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[생활속 과학이야기] 미래의 반도체, 질화갈륨

2020-04-30기사 편집 2020-04-30 07:42:22     

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첨부사진1정길호 ETRI 홍보실장
세계시장에서 우리나라 메모리 반도체(DRAM) 산업이 차지하는 바는 독보적이다. 세계시장에서 점유율이 74.7%나 된다. ETRI는 1989년 2월, 우리나라 최초로 4M DRAM을 개발했다. 벌써 30년이 넘었다. 삼성전자는 세계 1위 반도체 기업이 되었다. 2018년 3분기 매출이 65조 원, 영업이익이 17조 원이었다. 이중 반도체가 차지하는 비중은 24조 7700억 원 매출에 영업이익이 13조 6500억 원이었다. 그 당시 삼성의 매출액은 동년 국가 예산과 비교시 절반이 넘는 수치다.

반도체는 웨이퍼 소재로 주로 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)가 사용되어왔다. 하지만, 최근에는 소재가 갖는 한계로 인해 1990년대부터 질화갈륨(GaN) 반도체에 큰 관심이 모아지고 있다. 질화갈륨은 실리콘(Si) 소재와 비교했을 때 3배 이상 높은 항복전압 특성으로 고전압 전력반도체에 적합하다. 또 갈륨비소(GaAs) 소재 대비 7배 이상 높은 전력밀도 특성으로 통신시스템 소형화 및 고효율화에 유리해 고속 동작에서 발생하는 열에 강한 특징이 있다. 또한 실리콘에 비해 에너지 차이(밴드 갭)도 3배나 뛰어나 고온 고전압 유지에도 유리하다. 400도나 되는 고열에서도 견뎌내고 신호처리 속도도 기존 소자 대비 10배 이상 빠르다. 그래서 칩으로 만들었을 때 크기도 대폭 줄일 수 있게 된다. 이러한 특징으로 "질화갈륨은 미래의 실리콘이다"고 불리기도 한다.

본 소자는 그동안 일본에서 수입을 많이 해왔다. 드디어 국내 연구진이 '3.5GHz 주파수 대역 200와트급 GaN 전력소자'를 소자 설계부터 공정은 물론, 측정 및 패키징까지 모두 국내 기술력으로 만들어 내는 쾌거를 이뤘다. 연구진은 0.78mm x 26mm 크기의 전력소자 칩을 패키징해 성능검증도 마쳤다. 이번 연구진의 개발로 반도체·디스플레이 등 수입 장비 의존도를 크게 줄이는 것은 물론 일본 수출 규제 대응에도 큰 힘이 될 것으로 보인다. 향후 본 소자는 군사용 및 선박용 레이더 장비, 위성통신, 이동통신 기지국 및 중계기 등에 주로 쓰일 전망이다.

최근 애플의 경우도 질화갈륨 소재를 이용해 스마트폰의 고속충전기에 활용키로 했다고 발표한 바 있다. 충전기 크기를 대폭 줄여 빠른 충전이 가능할 것으로 보인다. 파운드리 업계 1위인 대만의 TSMC 또한 질화갈륨 기반 반도체를 생산키로 했다는 소식이다.

세계최고의 전투기중 하나인 스텔스 전투기는 가장 핵심기술이 레이더이다. 레이더 장비의 경우, 장거리 표적을 탐지하기 위해 정밀성, 추적 성능을 위해 높은 출력이 필요하다. 연구진은 그동안 미국, 일본만 개발에 성공한 AESA 레이더용 질화갈륨 집적회로(MMIC) 및 5G 밀리미터파대역(28GHz) 기지국용 질화갈륨 집적회로(MMIC)도 개발해 세상을 깜짝 놀라게 했다. 연구진은 향후 질화갈륨 소자의 동작주파수 및 출력을 더욱 향상시킨 민수 및 군수 핵심 부품을 국산화하는 연구를 진행할 예정이다. 고출력, 고전압, 고효율 특성을 지니는 GaN 전력 소자는 이제 차세대 반도체 핵심 재료가 명백해 졌다. 연구진의 선제적인 기술개발을 통해 기술독립에 나서야 한다. 아울러 원천기술 개발을 통해 일본 수출규제 품목도 하나씩 접수해야 할 시점이다. 기술의 독립만이 살 길이기 때문이다. 정길호 ETRI 홍보실장



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