ETRI, 훤히 보이는 레이더 핵심원천기술 개발

- 차세대 레이더용 고출력 GaN 핵심소자 및 모듈개발
- 기존 진공관을 반도체 소자로 바꿔 고출력 전력증폭가능
- ICT+조선에 적용, 해상도 2배 뛰어나, 디지털레이더 장착
- 세계수준과 어깨 나란히...국내 토종 원천기술의 쾌거
- 기존 레이더 대비 식별능력 탁월, 안전 항해지원 가능

국방 및 통신용으로도 쓰일 수 있는 반도체 고출력 증폭기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 차세대 레이더에 적용, 다양한 분야서 길을 훤히 비춰주는 역할을 할 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 기존 반도체인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 대신 질화갈륨(GaN)을 사용, 전력 밀도를 최대 10배, 증폭소자 교체주기 16배, 전력 효율을 최대 30%이상 우수한 반도체 개발에 성공했다고 18일 밝혔다.

이렇게 만들어진 칩들은 국방기술의 레이더에 탑재는 물론, 중계기 및 기지국 등의 통신용 증폭기, 선박 레이더, 우주·항공, 자동차, 기상 등 그 응용범위가 넓어 외산에 의존하던 제품의 국산화가 가능해질 전망이다.

질화갈륨(GaN)을 이용한 국내 연구는 그동안 많이 진행되어져 왔으나 연구에 성공, 칩 형태로 개발한 것은 ETRI가 처음이다. ETRI가 개발에 성공한 내용은 차세대 국방 및 다양한 분야의 레이더에 적용되는 GaN 전력증폭 모듈기술이다.

질화갈륨(GaN) 소자는 전력밀도가 높고 열 전도도가 뛰어나며 전력변환 효율이 좋다. ETRI는 이를통해 원내의 팹(Fab)시설에서 소자를 설계하고 제조공정기술을 개발해 고성능을 갖는 칩개발에 성공할 수 있었다. 또 칩을 패키징하고 모듈에 심어 고출력 모듈로 만들어 레이더의 신호를 내보는 쪽에 적용했다고 밝혔다.

이로써 고전압에서도 동작이 가능해 고출력 ·고효율 전력증폭기 소자로 적합했다. 따라서 기존 선박레이더에 전파증폭을 위해 사용하던 진공관 을 대체, 향후 GaN 반도체 소자를 이용한 고출력 전력증폭기가 핵심소자로 부각되고 있다.

연구진은 반도체를 기반으로 레이더를 디지털화 한 것이다. 기존 진공관방식은 부피도 크고 부품 수명도 짧아 유지보수에도 비용이 많이 든다. 또 출력소자 수명도 짧아 부품교체도 6개월마다 해야한다. 하지만 ETRI는 진공관 대신 GaN 반도체를 이용, 고출력 전력소자를 개발했고, 이 소자는 고출력 반도체 전력증폭기(SSPA)로 선박용 레이더에 적용되었다. 부피도 줄고 효율도 높아졌고 출력소자 수명은 16배나 긴 5만시간, 부품교체도 5년동안 하지 않아도 된다.

아울러 연구진은 개발된 기술을 바탕으로 우리나라 최고의 조선업체인 현대중공업과 손잡고 스마트십 2.0 기술개발에 참여, 지난 7월 시연에도 국내 최초로 성공했다. 선박의 안전항해가 가능케 된 것이다. 선박에 들어가는 디지털레이더에 ETRI가 개발한 GaN기반 고출력 반도체 전력증폭기(SSPA)가 탑재되었다. 따라서 향후 3~4년내에 ETRI의 고출력 레이더가 우리가 건조한 고부가가치 선박에 탑재, 5대양을 누비며 전 세계 바다를 훤히 비춰줄 전망이다.
 
ETRI는 현대중공업을 통해 선박에 탑재한 결과, 디지털레이더는 감지 대상 식별력이 우수하고, 악천후에도 10km 밖에 있는 70cm 소형 물체를 탐지할 수 있을 정도로 해상도가 월등히 좋아진 것으로 시험결과 밝혀졌다. 또 30m 이내의 바위섬들도 또렷이 보여줬다. ICT와 전통산업인 조선이 손잡아 세계 최고수준과 동등해진 것이다. 여기에는 ETRI를 비롯, 현대중공업, 울산경제진흥원, 중소기업 등 10개기관의 협력이 이룬 성과라고 ETRI는 설명했다.

 즉 선박의 ‘눈(eye)’에 해당하는 디지털레이더(Digital Radar)를 장착, 내비게이션 기능을 보강했다. 선박의 안전항해를 위한 근거리와 원거리 탐지를 위한 센서 기술이 한층 더 강화되는 것이다.

ETRI가 개발에 성공한 결과물은 ▲GaN 전력소자 ▲GaN 전력소자용 저손실 패키지 ▲GaN SSPA 전력모듈이다. 연구진은 국내 최초로 GaN 소자부터 레이더 시스템까지 국내 토종 원천기술을 통해 개발에 성공했다. GaN 전력소자 칩을 SSPA 모듈로 만들어 레이더 시스템 탑재시험까지 성공한 것이다. 이는 세계 최고수준과 동등한 것으로 평가받고 있다.

ETRI GaN전력소자연구실 문재경 실장은 “그동안 해외기업의 기술력에 의존하던 것을 탈피, 순수 국산기술로 개발에 성공해 기술독립을 이룰수 있게되어 기쁘다. 향후 첨단 산업분야로의 활용에 경제적 산업적 파급효과가 매우 클 것으로 예상한다.”고 말했다.

한편, ETRI는 전 세계 레이더 시장규모는 오는 2018년까지 약 830억불에 달한다고 설명하며 이중 약 30%가 전력증폭기 가격에 해당한다고 밝혔다. 아울러 많은 사용이 예상되는 이동통신용 전력증폭기 시장도 올해 기준으로 세계시장은 약 6.6억불, 국내시장 규모는 790억원에 달한다고 시장조사 전문기관을 인용, 설명했다.

ETRI는 “선박용 레이더 스캐너 및 트랜시버 개발” 과제의 일환으로 지난 2010년부터 3년간의 노력 끝에 개발되어 졌으며 개발된 칩의 핵심기술은 기가레인, RF코어(주), ㈜성산전자통신 등에 기술이전 되었다고 설명했다.

과제를 통해 ETRI는 국내외 특허 20건, 논문 5편 등의 성과와 함께 향후 다른 응용을 위한 핵심 칩개발, 전력소자 성능향상, 신뢰성 등에 힘쓰고 있다고 말했다.

또한 현재 개발된 GaN 전력소자는 트랜지스터 형태라서 향후 저항, 인덕트, 전송선로 등으로 구성된 수동소자와 함께 동일한 반도체 기판상에서 단일 집적회로(MMIC) 형태로 개발하는 것이 새로운 당면 과제라고 설명했다.

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