AESA 레이더·SAR 위성용 질화갈륨 송·수신 단일 칩 개발

DMC융합연구단, 에이사 레이더용 단일칩 개발

- AESA 레이더·SAR 위성용 질화갈륨 송·수신 단일 칩 개발

- 해외 선도국과 동등, 그 이상 성능…전투기·SAR 위성 등 활용

국내 연구진이 전투기의 두뇌에 해당하는 에이사(AESA) 레이더 및 고해상도 영상레이더(SAR) 핵심부품을 개발, 국방기술 자립화에 한 발짝 더 다가가고 있다.

국가과학기술연구회 DMC(국방반도체) 융합연구단 DMC(Defense Materials & Components, 주관기관 : ETRI / 참여기관 : 한국기계연구원, 나노종합기술원 등 16개 기관)이 질화갈륨(GaN) 반도체 송·수신 단일 집적회로(MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit: 능동소자와 수동소자를 하나의 반도체 기판 위에 일괄공정으로 제작하는 단일칩 고주파 집적회로) 기술을 국내 최초로 개발했다고 밝혔다.

최신형 전투기에 장착되는 에이사(AESA, Active Electronically Scanned Array: 송신부·수신부가 따로 있지 않고 송수신 통합 모듈 수천 개가 붙어 있는 형태로 이뤄짐.) 레이더는 연구진이 개발에 성공한 단일 집적회로(MMIC)가 적용된 반도체 송·수신 모듈을 활용, 신호의 위상·진폭을 조정해 표적을 탐지·추적한다.

연구진은 지난 2020년 송·수신기용 스위치 집적회로 기술과 지난해 X-대역(8~12GHz 대역. AESA 레이더 및 SAR 위성용으로 쓰임.) 레이더 송·수신기용 전력증폭기 집적회로 기술을 개발에 성공한 바 있다. 

이번 성과는 ▲고출력증폭기, ▲저잡음증폭기, ▲스위치 MMIC를 하나의 칩으로 집적한 X-대역 레이더 송·수신기용 단일 프론트엔드(Frontend) 집적회로 기술이다. [참고1]

아울러 연구진은 이번 개발에 성공한 질화갈륨 기반 송·수신 MMIC가 위성 탑재체의 주요 시스템인 고해상도 영상레이더(SAR(Synthetic Aperture Radar): 합성 개구부 레이더, 레이더 전파를 이용하여 송·수신 신호를 처리하여 영상을 형성) 안테나에도 적용 가능하다고 설명했다.

안테나 신호의 송신 및 수신 역할을 담당하는 구성품인 송·수신 모듈에도 MMIC의 적용이 가능하기 때문이다. 이로써 우수한 전력 특성과 높은 효율 특성을 바탕으로 위성용 송·수신 모듈의 소형화 및 경량화에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

연구진이 개발한 질화갈륨 기반 송·수신 단일 프론트엔드 MMIC는 해외 선진국에서만 확보한 기술이며, 국내 확보기술의 경우 해외 및 국내 파운드리를 이용한 개발 실적이 전무한 실정이었다. 

국내 설계 및 제작을 통해 개발한 송·수신 MMIC는 현재 전량 수입에 의존하는 송·수신 MMIC 시장을 대체할 수 있는 경쟁력을 갖는 제품이 될 것으로 연구진은 내다보았다. 

연구진의 X-대역 단일 프론트엔드 MMIC는 대역폭 1.5GHz 대역에서 36dB의 송신이득, 19와트(W)급 출력과 28% 수준의 송신효율, 그리고 38dB의 수신이득, 2.8dB 이하의 수신잡음지수 성능을 낼 수 있다. 

송신이득, 송신출력 및 수신이득은 세계 최고 수준이며, 수신잡음지수 및 송신효율은 동등 이상이다. [참고2]

연구진은 지난 20년 넘게 화합물 반도체 소자를 설계·제작해 온 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 만든 것으로 평가된다.

ETRI 임종원 DMC(국방반도체) 융합연구단장은“국내 최초로 자체 설계 및 공정기술로 세계적 수준의 X-대역 질화갈륨 단일 칩 기술을 확보했다. 국방기술 자립을 통해 소·부·장 수출규제 및 위성 환경 검증에도 적극 대응이 가능할 전망이다.”고 말했다.

연구진이 개발한 성과는 시작품 단계 수준이다. 향후 MMIC의 성능 고도화, 신뢰성 및 수율 향상을 통해 군수 레이더용뿐만 아니라 SAR 위성용 우주 환경시험 등의 연구를 통해 상용화 지원에 나설 예정이다. 

본 성과는 국가과학기술연구회‘국방 무기체계용 핵심 반도체 부품 자립화 플랫폼 개발’융합연구사업을 통해 이뤄졌다. ETRI를 중심으로 한국기계연구원, 나노종합기술원 등 총 17개 기관이 참여했다.