최신 PCB 기술 동향
광인쇄회로기판이란 기존의 PCB가 전기신호를 전달하는 방식에 기반을 두는데 비해, 광신호를 통해 정보를 주고받는 신개념의 광학식 PCB를 의미한다. 최근에 컴퓨터 프로세서의 속도가 수 기가헤르츠급으로 발전함에 따라 기존의 전기회로에 기반한 PCB로는 이러한 고속 신호를 보낼 때 발열과 전기적 신호 손실이 커지게 되었으며, 이 문제에 대한 대안으로 광신호를 보낼 수 있는, 광도파로로 구성된 O-PCB 기술이 등장하게 되었다. O-PCB는 차세대 휴대전화, 고해상도 디스플레이 등 휴대용 소형 전자제품을 중심으로 컴퓨터, 유비퀴터스 통신, 항공, 자동차, 선박, 의료, 환경, 광가입자망 등 많은 다양한 응용이 예상된다.
글 : 김경헌, 오범환, 이승걸, 이일항 교수, 이현식 전임연구원 / 집적형 광자기술 연구센터
인하대학교 / www.inha.ac.kr
서론
20세기 전자시대를 가능하게 해 주었던 가장 중요한 두 가지 핵심 기술은 1940년대 후반에 발명된 전기인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)과 반도체 집적회로이다. 전력과 전기신호를 실어 나를 동선이 온 세상을 뒤덮기 시작할 때에, 전기·전자 기기에 들어갈 구리동선은 기판위에 고밀도로 정렬화하고 집적화시킨 PCB를 사용하였고, 반도체는 칩 위에 고밀도로 미세화 및 집적화된 회로를 구성하면서 마이크로프로세서와 반도체 칩을 가능하게 했다.
그러나 21세기 정보화 과정은 모든 전기·전자의 한계를 뛰어 넘어야 할 필연적인 단계에 다다르고 있어 온 세계는 그 방법을 기다리게 되었다. 광섬유 네트워크가 우리 집 앞까지는 와 있지만, 아직도 그 외의 영역은 구리동선이 지배하고 있기 때문이다. 이제 이 마이크로·나노 영역으로 광자회로가 침투하여 병목현상을 해결하지 않으면, 21세기 정보화 사회는 많은 어려움을 겪을 것으로 예상되고 있다. 21세기에는 광자선로가 전자선로를 대체해 들어감으로써, 건물, 자동차, 비행체, 선박, 의료, 국방, 항공, 우주, 컴퓨터, 반도체 칩 등 구석구석에 이르기까지 한 차원 높은 '광자시대'를 필요로 하고 있는 상황이다.
광인쇄회로기판(O-PCB; Optical Printed Circuit Board)이란 기존의 PCB가 전기신호를 전달하는 방식에 기반을 두는데 비해, 광신호를 통해 정보를 주고받는 신개념의 광학식 PCB를 의미한다. 최근에 컴퓨터 프로세서의 속도가 수 기가(GHz)급으로 발전함에 따라 기존의 전기회로에 기반한 PCB로는 이러한 고속 신호를 보낼 때 발열과 전기적 신호 손실이 커지게 되었으며, 이 문제에 대한 대안으로 광신호를 보낼 수 있는, 광도파로로 구성된 O-PCB 기술이 등장하게 되었다. 광신호를 사용하므로 회선당 데이터 전달 속도는 기존 전기적인 동선에서보다 이론적으로 수천 배 이상 가능하며 더 멀리 보낼 수 있는 장점을 가지고 있다. 아울러 구리선 전송로에 비해서 광도파 방식의 광 PCB가 가볍고 콤팩트하며, 열 방출이 적다는 등의 많은 장점을 가지고 있어, 각종 광 부품의 저전력 소모 및 저가격화를 위한 노력이 진행 중에 있다.
또한 전기배선은 고밀도 전자부품 실장으로 인한 각 부품간의 전자기파장해문제를 가지고 있으나, 광배선은 빛이 가지는 물리적인 특성으로 인해 전자기파 장해를 받지 않는다. 따라서 보다 고성능화, 안정화, 소형화된 혁신적 개념의 고기능, 다기능 차세대 광-PCB로의 발전 가능성이 부각되고 있다. 차세대 휴대전화, 고해상도 디스플레이 등 휴대용 소형 전자제품을 중심으로 컴퓨터, 유비퀴터스 통신, 항공, 자동차, 선박, 의료, 환경, 광가입자망(FTTH; Fiber-to-the-Home) 등 많은 다양한 응용이 예상된다.
