무선통신을 이끄는 RF GaN 반도체

[테크월드뉴스=박예송 기자] 대부분의 디지털 기기는 무선통신을 통한다. 이런 무선통신을 가능하게 하는 기술로는 RF(Radio Frequency)가 있는데 5G 등 무선통신 기술이 고도화되면서 RF에 사용되는 반도체 개발도 필요시 되고 있다. 특히 무선통신 시스템에 쓰이는 장치는 전력이 중요한 역할을 하는데 GaN(질화갈륨) 반도체와 같은 전력 반도체 개발에 주목하고 있다.

▶무선통신의 핵심 기술 RF

RF는 전자파를 이용해 무선시스템을 만드는 기술이다. 예를 들어 대표적 무선시스템인 안테나에서 전파를 전달하기 위한 각종 회로, 구조물, 주변장치 전반을 RF라고 볼 수 있다.

RF 애플리케이션에서 중요한 설계 구성 요소 중 하나는 전력증폭기(PA : Power Amplifier)다. 무선은 공중에서 신호를 주고받는 방식이기 때문에 유선보다 감쇠나 잡음이 심하다. 때문에 신호를 멀리 전달할 수 있도록 증폭기를 사용한다. 신호를 내보낼 땐 먼 곳까지 전달하기 위해 증폭하고 신호를 받을 때는 전달 과정에서 작아진 신호를 다시 증폭시킨다.

특히 5G와 같은 새로운 네트워크 시대에 접어들면서 이런 RF 장비 또한 새로운 통신 반도체 기술이 요구되고 있다. 업계에서는 고출력 RF 전력증폭기 소형화와 고효율화를 실현하기 위한 기반으로 GaN 반도체에 주목하고 있다.

▶전력소자로 유리한 GaN 반도체

기존의 반도체 웨이퍼 소재는 Si(실리콘), GaAs(갈륨비소)가 일반적이었으나 이런 소재들은 5G 이동통신 등 기술 변화에 적용되기엔 효율, 내구성 등 한계가 있다. 또한 1인 가구의 증가 등 사회 분위기가 바뀌면서 스트리밍 서비스 수용의 급증, 비대면 서비스 선호와 같은 현상으로 고용량 트래픽 처리도 필요해졌다.

GaN 반도체 소재는 경쟁 기술인 Si, GaAs 및 SiC 소재 등과 비교해 전력 소자로 적용하기에 유리한 장점들이 있다. 전자가 이동하는 공간인 밴드 갭이 넓어 고온에서도 냉각시스템의 도움 없이 안정적으로 동작할 수 있다. 또한 기존 전력반도체에 비해 동작 저항이 낮기 때문에 동작에 따른 스위칭 손실과 시스템 소비전력을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 높은 내열 특성과 내전압 특성, 높은 전력 밀도 및 고주파 특성으로 ‘무선통신망 전력증폭기’, ‘위성 송수신 모듈’ 등 고주파용 트랜지스터에 적용 시 고효율 및 소형화가 가능하다.

현재 GaN 기반 RF 장치는 5G 기지국, 레이더 시스템 및 위성 통신에 널리 사용되고 있다. 또한 5G 이동통신이 요구하는 고효율, 광대역, 고전력 등 물리적 특성에 적합해 5G가 응용될 자율주행 차나 데이터 처리 트래픽 등에 응용될 예정이다.

GaN 반도체는 많은 장점을 가지고 있지만 전력 기기 소재로서의 GaN 발전이 더디고 수율이 낮아 높은 생산 비용이 문제였다. 그러나 최근 GaN 관련 조립 공정이 개선되고 수율이 증가하면서 개선되고 있다. 시장이 성장하고 GaN 수요가 증가하면 생산량 증대와 단가 인하로 이어질 것으로 에상된다.

▶지속적인 GaN 소재 및 부품 개발 필요해

RF GaN 전력반도체 소자의 글로벌 주요 기업으로는 스미토모 전기공업, 레이시온, 보쉬, ST마이크로일렉트로닉스, 히타치 제작소, 도시바, 미쓰비시 전기, 인피니언, 르네사스 일렉트로닉스 등이 있다.

그 동안 이동통신용 RF 부품산업은 주로 선진업체 부품이 시장의 대부분을 차지했으며 국내에서도 핵심 소자는 일본 등 국외 수입 의존도가 컸다. 그러나 최근에는 국내에서도 RF 소재 부품 개발을 위해 노력하는 모습을 보이고 있다.

SK는 자회사 SK파워텍, RFHIC와의 합작회사를 설립해 SK실트론의 GaN 웨이퍼로부터 (GaN on SiC), GaN on Diamond 개발, 생산까지 GaN 밸류체인을 구축하고 있다. 또한 DB하이텍은 에이프로세미콘과 협업을 통해 5G RF향 GaN 전력반도체 개발을 진행 중에 있다. 시지트로닉스는 2022년 ETRI와 협력해 무선통신 및 레이더용 RF 전력 소자 국산화에 성공하기도 했다.

특히 군사용 레이더 등 고출력 제품을 요구하는 방산 기업에서는 높은 비용에도 불구하고 GaN 반도체가 필수적으로 사용되는데 방산기업 한화에어로스페이스의 모회사인 한화는 현재 그룹 주도로 GaN 전력 반도체 사업을 추진하고 있다. 국내외 전력 반도체 소재 기업의 인수합병도 검토하고 있다.

RF GaN 관련 ETRI 보고서에서는 “소재 부품의 적기 수급의 어려움은 단말기나 장비 등 시스템 산업의 경쟁력을 저해하는 요인이 된다”며 “소재 및 부품에 관한 관심과 투자가 지속해서 이뤄져야 한다”고 전했다.