▲ ETRI가 개발한 S-대역 300W GaN 전력소자

국내 연구진이 차세대 반도체 핵심 소자로 손꼽히는 질화갈륨(GaN) 전력소자 개발에 성공해 반도체 산업의 경쟁력을 높일 것으로 기대되고 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 세계적인 수준의 S-대역(2-4GHz) 300와트(W)급 질화갈륨 전력 소자 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

질화갈륨은 통상적으로 반도체 소자로 쓰이는 실리콘(Si)에 비해 3배 이상 높은 항복전압으로 고전압 동작에 유리하며, 스위칭 속도가 매우 빨라 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않기 때문에 고전압 전력 반도체에 적합하다. 또한, 갈륨비소(GaAs) 대비 7배 이상의 높은 전력밀도 전력밀도 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 가능해 향후 산업적, 군사적 활용도가 높은 차세대 반도체 소자로 주목받고 있다.

특히, 이번 개발한 기술은 미국과 일본만 개발하여 보유하고 있는 군용 전투기 핵심기술인 에이사(AESA:전투기 능동위상배열) 레이더용 질화갈륨 집적회로(MMIC)에도 적용이 가능해 국방 분야 국산화와 경쟁력 강화에도 크게 기여할 전망이다.

이번에 ETRI는 고출력과 고효율을 동시에 만족시키는 질화갈륨 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 구조를 설계해 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 소자성능을 뛰어넘는 세계적인 수준이다. 

특히 이번에 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 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.

ETRI 강동민 RF/전력부품연구실장은 “이 기술이 반도체 핵심부품 국산화에 기여해 반도체 산업 경쟁력을 높이고 반도체 소재의 해외 의존도를 줄이는 데 도움이 되길 바란다”고 밝혔다.

한편 시장조사기관 욜 디벨롭먼트에 따르면 질화갈륨 전력소자 시장은 지난해 1억2천만 달러에서 연평균 59%씩 성장해 2027년에는 20억 달러에 달할 것으로 예측되고 있다.