O-PCB 개발 현황
국외 개발 현황
국외 O-PCB 개발은 북미권에서는 텍사스공대, 맥길, 하니웰, 옵티컬 크로스링크(듀폰 포토닉스) 등 연구기관을 중심으로 활발히 연구가 되고 있으며, 유럽에서는 지멘스(C-lab), 프라운호퍼 IZM, 다임러 크라이슬러, 헤리엇 와트대학을 중심으로 연구가 진행되어 왔다. 아시아권의 일본은 NTT, 후지-제록스, NEC, ASET 등을 중심으로 연구를 진행하고 있다. 이들 연구는 주로 광도파로 삽입형(optical waveguide embedded) 구조의 O-PCB를 연구하였으며 성형성이 좋은 고분자 소재를 광 리소그래피(photolithography), 열 또는 자외선 엠보싱 기법 등 공정으로 다중모드 광도파로를 제작했다. 대부분 광원과 광출기로는 확장성이 우수한 1차원 또는 2차원 배열 수직발광레이저(VCSEL)와 수직입사광검출기(PD)가 사용되었는데, 소자 하나의 속도는 최대 20Gbps까지 보고되고 있다. 고분자 소재로는 열안정성이 우수한 아크릴레이트 계열의 소재와 열성형성이 우수한 PMMA계열이 많이 응용되었는데, 최근에는 유기-무기 하이브리드 소재들이 연구되고 있다. 광원/광검출기와 광도파로 간의 광결합은 저손실 자동정렬을 지향하고 있으며 현재 수직 광결합, 수평 광결합, 소켓식 광결합 등이 연구되고 있다.
최근 들어 광배선 및 O-PCB 기술의 개발에 대해서도 컴퓨터에서 기존의 전기신호 통신방식에 의한 CPU와 주변기기 간 통신 병목현상을 극복하기 위해, CPU의 주 제작사이며 세계적으로 선도적인 반도체 기업인 인텔 및 IBM이 주도하고 있다. IBM사는 주로 대용량 슈퍼컴퓨터에 응용되는 보드 상에서 다수의 CPU들 간의 신호 전송을 O-PCB로 연결하는 방법을 시도하고 있다. 이에 더 나아가 인텔사는 실리콘 기판 상에 CMOS 집적회로와 광집적회로를 동시에 구현하여 CPU와 주변기기 간 전기신호 통신을 광신호 통신으로 대체하는 실리콘 광자기술(포토닉스) 개발을 선도하고 있다.
인텔은 실리콘 광 I/O기술을 미래 자사의 모든 IC칩에 적용할 목표로 초고속 인터커넥션 칩용 실리콘 포토닉스 연구를 진행 중인데 가장 앞서 있으며, IBM, NEC, SUN 등에서도 전자기기 내에서 부품, 칩들 간의 데이터 통신을 광통신으로 하는 연구를 수행하고 있다. 실리콘 포토닉스 기술에 의한 컴퓨터에서의 온칩 광 I/O는 5~10년 내에 보드내의 칩-투-칩 광 연결 시장에 진입될 것으로 예상된다.
국내 개발 현황
O-PCB에 대한 연구도 ICU, ETRI, 부산대학교, 전자부품연구원, KAIST, 삼성전기, LG전자, 한국광기술원, 두산전자, 인터플렉스 등에서 광배선 기술과 광도파로기판, 패키징 기술, 광소자 기술들에 대한 연구가 추진되어 오고 있다. 국내 연구는 크게 경성과 연성 O-PCB 연구로 나눌 수 있다. 경성 O-PCB 연구의 경우 ICU, ETRI가 광섬유 삽입형 O-PCB와 소켓식 광연결 구조를 연구하였으며 이를 대용량 광교환기의 응용을 위한 연구를 진행하였다. 삼성전기와 ETRI는 광도파로 삽입형 O-PCB를 구현하였다. 연성 O-PCB 연구의 경우 두산전자, SKC, 인하대학교가 공동으로 연구하여 롤 공정으로 연성 광도파로를 제작하였다. 이를 응용하여 연성 O-PCB를 구현하고 대형 디스플레이에서의 광연결을 시연하였다. 한국광기술원에서도 (주)인터플렉스사와 연성 O-PCB 개발을 진행하고 있다. O-PCB의 구성요소는 앞서 살펴본 국외 연구의 경우와 유사하며 다중모드 광섬유 또는 광도파로, 다중모드 VCSEL과 PD를 주로 사용하였다.
