질화갈륨이 적용 가능한 분야는?

질화갈륨이 적용될 수 있는 분야로는 크게 군수 분야와 민수 분야로 나눌 수 있습니다. 먼저 군수 분야로는 AESA 레이더, 군용 통신, Sea-Based 레이더, 미사일 Seeker 등이 있습니다. AESA 레이더의 경우 각각의 레이더 송·수신모듈(TRM)에 질화갈륨 반도체 칩이 하나씩 사용된다고 보시면 됩니다. L ~ S 밴드 대역으로는 이지스 시스템, X 밴드 대역에는 항공기에 들어가는 AESA 레이더, 사드와 같은 AESA 레이더의 핵심 부품으로 들어갑니다.

그리고 군용 통신에도 통신용 전력증폭기가 들어갑니다. 이것은 SBX 레이더라고 합니다. X 밴드 대역에서 활용되는 레이더로, 북한이 ICBM(Inter-Continental Ballistic Missile, 대륙간탄도미사일) 시험발사 등 군사 도발을 감행할 경우 궤적을 추적할 수 있는 레이더입니다. 또 전투기에 들어가는 유도미사일에도 이러한 칩이 내장됩니다. 미사일을 보시면, 전방에 목표물을 쫓아가기 위한 탐색기(Seeker)가 있습니다. 여기에 질화갈륨 반도체가 전력증폭기로 하나씩 들어갑니다.

민수 분야에서는 우리가 기존에 쓰고 있는 4G LTE에 들어가는 기지국과 위성통신의 전력증폭기에 들어갑니다. 또 3,000T 이상 대형선박에도 S 밴드와 X 밴드 두 가지 레이더가 필수로 들어가는데, 이런 곳에도 활용될 수 있습니다. 또 앞으로 가장 크게 대두될 부분은 5G와 서브 6G입니다. 상용화가 이미 시작된 5G의 경우 우리나라는 3.5GHz~28GHz 대역을 사용하고 있습니다. 이러한 5G 이동통신 시스템에 질화갈륨 반도체가 활용될 수 있습니다. 그것보다 더 높은 주파수로 가면 Ka 밴드용 위성통신, W 밴드의 차량용 레이더 등 활용이 다양하고 많습니다.

추가적으로 뒷받침돼야 할 연구는?

앞서 말씀드린 것처럼 이러한 전력소자들은 환경이 매우 열악한 곳에서 사용되는 소자입니다. 그만큼 아주 튼튼해야 합니다. 이를 위해 가장 먼저 갖추어야 할 부분은 신뢰성입니다.

저희가 개발한 질화갈륨 반도체는 주파수 대역이나 출력 전력 측면에서 일정 수준 선진국에 준하는 기술을 확보했습니다. 그러나 신뢰성 측면에서 아직 부족한 부분이 있습니다. 평균 수명(Lifetime)이라든지 가속 온도 시험(HTOL, High Temperature Operation Life), 다양한 환경 시험 등 여러 가지 신뢰성 평가를 거쳤을 때 아직까지 선진국 대비 100% 만족을 시키지 못하는 상태입니다. 이런 부분들에 대해 좀 더 추가적인 연구가 진행되어야 합니다. 이런 연구를 통해 소자의 신뢰성을 높여 상용화에 준하는 소자 및 집적회로를 개발할 예정입니다. 그리고 최근 대두되고 있는 응용서비스에서 밀리미터파 대역 이상의 주파수 특성과 수백W급의 고출력 특성이 요구되어지는 만큼 그 흐름에 발맞춰 연구를 이어나갈 예정입니다.

향후 기술개발 방향은?

현재 ETRI는 군수와 민수 응용 분야에 모두 적용할 수 있는 L 대역에서 Ka 대역까지 200W급의 고출력 전력 소자부터 5G용 28GHz 대역 MMIC 전력증폭기까지 기술을 확보한 상태입니다. 향후 ETRI는 0.05um 이하 미세 패턴 공정기술과 이를 이용한 GaN HEMT 소자 기술, 그리고 Q ~ W 밴드 대역의 MMIC 칩셋도 개발할 예정입니다.

아울러 현재 정부에서 10년 후 상용화를 목적으로 추진 중인 6G 이동통신 핵심기술개발사업에 참여하여 6G 이동통신용 핵심부품 국산화 개발도 함께 진행할 예정입니다. 그동안 거의 10년 주기로 이동통신 기술개발을 진행해 왔지만 우리나라는 5G 통신까지도 선진국에서 개발한 칩을 들여와서 쓸 수밖에 없는 형국이었습니다. 하지만, ETRI에서는 6G 이동통신에 대한 선제적 연구개발을 통해 시스템을 개발하는 것뿐만 아니라 핵심 부품까지 국산화하는 것을 목표로 하고 있습니다.