전투기·이지스함 AESA레이더용 질화갈륨 전력소자 국산화
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전투기·이지스함 AESA레이더용 질화갈륨 전력소자 국산화
  • 박태정 기자
  • 승인 2022.09.21 17:39
  • 댓글 0
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ETRI 고출력·고효율 차세대 전력소자 독자 개발...美·日만 보유
KF-21·이지스함 AESA 레이더·고주파 통신·전기차 전력시스템 적용 가능

국산 초음속 전투기 KF-21 '보라매'와 해군 이지스함에 장착하는 능동전자위상배열(AESA) 레이더와 전기차에 들어가는 차세대 질화갈륨(GaN) 전력 반도체 소자가 국내 기술로 개발됐다. 국내 반도체 산업 경쟁력은 물론 방산 기술 자립과 방위력 개선에 도움이 될 것으로 보인다.

현재 GaN 전력반도체 소자는 울프스피드, 웨이비스(WAVICE),윈세미(WINsemi),UMS파운드리 등이 파운드리 서비스를 제공하고 있다. 

ETRI가 개발한 질화갈륨(GaN) 전력소자. 사진=ETRI
ETRI가 개발한 질화갈륨(GaN) 전력소자. 사진=ETRI

한국전자통신연구원(ETRI)은 세계적인 수준의 'S-대역 300와트(W) 급 질화갈륨(GaN) 전력 소자 기술'을 개발했다고 21일 밝혔다.

S대역은 2~4기가헤르츠(GHz) 주파수 대역으로, 군 레이더나 5세대(5G)이동통신, 무선랜, 블루투스 통신에서 쓰는 주파수대다. 

ETRI에 따르면, GaN은 반도체 소자로 쓰이는 실리콘(Si)에 비해 3배 이상 높은 항복전압으로 고전압 동작에 유리하며, 전기신호를 켰다 껐다하는 스위칭 속도가 매우 빨라 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않기 때문에 고전압 전력 반도체에 적합하다.

갈륨비소(GaAs)에 비해 7배 이상의 높은 전력밀도와 전력효율을 얻을 수 있어 통신시스템 효율 개선과 소형화에 적합하다.전력밀도란 단위면적당 출력 세기를 뜻하는 것으로 전력밀도가 높으면 소형 반도체에서 높은 출력을 낸다는 것을 의미한다. 이 때문에 고출력을 내는 군용 레이더, 고주파용 통신시스템이나 전기자동차용 전력 시스템 등에 적용이 가능하다. 산업과 군사 활용도가 높은 차세대 반도체 소자로 주목받고 있다.

국방과학연구소가 독자 개발한 AESA레이더.ETRI가 개발한 질화갈륨(GaN) 전력소자를 적용할 수 있다.  사진=방위사업청
국방과학연구소가 독자 개발한 AESA레이더.ETRI가 개발한 질화갈륨(GaN) 전력소자를 적용할 수 있다.  사진=방위사업청

이번 개발한 기술은 미국과 일본만 개발해 보유한 군용 전투기 핵심기술인 AESA(에이사) 레이더용 질화갈륨 집적회로(MMIC)에도 적용할 수 있다. 최근 시험 비행에 성공한 KF-21에 들어가는 AESA 레이더는 미국과 러시아, 일본, 이스라엘 등 군사 기술 강국만 기술을 보유하고 있는데 독자 개발했다. GaN 소자는 이 레이더 집적회로(MMIC)에도 적용할 수 있어 국산 전투기의 수출에도 기여할 것으로 기대를 모은다.

이 가능해 국방 분야 국산화와 경쟁력 강화에도 크게 기여할 것으로 전망하고 있다. 

미국과 유럽 등 나라가 질화갈륨 전력소자 부문 기술 개발을 선도하면서 소자의 구매와 활용, 처리 등에 제한을 가했다. 

ETRI는 고출력과 고효율을 동시에 만족시키는 GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 구조를 설계해 세계 수준의 질화갈륨 전력 소자 기술을 개블했다. 연구진은 개발된 전력 소자 칩을 패키징해 출력전력 300W, 전력밀도 mm 당 10W 이상의 질화갈륨 반도체 소자 성능을 검증했다. 기존 출력전력 250W, 전력밀도 1mm에 약 8.4W 수준의 상용 질화갈륨 반도체 소자 성능을 뛰어넘는 세계적인 수준이다. 

ETRI는 "설계부터 공정과 측정, 패키징까지 모두 순수 국내기술로 개발했다는 점에서 그 의미가 매우 크다"고 밝혔다. 

ETRI 강동민 RF/전력부품연구실장은“국내 기술력으로 세계 수준의 고출력 질화갈륨 반도체 전력소자 기술을 확보하는 데 성공하여 매우 뜻깊게 생각한다. 이 기술이 반도체 핵심부품 국산화에 기여하여 반도체 산업 경쟁력을 높이고 반도체 소재의 해외 의존도를 줄이는 데 도움이 되길 바란다”고 말했다. 

질화갈륨 전력소자 시장 전망은 밝다.시장조사기관 욜 디벨롭먼트에 따르면, 지난해 1억 2000만 달러 시장에서 연평균 59%씩 성장해 2027년에는 관련 시장 규모가 20억 달러에 이를 것으로 것으로 예측하고 있다. 

연구진은 향후 질화갈륨 반도체 소자의 출력을 강화하는 한편, 5G 28GHz 대역의 주파수로 확장하기 위한 후속 연구를 추진할 계획이다. 또 국방 레이더·통신, 6G 차세대 이동통신 등 반도체 핵심부품의 국산화 및 일본의 주요 수출규제 품목 중 하나인 질화갈륨 기반 집적회로 개발 연구도 심화할 예정이다.

박태정 기자 ttchung@hanmail.net


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