특히 인하대학교 집적형 광자기술 연구센터(이하 OPERA)에서는 O-PCB의 구현에 필요한 요소기술들인 소재, 설계, 광배선 제조공정, 광원/광검출기 및 구동회로, 그리고 패키징과 모듈화 기술 등 공통·공용 기술에 관한 기초적이며 원천적인 연구가 진행되고 있으며 더 나아가 마이크로·나노 광집적회로를 구현하는 VLSI 광자기술을 개척적으로 연구하고 있다. 이를 통해 O-PCB 설계 방법론을 과학적, 공학적으로 연구하여 관련 지식과 기술이 세계적으로 전파 확대에 주력되고 있으며 독보적인 위상이 구축되고 있다.
또한 OPERA에서는 차세대 광 배선에 필요한 핵심 요소 기술의 개발과 관련 응용 기술 개발이 이루어지고 있다. 주요 연구로는 광배선용 기판에서의 손실을 최소화할 수 있는 광도파로 커플링 구조에 대한 연구와 더불어 고집적형 광자결정 광도파로 소자, 마이크로 링형 광필터, 광도파로 소자 제작 및 식각, 광 도파로 소자 측정, 광소자 구동용 집적회로, 광도파로용 폴리머 광 소재, 광도파로 응용 기술, 실리콘 포토닉스 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. OPERA는 컴퓨터 보드 내의 CPU와 메모리 칩 간의 광연결을 시연하였다.
O-PCB 표준화 활동
O-PCB의 표준화 논의는 해당 당사국의 인쇄회로기판협회를 중심으로 활발히 논의되고 있다. 미국은 NEMI(National Electrics Manufacturing Initiative)가 주도하여 O-PCB 시험기준, 광접속방식 등 표준안을 추진하고 있다. 일본에서는 JPCA(Japanese Electronics Packaging and Circuits Association)이 주도하여 O-PCB 모듈화와 관련한 광섬유 커넥터 관련 표준안을 추진하고 있다. 국내에서도 인하대, ICU, 광기술원, 두산전자, 기판협회 등을 중심으로 O-PCB 표준화에 대한 논의가 일부 추진되었다.
2008년에는 일본이 주도하여 IEC(International Electro technical Commission)에 O-PCB 표준안이 상정되어 향후 성능시험기준, 광접속방식 등 O-PCB 표준화에 대해 논의가 진행되고 있다.
O-PCB 산업 전망 및 시장 동향
차세대 PCB 기술로서의 산업 전망
아울러 본 연구를 통해 개발되는 칩간 및 보드간 광배선 및 광 연결용 O-PCB 기술은 증가하고 있는 기존 전자식 PCB 시장의 후속 기술로 다양한 응용 분야에서 중요한 비중을 차지해 갈 것으로 전망하고 또한 관련 산업의 중요성이 커져 갈 것으로 기대된다. 2005년을 기준으로 세계 PCB시장은 년 50조원에 이르고, 2007년 국내 생산량은 5조원을 상회하면서 연평균 7% 성장을 하고 있다. 향후 차세대 PCB 기술로 O-PCB 시장의 비중이 커져갈 것으로 전망된다. O-PCB 적용 분야로는 소형 경량의 고속 전송용으로 플렉시블 O-PCB는 이동통신기기 및 디스플레이, 자동차 내 정보망(Media Orientated Systems Transport; MOST), 선박, LAN 등이 기대되고, 대용량 정보전송용으로는 대용량 병렬 컴퓨터, 광교환기/라우터, 대용량 서버 및 저장 장치 등이 유망하다. 휴대폰 및 고화질 디스플레이 시장이 가파르게 증가하고 있고, 자동차 내의 멀티미디어 정보 처리 및 전송 시스템의 도입이 증가되고 있어 플렉시블 O-PCB의 수요가 증가될 전망이므로, 이에 따른 시장 파급 효과가 증대하리라고 기대된다. 아울러 PCB 산업이 국내 5대 전자부품 수출품목으로 세계 5위 수준으로 세계 시장 점유율이 높은 산업임을 감안할 때, 차세대 PCB 기술로서 O-PCB 기술의 조기 확보로 국제 경쟁력 확보에 기여할 것으로 전망한다.
