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DMC융합연구단, 질화갈륨 반도체 전력증폭기 집적회로 기술 개발 2021-07-28
오상미 기자 osm@mtnews.net


▲ 국가과학기술연구회(NST) DMC융합연구단이 AESA 레이더 핵심부품인 질화갈륨(GaN) 반도체 전력증폭기 집적회로(MMIC) 기술을 개발했다.



[기계신문] 국가과학기술연구회(NST) DMC융합연구단이 AESA 레이더 핵심부품인 질화갈륨(GaN) 반도체 전력증폭기 집적회로(MMIC) 기술을 개발했다. 국산 반도체 기술로 설계부터 개발까지 이뤄내면서 국방기술 자립을 통해 소재·부품·장비 수출규제에도 적극 대응이 가능할 전망이다.


최신형 전투기에 장착되는 능동위상배열(AESA, 에이사) 레이더는 신속하고 정확하게 대상물까지의 거리나 위치, 모습을 탐지할 수 있어 전투기의 두뇌라고도 불린다. 레이더 앞부분에 부착된 수천 개의 송·수신 모듈 덕분이다.


송·수신 모듈은 스위치, 전력증폭기(PA), 저잡음증폭기(LNA) 등 반도체 칩을 집적해 제작된다. 연구팀은 지난해 송·수신기용 스위치 집적회로 기술을 개발한 데 이어 올해 X-대역 및 Ku-대역 레이더 송·수신기용 전력증폭기 집적회로 기술개발까지 성공했다.



▲ X-대역 25W급 GaN 전력증폭기 집적회로 칩(좌)과 Ku-대역 20W급 GaN 전력증폭기 집적회로 칩(우)



전력증폭기는 송신 신호를 증폭시켜 원활한 신호처리 및 표적 탐지·추적을 가능케 하는 장비다. 최근 레이더가 진공관형 증폭기(TWTA) 방식에서 반도체형 전력증폭기(SSPA) 방식으로 변경되는 추세에 따라 전력증폭기 집적회로는 반도체 전력증폭기 국산화 필수 기술로 떠올랐다.


이번 기술개발로 군수용 반도체 수출규제에 대비한 에이사 레이더 및 탐색기 국산화와 군용, 선박, 위성통신 레이더 및 탐색기 성능을 크게 높여 우리나라 방위산업 발전에 큰 도움이 될 것으로 보인다.


연구팀의 X-대역 전력증폭기는 25W급 출력과 대역폭 2GHz, 40% 최대 효율, 그리고 Ku-대역 전력증폭기는 20W급 출력과 대역폭 2GHz, 30% 최대 효율을 낼 수 있다.


고출력 전력증폭기 소자로 적합한 질화갈륨을 이용해 기존 갈륨비소(GaAs) 소재 대비 10배 이상 높은 출력과 우수한 신호변환 효율을 확보했다. 적은 부품으로도 신호를 많이 증폭시킬 수 있어 레이더 경량화는 물론 더욱 정확한 목표물 탐지가 가능하다.



▲ ETRI 연구팀이 질화갈륨 반도체 전력증폭기 MMIC 칩의 신호특성시험을 수행하고 있다.



성능은 미국과 유럽 상용제품과 대등한 수준이면서도 크기는 더 작아 상용화에 유리하다. 연구팀이 개발한 X-대역 전력증폭기 칩 부피는 3.5×3.6×0.1mm로 유럽 제품의 60%에 불과하다. Ku-대역 전력증폭기 칩은 3.1×3.6×0.1mm로 미국 제품보다 부피를 약 23% 줄였다.


연구팀은 다년간 질화갈륨 등 다양한 화합물 반도체 소자를 설계·제작해온 연구 노하우로 이번 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 특히, 국내 최초로 자체적으로 집적회로 설계부터 제작까지 해내며 해외 파운드리 및 수입품에 의존해온 군수 분야 질화갈륨 집적회로 부품을 국산화하는 기틀을 만들어 더욱 의미가 크다.



▲ GaN 전력증폭기 집적회로 기술 비교(X-대역)


▲ GaN 전력증폭기 집적회로 기술 비교(Ku-대역)



임종원 DMC융합연구단장)은 “국내 최초로 연구기관 자체의 설계 및 공정기술 등 연구를 통해 고출력 전력증폭기와 스위치 집적회로 기술을 확보했다”며 “이번 개발기술이 우리나라 국방기술 확충과 소재·부품·장비 대응에 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.


향후 DMC융합연구단은 관련 분야 산업체에 기술을 이전하면서 상용화 지원에 나서는 동시에, 군수 부품 요구성능을 만족하는 신뢰성 시험을 계획 중이다. 또한, 2022년까지 이번 기술을 바탕으로 3개 주파수 C-/X-/Ku-대역별로 스위치·전력증폭기·저잡음증폭기 MMIC 등을 하나의 칩으로 집적시키는 송·수신 단일칩 집적회로 후속 연구도 진행한다.


이번 연구는 국가과학기술연구회 ‘국방 무기체계용 핵심 반도체 부품 자립화 플랫폼 개발’ 융합연구사업을 통해 이뤄졌다. 한국전자통신연구원(ETRI)을 주관으로 한국기계연구원, 나노종합기술원이 참여하고 산·학·연이 보유한 우수기술을 융합한 고성능 핵심 국방 부품기술 자립화 연구의 결과다.


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오상미 기자 osm@mtnews.net

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