DMC 융합연구단, AESA(에이사) 레이더 핵심 기술 개발-AESA 레이더용 질화갈륨 반도체 송·수신기 스위치 국산화

DMC 융합연구단, AESA(에이사) 레이더 핵심 기술 개발-AESA 레이더용 질화갈륨 반도체 송·수신기 스위치 국산화

배포일2020.11.24. 담당자 DMC융합연구단

 

 

 

ETRI사진자료1~2
- ETRI 연구진이 개발한 레이더 반도체 송수신기용 질화갈륨 스위치 제작공정을 점검하는 모습

ETRI사진자료3~5
- ETRI 연구진이 개발한 레이더 반도체 송수신기용 질화갈륨 스위치 집적회로의 특성을 측정하는 모습

ETRI사진자료6
- ETRI 연구진이 개발한 레이더 반도체 송수신기용 질화갈륨 스위치 집적회로 웨이퍼를 점검하는 모습

ETRI사진자료7
- ETRI 연구진이 개발한 레이더 반도체 송수신기용 질화갈륨 스위치 집적회로 웨이퍼 모습

ETRI사진자료8
- ETRI 연구진이 개발한 레이더 반도체 송수신기용 질화갈륨 스위치 집적회로 모습

<에이사>
DMC 융합연구단, AESA 레이더 핵심 기술 개발

- AESA 레이더용 질화갈륨 반도체 송·수신기 스위치 국산화
- 부피 450배·무게 10% 줄여, 군용기, 선박, 기상 레이더 활용

국내 연구진이 레이더 송·수신기에 쓰이는 핵심 부품을 국산화할 수 있는 기술을 개발했다. 이로써 외산 기술에 의존하지 않고 국방, 민간 분야에서 레이더 기술 자립화와 소부장 수출규제에 적극 대응할 전망이다.
국가과학기술연구회 융합연구단사업의 일환으로 설립된 ETRI DMC융합연구단(주관기관 ETRI)은 24일,‘특정 주파수 대역 C-대역 및 X-대역 : C 대역은 위성통신, 위성방송 등에서 쓰이는 4~8 GHz 주파수대역, X대역은 레이더에서 자주 쓰이는 8~12 GHz 주파수 대역을 의미함. 각 출력은 40와트(W), 30와트(W)임.
에서 활용 가능한 레이더 반도체 송·수신기용 질화갈륨(GaN GaN : 갈륨비소(GaAs)에 비해 10배 이상 높은 농도로 높은 전력밀도를 얻을 수 있음. 고출력 전력증폭기 소자로 적합
) 스위치 집적회로’기술을 국내 최초로 개발했다고 밝혔다. 레이더의 스위치 소자, 집적회로 설계 및 제작을 모두 국내 연구진의 기술로 이뤄 의미가 크다.
레이더는 원거리를 탐지하고 정찰하기 위해 높은 출력을 내고 정보 전달 과정에서 신호 손실을 최소화하는 전파통제 기술력이 필요하다. 연구진은 전투기 능동위상배열(AESA Active Electronically Scanned Array. 기존 기계식 레이다처럼 송신부와 수신부가 따로 있지 않고 송수신 통합 모듈 수천 개가 붙어 있는 형태로 이뤄짐.
, 에이사) 전단부 등에 쓰일 수 있는 레이더 기술을 개발했다.
레이더의 송·수신기는 송·수신 스위치, 전력증폭기 높은 출력 전력을 생성할 수 있는 증폭기
, 저잡음 증폭기 LNA, Low Noise Amplifier. 수신 신호의 최소 잡음지수를 만족하도록 설계된 증폭기
등 개별 칩을 모아 모듈 형태로 제작된다. 이 중 송·수신 스위치는 안테나에 들어오는 수신 신호와 나가는 송신 신호를 분리하는 장치다.
하지만 기존 이와 같은 역할을 하던 서큘레이터 Circulator : 안테나와 송수신기를 연결하는 전파 통제 레이더 시스템 부품.
는 특성상 송·수신 모듈 수천 개가 사용되어 큰 부피로 인해 레이더를 제작하는데 부담이 있었다. 이에 최근 서큘레이터 기능을 반도체 칩으로 구현하는 단극쌍투(SPDT) Single Pole Double Throw
스위치 집적회로 연구가 활발하다.
