴을 정밀하게 제어할 수 있어 복잡한 형상과 구조를 구현하는 데 유리하다.

Fig. 2.

Photograph of the aerosol jet printer circuit

이 장비의 핵심 요소인 Atomizer를 통해 프린팅 시 투명한 노즐을 통해 잉크가 분사되고, 이물질 제거를 위한 질소 가스는 노란색 노즐을 통해 기판에 분사한다. 가스 배출구가 필터 방향을 향하면 이물질이 제거되고, 노즐 방향으로 향할 경우 잉크가 기판에 도포된다. 이 과정을 통해 작은 입자는 필터에서 걸러지고 크고 균일한 입자만 기판에 분사되어 잉크 도포의 균일성을 높이고 미세 패턴 형성을 가능하게 한다.

AJP 기술을 이용하여 마이크로스트립 선로를 50μm 선폭으로 프린팅하였다. 그림 3은 프린팅된 선로를 고배율 측정 현미경(Mitutoyo사 MF-UA1020 THD)을 사용하여 촬영한 사진을 보이고 있다. 선폭의 측정 결과 50 μm에서 균일한 선폭을 유지함을 알 수 있다. 신터링 단계는 프린팅 후 잉크 입자 간의 결합을 위한 고온 소결(Sintering)을 240℃에서 1시간 동안 수행하였다. 이 과정은 잉크 입자를 밀착시켜 선로의 전도성과 균일성을 증가시킨다.

Fig. 3.

Photograph of 50 μm microstrip printed by AJP

마이크로파 전송선로는 매우 짧은 파장의 전기 신호를 전송하기 때문에 선로 도체의 균일성과 표피두께(Skin depth) 이상의 선로 두께 확보는 전송 특성에 매우 중요한 영향을 미친다. AJP 기술은 미세한 도체 입자를 분사하여 프린팅하므로 매우 좁은 선폭을 구현하는 데는 유리하나 표피두께 이상의 충분한 두께의 선로를 구현하는 데는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 프린팅 적층에 의한 두께 확보 시 발생할 수 있는 선로의 불균일성을 막기 위해 전기 도금 후처리 공정을 도입하였다. 전기 도금은 기판에 프린팅된 실버 잉크 위에만 도금이 되므로 미세공정의 선폭과 정교함을 유지하면서 선로의 두께를 확보할 수 있는 공정이다.

그림 4는 전기 금 도금 공정 전후의 선로의 선폭과 두께를 ET-200(동일 테크노사) 단차 측정기를 이용하여 측정한 결과를 보이고 있다.

Fig. 4.

Comparison of thicknesses of printed lines before/after gold plating

AJP 공정만으로는 약 6 μm 두께로 선로가 구현되었으나, 금 도금 공정 이후에는 약 12 μm 두께의 선로를 확보하였음을 알 수 있다. 또한 금 도금 공정 전후에 선폭의 차이가 거의 나타나지 않음도 확인하여 금 도금 공정으로 인한 미세선폭 공정의 오차 가능성도 미미함을 확인하였다.

Ⅲ. 미세공정 마이크로파 회로 성능 평가

본 절에서는 제안된 AJP 기반 미세공정의 고주파 대역 성능을 평가하였다. 마이크로파 대역의 선로의 특성은 전기 전도도와 손실 등에 매우 민감한 영향을 미치므로 적어도 기존 PCB 공정과 같은 성능을 보여야 회로 설계에 적용 가능하다. 이를 위해 선로의 분산 소자 특성과 공진 특성을 선로만으로 구현된 간단한 회로를 통해 검증하였다. 그림 5와 같이 평면 기판에 나선형 인덕터를 기존 PCB 에칭 공정과 AJP 프린팅 공정으로 각각 제작하여 각각의 인덕턴스와 양호도(Q-factor)를 비교하였다.

Fig. 5.

Configuration of a planar spiral inductor

두 회로 모두 유전율 2.97, 두께 60 mil인 Taconic사의 RF-301 기판을 사용하였으며, 1.27 nH의 인덕턴스를 갖도록 권선 수 2회와 권선 간 간격(g)은 200 μm를 동일하게 설계하였다. 두 회로는 공정에 따라 다른 선폭(w)으로 제작되므로 인덕턴스 조절을 위해 인덕터의 반경 (r)을 달리하여 조절하였다. 기존 PCB 공정은 r=1.82mm와 w=200μm를 갖고, AJP 공정은 r=2mm와 w=50μm이다.

