美·日만 보유한 반도체 이 기술, 한국이 또 해냈다…"성능 더 뛰어나"

한국전자통신연구원(ETRI) 연구진이 광학현미경을 통해 S대역 300W 질화갈륨(GaN) 전력소자를 분석하는 모습. / 사진제공=한국전자통신연구원(ETRI)

국내 연구진이 세계적 수준의 질화갈륨(GaN) 전력소자 기술을 개발하는 데 성공했다. 질화갈륨은 차세대 반도체 핵심 소자로 꼽히는 물질이다. 이번 질화갈륨 전력소자 개발로 향후 반도체 산업은 물론 군수·통신 산업 경쟁력 제고가 가능해질 전망이다.


한국전자통신연구원(ETRI)은 21일 'S-대역 300와트(W)급 질화갈륨 전력소자'를 개발했다고 밝혔다. S-대역은 2-4㎓(기가헤르츠) 주파수 대역을 의미하고, 군수 산업에선 레이다 장비에 쓰이며 통신 분야에선 5G(5세대 이동통신) 등에 활용된다.

질화갈륨은 반도체 소자로 쓰이는 실리콘(Si)에 비해 3배 이상 높은 항복전압으로 고전압 동작에 유리하다. 별도의 에너지 저장공간이 요구되지 않아 고전압 전력 반도체에 적합하다. 또 실리콘을 대체할 물질로 떠오른 갈륨비소(GaAs) 대비 전력밀도와 전력효율이 7배 이상 높은 장점도 지닌다.

시장조사기관 욜(Yole) 디벨롭먼트에 따르면 질화갈륨 전력소자 시장은 지난해 1억2000만달러를 기록했다. 연평균 59%씩 성장해 2027년에는 관련 시장 규모가 20억 달러(약 2조8000억원)에 달할 것으로 예측하고 있다.

이 기술은 현재 미국과 일본만 보유하고 있다. 미·일이 보유한 질화갈륨 전력소자는 평균 250W급이다. 미국과 일본, 유럽 등은 질화갈륨 전력소자가 군사적 활용 가능성이 높아 소자의 구매부터 활용, 처리 등에 제한을 두고 관리해왔다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 개발한 S대역 300W 질화갈륨(GaN) 전력소자 성능검증 모듈. S-대역은 2-4GHz 주파수 대역을 의미하고, 군수 산업에선 레이다 장비에 쓰이며 통신 분야에선 5G(5세대 이동통신) 등에 활용된다. / 사진제공=한국전자통신연구원(ETRI)

이런 한계 속에서도 ETRI는 고출력·고효율을 동시에 만족시키는 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 구조를 설계했다. 연구진은 개발된 전력 소자 칩을 패키징해 출력 전력 300W, 전력 밀도 10W/㎜ 이상의 질화갈륨 반도체 소자 성능을 검증했다. 기존 약 250W, 8.4W/㎜ 수준의 상용 질화갈륨 반도체 소자 성능을 뛰어넘는 수치다.

특히 설계부터 공정과 측정, 패키징까지 모두 순수 국내기술로 개발이 이뤄졌다. 이 기술은 향후 고출력을 필요로 하는 군사용 레이더, 고주파용 통신시스템이나 전기자동차용 전력 시스템 등에 적용할 수 있다. 또 전투기 전략기술인 에이사(AESA) 레이더용 질화갈륨 집적회로(MMIC)에도 적용이 가능하다. 반도체 산업은 물론 군수·통신 산업 등 전방위적으로 활용될 수 있다는 의미다.

강동민 RF·전력부품연구실장은 "이 기술이 반도체 핵심부품 국산화에 기여해 산업 경쟁력을 높이고 소재의 해외 의존도를 줄이는 데 도움이 될 수 있을 것"이라며 "국방 레이더·통신, 6G 차세대 이동통신 등 반도체 핵심부품의 국산화와 일본의 주요 수출규제 품목 중 하나인 질화갈륨 기반 집적회로 개발 연구도 심화할 예정"이라고 밝혔다.

S대역 300W 질화갈륨(GaN) 전력소자가 들어간 모습. / 사진제공=한국전자통신연구원(ETRI)

S대역 300W 질화갈륨(GaN) 전력소자가 향후 활용될 수 있는 분야. / 사진제공=한국전자통신연구원(ETRI)