ETRI, 세계적 수준 질화갈륨 전력소자 국산화 성공

ETRI, 세계적 수준 질화갈륨 전력소자 국산화 성공

- 10W/mm의 세계적 수준 고출력 질화갈륨 전력소자 개발 

- AESA 레이더·고주파 통신·전기차 전력시스템 적용

국내 연구진이 순수 국내기술로 차세대 반도체 핵심 소자로 손꼽히는 질화갈륨(GaN) 전력소자 개발에 성공했다. 우리나라 반도체 산업의 경쟁력을 높이고 기술주도권을 확보하는 데 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 세계적인 수준의 『S-대역(2-4GHz 주파수 대역을 의미. 주로 레이더 장비와 같은 곳에서 흔히 쓰이며, 민간에서는 5G 이동통신, 와이파이(WiFi), 블루투스 통신 등에 활용된다.) 300와트(W) 급 질화갈륨 전력 소자 기술』을 개발했다고 밝혔다. <참고1>

질화갈륨은 통상적으로 반도체 소자로 쓰이는 실리콘(Si)에 비해 3배 이상 높은 항복전압으로 고전압 동작에 유리하며, 스위칭 속도(실리콘: 약 10kHz, 탄화규소: 약 100kHz -1Mhz)가 매우 빨라 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않기 때문에 고전압 전력 반도체에 적합하다. 또한, 갈륨비소(GaAs) 대비 7배 이상의 높은 전력밀도(단위면적당 출력의 세기. 전력밀도가 높을수록 소형 반도체에서 높은 출력을 구현할 수 있다.) 및 전력효율을 얻을 수 있어 통신시스템 효율 개선 및 소형화에 적합하다.

이 때문에 고출력을 필요로 하는 군사용 레이더, 고주파용 통신시스템이나 전기자동차용 전력 시스템 등에 적용이 가능하다. 향후 산업적, 군사적 활용도가 높은 차세대 반도체 소자로 주목받고 있다.

특히, 이번 개발한 기술은 미국과 일본만 개발하여 보유하고 있는 군용 전투기 핵심기술인 에이사(AESA, Active Electronically Scanned Array, 전투기 능동위상배열 : 기존 기계식 레이다처럼 송신부와 수신부가 따로 있지 않고 송수신 통합 모듈 수천 개가 붙어 있는 형태) 레이더용 질화갈륨 집적회로(MMIC)에도 적용이 가능해 국방 분야 국산화와 경쟁력 강화에도 크게 기여할 것으로 전망하고 있다. 

그동안 미국과 유럽 등 나라가 질화갈륨 전력소자 부문 기술 개발을 선도해 왔다. 군사적 활용성이 높은 기술의 특성상 소자의 구매와 활용, 처리 등에 제한이 많았다.

ETRI는 고출력과 고효율을 동시에 만족시키는 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(HEMT, high electron mobility transistor : 반도체 이종 접합의 계면에 생기는 전자의 이동도가 매우 높아지는 것을 이용해서 특성을 향상시킨 트랜지스터.) 구조를 설계하여 세계적인 수준의 질화갈륨 전력 소자 기술을 개발해냈다. 연구진은 개발된 전력 소자 칩을 패키징하여 출력전력 300W, 전력밀도 10W/mm 이상의 질화갈륨 반도체 소자 성능을 검증했다. 기존 약 8.4W/mm 수준의 상용 질화갈륨 반도체 소자 (Wolf-speed社, 8.38 W/mm 예측(공식 power density 정보가 공개되어 있지 않아서 Die layout에서 추론)) 성능을 뛰어넘는 세계적인 수준이다. <참고2>

아울러 이는 설계부터 공정과 측정, 패키징까지 모두 순수 국내기술로 개발했다는 점에서 그 의미가 매우 크다. 연구진이 국내 기술력으로 세계적인 수준의 질화갈륨 전력 소자 기술 개발을 이뤄냄으로써 반도체 소재의 해외 의존도를 낮추고 기술격차를 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구진은 25년 이상 화합물반도체를 연구해온 인적, 물적 노하우와 반도체 전력 소자를 설계하고 제작할 수 있는 ETRI의 장비와 시설이 바탕이 되어 본 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 

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

질화갈륨 전력소자 시장도 전망이 밝다. 시장조사기관(욜 디벨롭먼트 욜(Yole, 2022). 2022년 질화갈륨 전력소자 시장 동향)에 따르면, 지난해 1억 2천만불 시장에서 연평균 59%씩 성장해 2027년에는 관련 시장 규모가 20억 달러에 달할 것으로 예측하고 있다. <참고3>

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