평면 나선형 인덕터는 중심부를 비아(via)로 접지한 1-포트 회로를 구성하여 Z₁₁ 파라미터를 회로 임피던스로 추출할 수 있도록 설계되었다. 네트워크분석기로 측정된 임피던스(Z)를 이용하여 아래 식 (1)과 같이 인덕턴스(L)를 계산하였으며, 회로의 리액턴스(X, Im(Z))와 저항성분(R, Re(Z))을 이용하여 식 (2)와 같이 양호도(Q)를 계산하였다.

측정된 두 회로의 인덕턴스와 양호도를 그림 6에서 보이고 있다. 두 회로의 인덕턴스와 양호도는 약간의 차이를 보이며 대체로 유사한 값을 나타내었으며, 양호도의 최고값은 PCB 공정은 2.687 GHz에서 19.15, AJP 공정은 2.824 GHz에서 19.58로 대체로 유사한 성능을 나타내었다.

Fig. 6.

Comparison of PCB etching and AJP printing processes (a) Q-factor (b) Inductance

2.4-3.2 GHz 대역에서 10 이상의 양호도를 유지하여 제안된 미세공정에 의한 마이크로파 선로가 에너지 손실을 최소화하고 안정적이며 효율적인 성능을 제공할 수 있음을 보여준다.

인덕턴스 값도 두 공정에서 유사한 값을 나타내고 있으며, 최대 양호도인 주파수에서 AJP 공정과 PCB 에칭 공정 모두 1.27 nH로 측정되었다. 따라서 제안된 AJP 기술과 도금 공정에 의해 제작된 선로는 기존 공정과 유사한 수준의 회로 설계 신뢰도(reliability)와 공진 양호도를 나타냄을 확인하였고, 마이크로파 회로를 설계하여 소형화된 회로 설계에 적합함을 검증하였다. 그림 7은 평면 인덕터의 공정 사진을 보이고 있다.

Fig. 7.

Photograph of AJP printing for micro-fabrication

Ⅳ. AJP 기술을 이용한 미세공정 마이크로파 저역 통과 여파기 설계

마이크로 프린팅 기술을 이용하여 계단형 임피던스 저역 통과 여파기를 설계하였다. 계단형 임피던스 저역 통과 여파기는 L, C 소자의 성분을 전송선로의 임피던스로 간단하게 구현하며, 높은 임피던스(Z_h) 선로로 직렬 인덕터를, 낮은 임피던스(Z_l) 선로로 병렬 캐패시터를 구현한다. 여기서 두 임피던스의 차이가 크면 클수록 회로의 성능을 향상시키고 단 수를 줄일 수 있는데 일반적으로 낮은 임피던스는 선폭을 증가시켜 회로의 크기가 증가되어 회로 면적에 제한되고, 높은 임피던스는 좁은 선폭을 구현할 수 있는 공정에 제안된다.

본 연구에서는 기존의 PCB 에칭 공정과 AJP 프린팅 공정의 높은 임피던스의 좁은 선로를 제작 공정 한계치를 감안하여 각각 약 1mm와 75μm인 100Ω과 200Ω으로 설정하여 기존 공정 대비 성능 향상과 소형화 가능성을 검증하였다. 또한 여파기의 최대 크기를 결정하는 낮은 임피던스는 동일한 20Ω으로 설정하여 동일한 여파기 폭으로 구현할 공정 차이를 비교하였다. 설계에 사용된 두 공정을 이용한 여파기 특성은 표 1과 같다.

Table 1.

Specification of the stepped-impedance LPF

차단주파수와 저지대역 감쇄 특성에 의해 6단의 여파기를 동일한 낮은 임피던스 선로와 각각 다른 높은 임피던스 선로로 설계하였다. 높은 임피던스의 선로는 PCB 에칭 공정에서 100Ω, 984μm 선폭이고 AJP 프린팅 공정에서 200Ω, 75μm 선폭으로 설계되어 약 13배 이상의 차이를 갖는다. 또한 각 단 선로의 전기적 길이는 아래 식 (3)-(4)와 같이 임피던스에 의해 차이가 주어진다[15].

