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  • 기사등록 2019-12-05 14:35:50
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▲ 한국전자통신연구원(ETRI)이‘S-대역 200와트(W)급 질화갈륨(GaN) 전력소자’기술을 개발했다. ETRI 연구진이 개발한 질화갈륨 전력소자 칩을 광학현미경을 통해 확인하고 있다.



[기계신문] 한국전자통신연구원(ETRI)이 군사용 레이더 및 이동통신 기지국에 주로 쓰이는 고출력 전력소자를 국산화할 수 있는 ‘S-대역 200W급 질화갈륨(GaN) 전력소자’ 기술을 개발했다. 이는 소자 설계부터 공정은 물론, 측정 및 패키징까지 모두 국내 기술력으로 이룬 성과다.


S-대역이란 4GHz 주파수 대역을 의미한다. 해당 주파수는 주로 레이더 장비와 같은 곳에 많이 사용하며 민간에서는 5G 이동통신, 와이파이(WiFi), 블루투스 통신 등에 활용된다.



▲ S-대역 200W급 GaN 전력소자 기술 활용 분야 예시 : (왼쪽부터) 5G 기지국용 전력증폭기, S-대역 레이더



레이더 장비는 장거리 표적을 탐지하는 핵심 기술로 정밀한 탐지 및 추적 성능을 위해 높은 출력이 필요하다. 기존 장비 전력을 제어하는 부품으로 진공관이 주로 사용되어 왔으나, 수명이 짧고 발전기 등 큰 부속 장비가 필요해 구축 비용이 만만치 않았다.


실리콘, 탄화규소 등 다른 물질 활용시 전력 소자는 충분한 출력을 내기 어려웠다. 이로 인해 고출력, 고전압, 고효율 특성을 지니는 질화갈륨(GaN) 전력소자가 차세대 반도체 핵심재료로 최근 많은 각광을 받고 있다. 질화갈륨(GaN)은 갈륨비소(GaAs)에 비해 10배 이상 높은 농도로 높은 전력밀도를 얻을 수 있어 고출력 전력증폭기 소자로 적합하다.



▲ S-대역 200W급 GaN 전력소자 웨이퍼(좌) 및 패키징된 S-대역 200W급 GaN 전력소자(우)


▲ S-대역 200W급 GaN 전력소자 칩



하지만 관련 기술력과 가격 경쟁력을 갖춘 곳이 얼마 없어 군수, 방산, 민간업계에서는 그간 전량 외산 장비를 수입해 사용해왔다. 특히, 최근에는 일본이 전력반도체 및 집적회로 등에 대해 수출규제로 대응이 꼭 필요한 상황이었다.


ETRI는 지난 4년 간의 노력 끝에 세계 최고 반도체 회사와 대등한 성능을 나타내는 S-대역 200와트 전력소자 칩을 개발했다. 연구팀은 한 개 0.78×26 ㎜ 크기의 전력소자 칩을 패키징하여 성능을 검증했다.


이번 기술은 150W급 이상 높은 시스템 출력을 필요로 하는 레이더 개발에 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 이는 군용 고출력 레이더뿐 아니라 민간 선박, 위성 통신 레이더에 응용이 가능하기 때문이다.



▲ 한국전자통신연구원(ETRI)이‘S-대역 200와트(W)급 질화갈륨(GaN) 전력소자’기술을 개발했다. ETRI 연구진이 질화갈륨 전력소자 칩의 제작공정 중 반도체 웨이퍼를 들고 있다.



이밖에도 고출력 전력소자는 차세대 이동통신 기지국 및 중계기, 선박용 및 차량용 레이더, 위성통신 등 활용범위도 넓다. 시장조사 전문기관에 따르면, 질화갈륨 전력소자 전체 시장은 내년 약 630억 달러로 예측되어 관련 산업 전망도 밝다.


연구팀은 25년 이상 화합물반도체를 연구해온 인적·물적 노하우와 반도체 개발 전력소자를 설계하고 제작할 수 있는 ETRI 장비 및 시설이 바탕되어 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다.


ETRI 강동민 RF/전력부품연구실장은 “국내 우수 설비와 연구진의 힘으로 고출력 질화갈륨 전력소자 기술을 확보했다”며 “이번 개발 기술이 반도체 핵심 부품 국산화 및 외산 장비 잠식을 막는데 도움이 되기를 바란다”고 전했다.



▲ 진공관 vs. S-대역 200W급 GaN 전력소자 비교



연구팀은 향후 본 주파수 및 출력을 확장하고 민수 및 군수 핵심부품을 국산화하는 연구를 진행하는 한편, 전력소자와 더불어 주요 수출규제 품목 중 하나인 질화갈륨 기반 집적회로 개발 연구도 심화할 예정이다.


이번 과제는 국방과학연구소(ADD)가 주관하는 ‘정부 선도형 핵심기술 프로그램’에 참여해 개발되었으며, 민간 전문업체의 실용화 개발 과정을 거쳐 양산이 진행될 예정이다. 또, SCI급 논문 13건, 국내외 특허 6건 출원 등의 실적을 낸 바 있으며, 핵심특허는 반도체 소자제작기술 제조방법이다.


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오상미 기자 osm@mtnews.net

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