DMC 융합연구단은 C-대역 및 X-대역 레이더 송수신기용 스위치 집적회로를 개발했다. 연구진은 고출력을 견디는데 유리한 질화갈륨을 활용해 집적회로를 개발하면서 각각 40와트(W)급과 30와트(W)급 출력과 30dB 이상의 격리도 Isolation. 원치 않은 곳으로 전력이나 신호가 전달되지 못하도록 하는 정도. 수치가 높을수록 좋음.
성능을 낼 수 있었다. 이는 선도 연구기관인 미국이나 유럽의 상용 제품과 대등한 수준이다.
연구진이 만든 질화갈륨 스위치는 1.3 x 1.55 x 0.1 mm 수준으로 0.2mm³크기다. 이를 기반으로 만든 상용 제품 서큘레이터 크기가 98mm³로 기존보다 부피를 450배 줄였다. 모듈 무게도 최대 10% 이상 감량이 가능하다.
레이더 송수신기용 스위치 집적회로가 기존 서큘레이터를 대체하면서도 같은 성능을 내기 위해서는 저손실 및 고출력 스위치 반도체 소자 설계 기술과 고격리 스위치 설계 기술이 필요하다.
연구진은 다년간 질화갈륨 등 화합물 반도체 소자를 설계·제작해온 인적, 물적 연구 노하우와 국가과학기술연구회(NST)의 융합연구단사업을 계기로 참여기관 간 기술력 융합을 통해 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다.
본 기술은 AESA 레이더 송수신기 모듈 크기를 줄이는데 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 특히, 군용 고출력 레이더 송·수신기 뿐 아니라 민간 선박, 기상 레이더 송수신기 모듈 등 다양한 분야에도 응용할 수 있어 많은 활용이 예상된다.
DMC 융합연구단장인 ETRI 임종원 박사는“국내 연구기관들의 우수한 설비와 연구역량을 융합하여 고출력 스위치 집적회로 기술을 확보했다. 본 기술이 고출력 레이더 반도체 송수신기 국산화 및 자주국방을 실현하는데 도움이 되기를 바란다”고 밝혔다.
한편 레이더 기술 고도화를 위한 연구로 스위치, 전력증폭기, 저잡음증폭기 개별 집적회로 등을 동일 반도체 기판상에 단일 집적회로 제작하려는 시도가 늘고 있다.
연구진은 본 기술을 응용해 송수신용 개별 집적회로를 한 칩에 통합해 집적하는 후속 연구를 진행하며 레이더 기술력을 더욱 높이고 방산업체 등에 기술이전을 통해 상용화를 위한 지원에 나설 예정이다.
본 성과는 국가과학기술연구회 융합연구단‘국방 무기체계용 핵심 반도체 부품 자립화 플랫폼 개발’사업으로 이뤄졌다. ETRI를 비롯해 한국기계연구원, 나노종합기술원이 참여하고 있다. 정부출연연구원 및 민간보유 우수기술을 활용, 국방 무기체계용 핵심 반도체 기술을 연구한 값진 융합연구 산물이다. <보도자료 본문 끝>

참고1

C-대역, X-대역 GaN 스위치 집적회로 사진

[C-대역 40W급 GaN 스위치 집적회로 칩 및 시험치구 Assembly] (왼쪽)
[X-대역 30W급 GaN 스위치 집적회로 칩 및 시험치구 Assembly] (오른쪽)

 

참고2

기존 서큘레이터와 ETRI 스위치 비교

 

<부피를 450배 이상 소형화 가능하며 모듈 무게도 10% 이상 감량 가능>

참고3

GaN 스위치 집적회로 기술 비교

 

 

● 삽입손실은 스위치가 “ON” 상태에서의 경로 손실을 뜻함
● Max Input Power는 스위치가 “ON” 상태에서 스위치가 전달할 수 있는 최대 입력 전력
● Isolation은 스위치가 “OFF” 상태 경로 방향으로의 경로 손실을 뜻함
(예) 스위치가 송신 경로로 신호 전달할 때, Isolation 30dB(0.1%, 1000배 작은 신호)는 송신 경로로 입력전력의 0.1%만 수신단으로 전달된다는 의미로 클수록 좋음
● Control Voltage는 스위치를 ON/OFF 하기 위한 제어 전압임