실리콘 아닌 질화갈륨 반도체 고전자 트랜지스터 기반 설계 기술
단일칩 송․수신,고성능, 크기․무게 최소, 고주파 신호, 최대 대역폭, 전송속도 극대화
[애플경제 전윤미 기자] 국내에서 고도의 첨단통신을 위해 이동통신 기지국에 최적화된 질화갈륨 반도체 기반의 고전자 이동도 트랜지스터(GaN HEMT) 소자로 고출력 및 고효율 증폭기를 설계하는 기술이 개발되어 주목을 끈다.
본래 GaN은 일반적인 반도체 소재인 실리콘(Si)보다 탁월한 전기적 특성을 지니고 있다. 더욱 높은 전력 밀도와 작동 온도, 더 큰 작동 주파수 범위를 지원할 수 있어, 고도의 첨단 애플리케이션에 적합하다는게 전문가들의 설명이다.
GaN, “고도의 첨단 앱에 적합”
이같은 GaN HEMT 소자로 이동통신 기지국용 고출력 고효율 증폭기 설계 기술을 최근 개발한 한국전자통신연구원은 “그간 선진국에서 해당 기술을 도입하는게 어려워 자체적으로 기술 확보가 요구되는 민수 통신이나 군수 레이더용 핵심 부품 기술을 개발한 것”이라고 취지를 밝혔다.
좀더 자세히 설명하면 질화칼륨인 Gan은 차세대 파워 디바이스에 사용될 것으로 기대되는 화합물 반도체 재료다. 기존 실리콘에 비해 모든 물성이 우수해서, 고주파 특성을 한껏 활용할 수 있다. HEMT는 정확히는 고전자 이동도 트랜지스터를 말한다.
특히 연구원은 이를 기반으로 GaN MMIC(송․수신 단일 집적회로기) 전력증폭기 설계 기술을 개발, 눈길을 끈다. 이는 이동통신 기지국이나 중계기용 전력소자에 쓰이며, “그간 수입해오던 소자를 대체하고, 제조원가를 절감함으로써 부가 가치를 극대화할 것”이란 얘기다.
본래 관련 전문가에 의하면 질화갈륨 반도체를 사용한 MMIC는 전투기에서 무선통신, 레이더, 전자전 개입 등 다양한 기능에 활용된다. 송신과 수신 기능을 단일 칩에 통합함으로써 성능을 극대화하고, 크기와 무게를 크게 줄인다. 특히 고주파 신호를 처리, 더 높은 대역폭을 지원하고, 데이터 전송 속도를 한층 높여주기도 한다.
“GaN과 MMIC 접목, 고속 연산과 고출력 등”
이에 GaN을 접목한 Gam MMIC 기술은 기존의 실리콘 기반 MMIC에 비해 뛰어난 특성을 제공한다는 설명이다. 효율성을 크게 높이고 크기나 전력소비를 매우 대폭 줄여주며, 반면에 수명은 크게 늘려준다. 즉, “MMIC에 질화갈륨을 사용함으로써 고속 연산과 더 높은 출력 전력을 달성할 수 있다.”는 연구원의 설명이다.
특히 질화갈륨 반도체의 이같은 고성능을 통신 분야에 활용하면 신호 처리 능력을 한껏 높이고, 통신과 탐지 능력도 극대활 것으로 기대하고 있다.
이에 연구원은 “이를 이동통신시스템 기지국의 송신기 전력 모듈, 레이더의 전력 모듈 등으로 활용함으로써 이들 분야에서의 부품 기반기술을 높이고, 시스템을 고도화할 것”이라고 밝혔다.
이는 최근의 국내 이동통신산업의 절실한 필요와도 맞닿는다. 2009년 현재 SK텔레콤은 이동통신 노후망 교체와 차세대 네트워크 초기 투자로 전년대비 25%늘어난 1조9000억원을 투자할 예정이다.
LG텔레콤은 올해 일반기지국 320개 및 멀티모드 기지국 600개를 증설하고 2만여개 인빌딩 중계기 설치와 광중계기 증설 등 총 6,000억원의 투자를 집행할 예정이다.
이런 현실에서 기지국이나 중계기의 핵심부품인 전력소자는 전량 외국에 의존하고 있다. 그래서 이번 자체 기술을 통해 “3년 이내에 전력증폭모듈 시장의 10%까지 시장 점유를 달성할 것”으로 예상하고 있다.
수입대체, 기술자립…중소기업 기술이전도
연구원은 이를 조속히 민간으로 이전할 계획이다. 기술이전 내용은 ‘Ka-band 증폭기’ 설계 기술을 비롯, 동작주파수(Ka-band(28GHz)), Ka-band 증폭기 설계 파일, 이동통신용 Ka-band GaN MMIC 증폭기 설계 기술 등이다.
연구원은 특히 “이동통신 및 레이더의 트랜시버에 필요한 GaN MMIC 증폭기 설계 기술을 중소기업에 기술 이전할 것”이라며 “이를 통해 중소기업의 수익 창출은 물론 원활한 부품수급이 이뤄지게 하고, 국가 차원에서도 기술 도입이 매우 어려운 GaN MMIC 증폭기 설계 기술의 자립을 꾀하게 될 것”이라고 밝혔다.
한편 이동통신 기지국용 전력 증폭기 제작에 사용되는 전력소자는 현재 Si 기술을 기반으로 한 LDMOS가 주로 사용되고 있다. 그러나 “그보단 고주파수 특성이나, 전력밀도, 전력효율, 선형성, 그리고 다양한 환경에 맞는 온도특성, 내환경 특성 등이 우수한 GaN 등의 와이드밴드 갭 반도체 기술을 이용한 전력트랜지스터로 대체되어 발전하고 있는 추세”라고 배경을 덧붙였다.