전투기·이지스함 AESA레이더 핵심기술 질화갈륨 전력소자 국산화

ETRI 고출력·고효율 차세대 전력소자 독자 개발
KF-21·이지스함 AESA 레이더·고주파 통신·전기차 전력시스템 적용 가능

국내 독자 기술로 개발된 한국형전투기사업(KFX)의 핵심 장비인 AESA(능동전자주사배열·Active Electronically Scanned Array) 레이더. (방위사업청 제공) 2020.8.7/뉴스1

국산 초음속 전투기 KF-21 ‘보라매’와 해군 이지스함에 장착하는 능동전자위상배열(AESA·에이사) 레이더와 전기차에 들어가는 차세대 전력 반도체 소자가 국내 기술로 개발됐다. 국내 반도체 산업 경쟁력은 물론 자주국방에 필요한 기술 자립과 방위력 개선에 도움이 될 것으로 기대를 모은다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 세계적 수준의 300와트(W)급 S대역 질화갈륨(GaN) 전력 소자 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

S대역은 2~4GHz 주파수 대역으로, 군 레이더나 5세대(5G)이동통신, 무선랜, 블루투스 통신에서 쓰는 주파수대다. 질화갈륨은 반도체 소자로 쓰이는 실리콘(Si)보다 항복전압이 3배 이상 높아 고전압에서 잘 작동하는 특성이 있다. 전기 신호를 껐다켰다하는 스위칭 속도가 실리콘이나 탄화규소보다 빠르고 소자 작동에 필요한 에너지 저장공간이 별도로 필요하지 않아 고전압 전력 반도체의 차세대 주자로 꼽힌다.

갈륨비소(GaAs) 소자보다 전력밀도가 7배 이상 높고 전력효율이 높아 통신시스템 효율 개선과 소형화에 더 적합하다. 전력밀도란 단위면적당 출력 세기를 뜻하는 단어로 전력밀도가 높다는 것은 소형 반도체에서 높은 출력을 낸다는 의미다. 질화갈륨 소자는 이런 이유로 고출력을 내야 하는 군 레이더와 고주파 통신, 전기차용 전력시스템에 적용하는 방안이 고려되고 있다.

특히 최근 시험 비행에 성공한 KF-21에 들어가는 AESA 레이더는 미국과 러시아, 일본, 이스라엘 등 군사 기술 강국만 기술을 보유하고 있는데 이 레이더 집적회로(MMIC)에도 적용할 수 있어 국산 전투기의 원활한 수출에도 기여할 것으로 기대를 모은다.

현재 질화갈륨 전력 소자 부문은 미국과 유럽 등 일부 국가가 주도하고 있다. 군사적 활용성이 높은 기술이다 보니 대다수 국가에겐 소자의 구매와 활용에 제한이 많았다.

한국전자통신연구원(ETRI)는 군 레이더와 전기차 전력소자로 사용하는 S대역 300와트급 질화갈륨 전력소자를 국산화하는데 성공했다고 밝혔다./ETRI

연구진은 고출력과 고효율을 동시에 만족하게 하는 질화갈륨 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 구조를 설계하고 이를 바탕으로 전력 소자를 개발했다. HEMT란 서로 다른 두 반도체가 만나는 접합 계면에서 전자 이동도가 높아지는 현상을 활용해 특성을 향상한 트랜지스터를 의미한다.

연구진은 이를 활용해 출력전력 300W, 전력밀도는 1mm에 10W 이상인 반도체 소자를 개발하고 성능을 검증했다. 미국 반도체 회사 울프스피드사가 개발한 1mm당 8.4W 수준의 상용 질화갈륨 반도체 소자 성능을 훌쩍 뛰어넘는 성능을 보인다. 전력밀도는 지정된 공간에서 처리할 수 있는 전력을 측정한 값으로 전력 소자 소형화에 따른 성능을 가늠하는 기준처럼 사용된다.

강동민 ETRI RF/전력부품연구실장은 “설계부터 공정과 측정, 패키징까지 모두 순수 국내기술로 개발했다는 점에서 그 의미가 매우 크다”며 “국내 기술력으로 세계적인 수준의 질화갈륨 전력 소자 기술 개발을 이뤄냄으로써 반도체 소재의 해외 의존도를 낮추고 기술격차를 줄일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

질화갈륨 전력 소자 시장 전망은 밝다. 시장조사기관 욜 디벨롭먼트에 따르면 질화갈륨 절력소자 시장 규모는 지난해 1억2000만 달러인데 향후 연평균 59%씩 성장하면 2027년에는 관련 시장 규모가 20억 달러에 달할 것으로 예측된다.

연구진은 향후 질화갈륨 반도체 소자의 출력을 강화하는 한편 5G 이동통신의 28GHz 대역 주파수에서 작동하는 소자 개발에도 나선다는 계획이다. 또 국방 레이더·통신, 6G 차세대 이동통신 등 반도체 핵심부품의 국산화, 일본의 주요 수출규제 품목 중 하나인 질화갈륨 기반 집적회로 개발 연구에도 참여할 예정이다.

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