차세대 에너지 절감형 IT 기술로서의 산업적 전망
최근에 들어와 IPTV, HDTV 등의 실용화가 급진적으로 진행이 되고 있어 향후 네트워크 트래픽은 기하급수적으로 늘어날 것으로 전망된다. 2011년 이후에는 IPTV 및 HDTV의 보급화가 이루어지면서 가입자망에서의 네트워크 트래픽이 수십만 petabyte로 증가될 것으로 예측하고 있다. 이러한 대용량 데이터 트래픽을 처리하기 위해서는 대용량 라우터나 교환기가 필요하게 되는데, 현재의 기술 수준에서는 대용량 라우터들이 소모하는 전력량도 막대해 향후 IT 기술에서의 에너지 소모도 커다란 문제점으로 대두되고 있다. 세계적으로 가장 앞선 대용량 라우터인 미국 시스코사의 CRS-1 코어 라우터의 경우 최대 처리 용량이 92Tb/s이며, 이에 필요한 전력 소모량이 약 1.2MW이다. 이 코어 라우터에서는 핵심 신호처리 부분은 기존의 전자식 방식을 이용하고 있으나, 향후 이를 대용량 광학적 신호처리 방식으로 바꿔 전력 소모량을 줄여야 하는 것이 현재의 기술적인 과제이다.
앞으로 대두될 대용량 데이터 트래픽 처리를 위한 초대용량 라우터에도 기존의 전자식 방식을 도입하면 100Peta bit/s 급 라우터는 1개 이상의 핵발전소에 해당하는 전력 소모가 있으므로 향후 녹색 에너지 시대를 열어가기 위해 에너지 절감형 그린 IT 기술로서 광자집적회로 및 광배선 기술의 산업적 중요성이 부각되고 있다.
국내 동향
국내 O-PCB 관련 기술은 아직 기초 기술 수준에 있으나, 전기 PCB 업계의 꾸준한 성장세와 맞물려 근래에 들어와 일부 기업체를 중심으로 한 산학연 공동 연구로 디스플레이용 O-PCB, 선박용, 자동차용(MOST) 부품 및 시스템 등에 대한 기술 개발이 이뤄지고 있다. O-PCB 기술에 대해서 전기 PCB 생산업체들인 대덕전자, 삼성전기 등 국내 유수의 PCB 업체들을 중심으로 관심이 점점 커져가고 있는 상황이다. 부산IT부품연구소를 중심으로 선박, 자동차용 센서 및 통신 광부품 개발이 진행되고 있는데 O-PCB의 활용이 예상된다. 칩 내 및 칩 간 고속 광배선용 실리콘 포토닉스 기술은 향후 국내 주력 산업의 하나인 실리콘 전자 산업의 차세대 기술로서 미래 국내 산업의 국제적 선도를 지속시켜 줄 수 있는 기술로서 그 비중이 커질 것으로 전망한다.
국내 삼성전기가 세계 PCB 사장에서 5위권에 들고 있으며 특히 고성능 PCB 기술에서의 국제 경쟁력이 강한 편이다. 그 외에도 LG전자, 대덕전자, 인터플렉스, 영풍전자, 에스아이플렉스, 심텍, 두산전자 등의 여러 회사들이 있으며, 국내 PCB산업은 전 세계 생산량의 30%를 차지하는 휴대폰 분야 등 국내의 풍부한 수요처를 바탕으로 그동안 급격한 성장을 이루어 왔으며, 향후에도 세계 선도적 위치에 있는 반도체 메모리 분야와 디스플레이 분야에서의 꾸준한 수요로 인해 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상된다.
O-PCB의 파급 및 발전 방향
O-PCB의 발전방향은 초기인 1세대에서는 광섬유를 사용하여 보드와 보드간의 광연결을 구현하는 시스템이며 2세대는 광섬유를 고분자 필름에 접착하여 보드간 또는 소자간의 광연결을 구현하는 시스템으로 구분된다. 현재 진행되고 있는 제 3세대 O-PCB는 광섬유 또는 광도파로를 내장하여 PCB기판 내에 전기신호와 광신호가 혼재하는 시스템을 의미한다. 이런 광도파로를 비롯한 광회로가 내장된 O-PCB는 전 단계의 O-PCB에 비해 실장 밀도가 높고 각종 광소자를 집적하는 등 확장성이 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 엠보싱 기법 등 대량생산 공정이 제안되어 그 생산성을 높이고 제조비용을 크게 낮추는 등 산업화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 O-PCB의 산업화를 위해 현 단계의 O-PCB는 몇 가지 해결해야 할 문제점을 내포하고 있다. 하나는 저손실, 저가격 O-PCB 패키징/모듈화 기술이다. O-PCB내의 광원인 VCSEL과 수광소자인 PD 간의 광신호 연결은 현재 대부분 능동 패키징 기술로 이루어지고 있는데, 이 방법은 광신호 연결 손실을 최소화하기 위함이지만 이로 인해 상당히 높은 제조비용이 예상된다. 따라서 O-PCB 제작용 수동 패키징 기술 등 저가 공정이 절실히 요구되어진다. 또 하나의 문제점은 O-PCB용 소재 개발이다. 일반적으로 광도파로 소재는 저손실, 저복굴절, 광학적 특성, 내화학성, 고가공성, 내열성 등 다양한 요구 조건을 만족해야 하며, 여기에 연성 O-PCB 구현을 위해서는 연성, 인장강도, 굴곡 특성도 함께 만족시켜야만 한다. 현재까지 개발된 광도파로 소재는 이들 모든 조건을 만족하지 못하고 있어, O-PCB의 산업화를 위한 우수한 특성의 신소재 개발이 시급하다. 아울러 O-PCB의 범용화를 위해서는 기존의 광원인 VCSEL과 수광소자인 PD의 구동에 따르는 전력 소모를 줄이는 기술과 더불어 관련 부품의 저가격화 기술도 아직 좀 더 발전이 필요한 부분이기도 하다.