여기서 L과 C는 저역통과여파기 기본형의 각 소자값이며, β는 위상상수, R₀는 50Ω, Z_l는 낮은 임피던스, Z_h는 높은 임피던스이다. 인덕터를 구현하는 선로의 길이 (l_h)는 식 (3)에서 보는 바와 같이 높은 임피던스(Z_h)에 반비례하여 높은 임피던스를 구현할수록 회로의 길이가 줄어듦을 알 수 있다. 설계된 계단형 임피던스 저역 통과 여파기는 AnSys사의 HFSS 시뮬레이터를 사용하여 설계하였으며, 동일한 차단 주파수 비교를 위한 미세 튜닝을 실시하여 두 공정 모두 동일한 Taconic사의 RF-301 기판을 사용하여 제작하였다.

시뮬레이션과 제작 측정 결과를 아래 그림 8에서 보이고 있다. 차단 주파수는 PCB 에칭 공정에서 시뮬레이션과 측정 결과는 각각 4.47 GHz, 4.40 GHz이며, AJP 프린팅 공정은 각각 4.25 GHz, 4.32 GHz로 나타났다. 감쇄 스펙의 기준인 7 GHz에서 측정값 기준으로 PCB와 AJP에서 각각 –26.69 dB와 –36.75 dB를 나타내 –20 dB 이하의 스펙을 만족하였다. 두 가지 공정 방식을 통해 얻은 측정 결과를 비교한 결과, 두 방식 모두 비슷한 경향을 보였으나, 동일한 단 수에서 AJP 프린팅 공정의 임피던스 차이가 더 큼에 따라 그림 8과 같이 측정한 S -파라미터가 급격하게 떨어져 스커트 특성이 좋게 나타내었다.

Fig. 8.

Simulated and measured results of LPF implemented by conventional PCB and AJP processes

그림 9는 제작된 PCB 에칭과 PCB 프린팅 방식으로 제작된 회로의 사진을 보이고 있다. 두 여파기의 폭(세로)은 동일하며 물리적 길이는 PCB 에칭 방식에서 a=18.2mm이고, AJP 프린팅 방식에서 b=13.2mm로 측정되었다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 인덕터 구현 단의 물리적 길이가 임피던스에 반비례하여 얻을 수 있는 결과로 회로의 면적 기준 동일한 성능의 여파기 구현 시 약 27.7%의 소형화율을 가지는 것을 확인하였다.

Fig. 9.

Photographs of stepped impedance LPFs implemented by conventional PCB and AJP processes

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 미세 선폭을 구현할 수 있는 AJP 기술을 이용한 마이크로파 회로 설계 방법을 제안하고, 마이크로파 전송선로를 이용한 회로 설계 가능성과 성능을 제시하였다. 기존 금속 프린팅의 균일성과 치밀성 부족으로 인한 공진기 양호도 불량과 큰 전송 손실의 문제를 금 도금 추가 공정으로 해결하였으며, 제안된 방식이 기존 PCB 에칭에 의한 선로 공진기와 공진주파수, 스커트 특성, 매칭 특성 등에서 유사한 성능을 가짐을 검증하였다. 제안된 AJP 프린팅 공정기술을 이용할 경우, 미세 선폭의 높은 임피던스 선로의 제작 공정이 가능하여 회로의 소형화와 성능 제고에 기여할 수 있음을 보였다. 이를 위해 높은 임피던스 선로를 요구하는 계단형 임피던스 저역 통과 여파기를 설계하여 동일 성능의 기존 공정에 비해 높은 성능과 약 27%의 회로 소형화를 달성함을 보였다. 본 논문에서 제안된 AJP 방식은 매우 수 마이크론(μm) 스케일의 좋은 선폭 구현이 가능하여 이를 활용할 경우 다품종 소량 생산을 위한 IC 수준의 소형화를 구현할 수 있을 것으로 예상된다.

Acknowledgments

본 연구는 순천향대학교 학술연구비와 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 학·석사연계ICT핵심인재양성사업의 연구결과로 수행되었음(IITP-2025-RS-2024-00436500)

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