초고주파 XBAR 격자 필터의 고대역폭·저손실 구현

초록

본 논문은 얇은 필름 리튬니오베이트(TFLN) 위에 주기적으로 폴드된 P3F 구조를 이용해 XBAR(가로 전자기계 공진기) 기반 격자 필터를 구현한다. 직접 격자와 레이아웃 균형 격자 두 토폴로지를 설계·제조하여 20 GHz 근처에서 각각 27.42 %와 39.11 %의 3‑dB 대역폭과 0.88 dB, 0.96 dB의 삽입 손실을 달성했으며, 전체 면적은 1.3 mm² 이하로 매우 컴팩트하다.

상세 분석

이 연구는 기존의 SAW·BAW 필터가 직면한 고주파·고대역폭 요구를 해결하기 위해, 얇은 필름 리튬니오베이트(TFLN) 위에 주기적으로 폴드된 P3F(Periodically Poled Piezoelectric Film) 구조를 활용한 XBAR(가로 전자기계 공진기) 기반 격자 필터를 제안한다. XBAR는 전극을 기판 표면에 가로로 배치해 전기 신호를 횡방향 음향 모드로 변환하는데, TFLN의 높은 전기기계 결합 계(k²≈30 %)와 낮은 손실 특성 덕분에 20 GHz대에서도 높은 Q와 넓은 밴드폭을 동시에 확보한다.

두 가지 격자 토폴로지는 전통적인 직접 격자와 레이아웃 균형(Layout‑Balanced) 격자로 구분된다. 직접 격자는 전송선로와 XBAR를 교차 배치해 전압·전류 흐름을 직접 매칭시키는 방식이며, 설계가 단순하지만 불균형한 임피던스 매칭으로 인한 손실이 발생할 수 있다. 반면 레이아웃 균형 격자는 각 XBAR를 대칭적으로 배치하고, 상호 보완적인 위상 이동을 도입해 전체 회로의 임피던스를 보다 정밀하게 조정한다. 이로써 삽입 손실을 최소화하고 대역폭을 확대할 수 있다.

시뮬레이션 단계에서는 3‑D 전자기·음향 연동 해석을 통해 XBAR의 전기기계 변환 효율과 전송선로와의 매칭 조건을 최적화하였다. 특히, 전극 간격, 폴링 주기, 그리고 얇은 리튬니오베이트 층의 두께를 미세 조정해 k²를 극대화하고, 전송선로 임피던스를 50 Ω에 정밀히 맞추었다. 제작 공정은 전통적인 리소그래피와 화학적 에칭을 결합해 0.2 µm 이하의 정밀도를 달성했으며, P3F 폴링은 전압 인버팅을 통해 주기적으로 도메인을 전환함으로써 높은 전기기계 결합을 유지한다.

측정 결과, 직접 격자 필터는 20 GHz에서 27.42 % FBW와 0.88 dB 삽입 손실을 보였고, 레이아웃 균형 격자는 39.11 % FBW와 0.96 dB 삽입 손실을 기록했다. 두 필터 모두 1.3 mm² 이하의 면적을 차지했으며, 이는 기존 BAW 필터 대비 3배 이상 소형화된 것이다. 또한, S‑파라미터 분석에서 양쪽 포트 모두 20 dB 이하의 반사 손실을 보여, 콘쥐게이트 매칭이 효과적으로 구현되었음을 확인했다.

핵심 인사이트는 (1) TFLN 기반 P3F 구조가 XBAR의 전기기계 결합을 크게 향상시켜 고주파에서도 충분한 전력 전송이 가능하게 함, (2) 격자 토폴로지 자체가 넓은 대역폭을 제공하면서도 회로 레이아웃을 최적화하면 삽입 손실을 최소화할 수 있다는 점이다. 또한, 설계‑제조‑측정 전 과정에서 미세 공정 변동이 성능에 미치는 영향을 정량화함으로써 향후 대량 생산 시 공정 윈도우를 정의하는 데 기여한다.

마지막으로 논문은 현재 한계점으로, 온도 변동에 따른 주파수 드리프트, 전력 처리량 제한, 그리고 대량 생산 시 도메인 폴링 균일성 문제를 제시한다. 향후 연구는 온도 보상 회로 통합, 고전력 설계, 그리고 자동화된 폴링 공정 개발을 통해 이러한 과제를 해결할 수 있을 것으로 전망한다.