이제 제 4세대의 O-PCB는 고밀도 고기능성 마이크로/나노 전자회로와 광자회로가 탑재된 O-PCB가 될 것으로 전망된다. 이를 구현하는 방법으로는 병렬접속 방식의 O-PCB를 유지하며 전-광 집적회로를 개발하는 방안이 있을 수 있다. 미국의 Luxtera사에서는 COMS 전자회로와 기존의 화합물 반도체에 의한 광소자를 혼합 집적화하는 기술을 개발해 오고 있으며, 인텔, 코넬대, 캘리포니아공과대학에서는 실리콘 기반의 집적형 광변조기, 수광소자, 광도파로 등에 대한 연구를 추진해 오고 있다. 궁극적으로는 이러한 실리콘 광자기술 도입으로 전자회로와 광자회로가 단일 실리콘 기판에 집적화되면서, 광소자 부분은 고속 광신호들의 병렬 광접속에 활용될 것으로 전망된다. 광자회로의 단일 칩 직접화와 고속 대용량 광신호 전송을 위해 광신호의 다양한 파장 특성을 이용한 파중 다중화 광전송 방식이 활용될 것으로 전망이 되고, 이에 따르는 다양한 기능성 나노 광소자들의 발전이 기대된다. 근래에 들어와 나노 광자기술(나노 포토닉스)과 실리콘 포토닉스 기술의 발전이 두드러지고 있어, 향후 O-PCB의 기술 발전은 기존의 전기적인 PCB 보드를 대체하는 O-PCB 기술로의 발전과 더불어 궁극적으로는 전기 및 광자 회로가 단일 칩으로 집적화된 집적소자 기술로의 발전이 이루어지리라 전망된다. 또한 규격화/모듈화된 집적형 보드 및 VLSI 광자기술은 차세대 정보기술의 핵심 기반 기술이 되며, 응용과 활용 분야는 컴퓨터, 정보통신, 운송, 항공, 의료, 가전 등에 이르기까지 21세기 산업 전반에 광범위하게 적용될 것으로 전망된다.
결론
광인쇄회로기판은 현재 전기 PCB가 내포하고 있는 신호 전송 속도의 한계와 고속 신호 전송에서 문제가 되는 임피던스 매칭, 전자기파 장애 등을 해결해 줄 수 있는 대안으로 부각되고 있다.
현재 O-PCB 개발의 요소기술인 소재, 설계, 광배선 제조공정, 광원 및 광검출기와 구동회로, 그리고 패키징 및 모듈화 기술 등이 활발히 연구되고 있으나 아직 본격적인 상용화 단계에 진입하지는 못하고 있다. 제조비용 절감을 위해 수동 패키징 기술과 광소자의 저전력 소모 기술 및 저가격화 기술, 저손실 및 고신뢰성, 고성능의 신소재 등에서의 추가적인 기술적 발전이 기대되고 있다. 정보화 시대의 발전에 따라 기하급수적으로 늘어나는 정보량을 처리하기 위한 대용량 정보처리시스템의 필요성이 높아짐에 따라, 향후 O-PCB와 광자집적회로 기술 분야의 필요성이 점점 커져갈 것으로 전망된다. 따라서 국내에서도 이 분야의 선도적인 연구개발과 산업화 노력이 진행된다면 우리나라 차세대 PCB 산업이 세계 시장에서 경쟁력을 확보해 나아갈 수 있으리라 기대된다.
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