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ETRI DMC융합연구단, 레이더 반도체 송·수신기용 질화갈륨 스위치 집적회로 기술 국내 최초 개발

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최민경 기자
기사입력 2020-11-24

 

 사진=ETRI


[이코노믹포스트=최민경 기자] 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 일환으로 설립된 ETRI DMC융합연구단(주관기관 ETRI)은 24일, ‘특정 주파수 대역에서 활용 가능한 레이더 반도체 송·수신기용 질화갈륨(GaN) 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 , 에이사) 전단부 등에 쓰일 수 있는 레이더 기술을 개발했다. 
 
레이더의 송·수신기는 송·수신 스위치, 전력증폭기, 저잡음 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 서큘레이터는 특성상 송·수신 모듈 수천 개가 사용되어 큰 부피로 인해 레이더를 제작하는데 부담이 있었다. 이에 최근 서큘레이터 기능을 반도체 칩으로 구현하는 단극쌍투(SPDT)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 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. EP
 
cmk@economicpost.co.kr
이코노믹포스트 최민경 취재부 기자입니다. "미래는 타협하지 않는 오늘이 만듭니다"
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