SAW 필터란?
SAW 필터는 특정 주파수를 가진 전기 신호를 선택적으로 추출할 수 있는 필터입니다.
표면 탄성파 필터를 의미하는 ‘Surface Acoustic Wave Filter’의 머리글자를 따온 것입니다. 압전소자를 통해 전달되는 표면파를 이용하여 기계적 진동을 필터링함으로써 가파른 주파수 의존 특성을 만들어 특정 주파수 성분을 통과시키거나 차단할 수 있습니다. 표면파는 매체의 표면을 통과하는 파동으로, 표면에서 내부로 갈수록 급격히 진폭이 감쇠하는 것이 특징입니다.
SAW 필터는 전기신호를 입력하면 압전소자에 의해 기계적 진동으로 변환되어 특정 진동수만 선별하여 다시 전기신호로 되돌려 출력합니다.
SAW 필터의 사용 용도
SAW 필터는 손실이 적고 컷오프 특성이 우수하여 스마트폰 등 휴대용 단말기, TV 튜너, 무선랜 등 무선통신기기에서 송신(Tx) 수신(Rx) 전환용 필터인 듀플렉서(Duplexer) 용도 등에 매우 많이 사용되고 있습니다.
가파른 공진 특성을 활용하여 불필요한 주파수 대역의 노이즈를 줄이는 목적으로 사용되어 휴대폰 통화 시 음질 향상 등에 기여하고 있으며, SAW 필터는 저비용으로 소형화, 박형화가 용이하여 휴대단말기의 고기능화에 없어서는 안 될 필수 요소입니다.
또한, 휴대단말기에서 사용하는 통신 주파수의 단말기 당 대역수도 해마다 증가하고 있기 때문에 SAW 필터를 이용한 주파수 대역(Band) 선별은 무선통신 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다.
SAW 필터의 원리
SAW 필터는 탄탈륨 탄탈레이트 등의 압전 기판 위에 형성된 빗살형 전극에서 탄성 표면파가 있는 진동 모드를 공진기로 활용함으로써 필요한 주파수 성분 이외의 신호를 가파르게 필터링하여 감쇠시키는 전기적 필터 특성을 가지고 있습니다.
실제 SAW 필터는 압전 기판 위에 전극을 빗살 모양으로 배치한 구조를 가지고 있습니다. 여기에 구동용 전극을 가지고 있으며, 입력된 고주파 전기 신호에 의해 전압이 발생하면 빗살 모양으로 배열된 전극들 사이의 간격에 따라 진동이 발생하는 구조입니다.
이 진동은 여러 개의 빗살형 전극에 의해 공진을 일으키기 때문에 점점 증폭됩니다. 이 때의 진동이 표면파가 되어 최종적으로 검출용 전극으로 전파된다. 여기서 기계적 진동을 다시 전기적 신호로 변환하여 필터 기능을 갖는 장치가 됩니다.
얼마나 많은 주파수를 투과시키는지 등을 나타내는 필터 특성은 압전체의 물성값과 전극 구조에 따라 달라집니다. 표면파의 전파 속도는 재료마다 다르기 때문에 어떤 압전소재를 사용하느냐에 따라 필터의 성능이 크게 좌우됩니다.
SAW 필터의 기타 정보
1. SAW 필터의 시장
최근 스마트폰에서는 계속 증가하는 통신 전송 용량에 대응하기 위해 변조 대역폭을 확대하기 위한 다양한 방식도 있지만, CA(Carrier Aggregation)나 MIMO라고 불리는 다중 대역화 대응이 점점 더 두드러지게 나타나고 있습니다. 그 중에서도 4G(LTE)나 5G로 대표되는 FDD 변조 방식은 시분할 다중화인 TDD 방식과 달리 송신과 수신을 동시에 수행합니다.
따라서 Tx(송신) Rx(수신) 주파수 구분에 필수적인 필터는 그 탑재량이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 하이엔드 기종의 경우, 그 단말기는 글로벌하게 세계 각지에서 사용 가능해야 하기 때문에 모듈화를 통한 소형화 요구가 두드러집니다.
하나의 통신 모듈에 여러 대역 대응 필터가 탑재되고, 그 통신 모듈이 주파수 카테고리별로 여러 개가 탑재되면서 SAW 필터의 시장(시장)은 계속 확대되고 있습니다. 로우엔드 모델에서는 모듈화가 아닌 디스크리트 제품을 단말기에 탑재하는 경우도 많지만, 여기에서도 주파수 확대의 물결은 계속되고 있으며, 수량, 매출 규모 모두 증가 추세입니다.
SAW 필터는 취급하는 업체도 매우 많으며, 일본계 전자부품 업체들이 그 존재감을 드러내고 있습니다.
2. BAW 필터와의 차이점
SAW 필터는 압전체 기판 위의 탄성 표면파를 활용하는 필터 소자이지만, BAW 필터는 이와는 다른 원리를 가지고 있으며, BAW 필터에는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)형과 SMR(Solid Mounted Resonator)형이 있습니다.
FBAR은 공진기 하단에 공동(캐비티)을 만들어 압전막을 자유롭게 진동시키는 구조입니다. 또 다른 SMR은 음향 다층막을 공진기 아래에 설치하여 탄성파를 반사시키는 구성을 취하고 있습니다.
SAW 필터는 비용면에서 매우 우수하여 600MHz 대역부터 2GHz 부근의 주로 Low Band라고 불리는 주파수 대역에서 널리 사용되는 필터입니다. 반면 BAW 필터는 공정이 복잡하고 비용도 높은 편이지만, SAW 필터에 비해 높은 Q와 가파른 필터 특성을 얻기 쉽다는 장점을 가지고 있으며, 일부 1,800MHz 대역의 미국향 Band와 2GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 주로 사용되고 있습니다.
또한, SAW 필터에는 온도 특성을 제어 보상하는 TC-SAW 필터라는 필터가 있으며, 저비용과 더불어 온도 제어를 통한 주파수 관리가 필요한 애플리케이션에 사용되고 있습니다.
3. SAW 필터와 5G
5G 시장에서는 UHB(Ultra High Band)나 Sub6GHz와 같은 3~6GHz 대역의 대응이 많은데, 이 시장에서는 WiFi와의 공존 및 높은 주파수에서의 손실 증가에 대한 보상을 위해 보다 가파른 높은 Q값의 필터 특성이 요구되기 때문에 BAW 필터의 존재감이 큽니다. 특히 미국 업체(Broadcom, Qorvo)가 BAW 필터의 점유율을 차지하고 있는 상황입니다.