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매일같이 콘텐츠가 쏟아지는 시대.
이 무수한 정보들을 실어 나르는 것은 다름아닌 ‘전파(電波)’다. 줄이나 수면을 통해 전해지는 파동이나 공기를 타고 흐르는 음파와 다르게 ‘전파’는 우주 같은 無의 공간에서도 퍼질 수 있단다. 그렇다면 지구에서는 어떨까?
이곳은 모든 디지털 기기가 무선으로 통하는 곳이다. 무선이라는 시스템을 어떻게 만드는지 해답을 쥐는 기술, 그것이 바로 RF(Radio Frequency)다. 보통 RF라 함은 전자파를 이용한 무선 시스템, 그중에서도 신호를 고주파로 올려서 각종 증폭 또는 필터링 등의 과정을 거쳐 보내고 받는 아날로그 신호처리 단을 일컫는다. 본래 RF는 저주파와 고주파를 통틀은 개념이었지만 최근 통신 주파수가 수백 MHz 부터 수 GHz 까지 초고주파 대역으로 올라가면서 고주파를 위한 장비 개발의 의미로 여겨지기도 한다.
여기 증폭기(Amplifier)가 있다. 말 그대로 신호를 크게 넓히고자 할 때 쓴다. 무선은 공중에서 신호를 쏘고 받다 보니 유선의 경우보다 감쇠나 잡음이 심하다. 그래서 신호를 내보낼 땐 멀리 잘 전달되라고 강하게 뻥튀기해서 보내고, 받을 땐 작아진 신호를 뻥튀기해서 받는다. 이것이 RF 분야에서 증폭기 역할이 중요한 이유다.
RF 송신 단은 적절한 만큼의 최대전력으로 신호를 방출해야 원하는 곳까지 멀리 보낼 수 있으므로 얼마만큼의 전력으로 증폭시키나 (PA, Power Amplification)를 고민한다. 반대로 수신 단은 먼 거리를 날아와 미약해진데다가 잡음도 섞인 신호를 쓸 만한게 만들어 내야 하므로 잡음을 최소화하면서 신호를 증폭시키는 (LNA, Low Noise Amplification) 방법을 고민한다. 즉, PA와 LNA가 RF amp의 핵심인 셈이다. 이 속에 자리잡은 RF 트랜지스터는 입출력 전류 변화 양상을 복사하여 확대하는데, 물결치듯 살짝 흔들리는 신호가 입력되면 출력에서는 신호의 내용을 유지한 채 수십 배 오버해 따라간다.
반도체 RF 전력증폭기에는 실리콘 기반의 LDMOS 트랜지스터와 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 과 같은 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 기반의 HEMT 소자가 주로 적용된다. GaN HEMT 소자는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si) 기판에 GaN Channel layer를 성장시켜 만든다. 이 중 질화갈륨(GaN)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)와 비교했을 때 와이드밴드갭과 고온 안정성의 특성을 가진다. *이동통신망 기지국 전력증폭기로 사용될 경우 실리콘(Si) LDMOS 대비 전력밀도가 10배가량 높고, 레이더, 위성 송수신 모듈에 사용될 경우 갈륨비소(GaAs) 전력증폭기 대비 8배가량 높은 전력밀도와 20% 이상의 효율성으로 탑재체의 경량화와 에너지 절감에 기여할 수 있다.
*ETRI, 2012 Eelctronics and Telecommunications Trends / Next Generation Energy Efficient Semiconductors : Status of R&D of GaN Power Devices
프랑스 시장조사기관 Yole Developpment가 19년 발표한 <Active and Passive Systems for Telecom Infrastructure 2019 report>에 따르면, GaN HEMT는 25년 RF 인프라시장의 약 20% 가량을 차지할 것으로 분석됐다. 이는 7년 전 $239M였던 수준에서 CAGR+12% 상승한 수치이며 LDMOS, GaAs, pHEMT 를 비롯한 상위 3개 그룹 중 가장 높은 성장세다.
GaN 파워 디바이스 산업의 규모는 이동통신 서비스가 변화할 때, 군 통신 장비가 개발 또는 교체될 때 혹은 테러나 전쟁 위협 등 전파 차단 수요 변화에 따라 결정된다는 말이 있다. 실제로 20년 $891M 규모였던 GaN RF 디바이스 시장은 26년 무려 $2.4B 규모로 CAGR+18%로 예측됐다. 특이한 점은 GaN RF 소자 시장의 약 90%를 방산(Defense)과 통신 인프라(Telecom Infrastructure)가 차지하고 있으며 5G Handsets의 급격한 성장세가 눈에 띈다는 것이다. 방산분야에서 GaN RF 소자는 주로 L-대역, S-대역, X-대역, Ku-대역, Ka-대역의 대공방어, 항공기, 무기 탐색, 선박, 기상, 이동통신 또는 방송 등 민/군수 분야 RF 전력 증폭기 소자로 이용된다. 이 중 X-대역 GaN 전력증폭기는 고해상도 레이더용 송신기, 선박 항해 레이더용 송신기에 많이 이용되며, Ku-대역 GaN 전력증폭기는 유도무기 탐색기용 송신기와 항공기 레이더용 송신기, 해상레이더용 송신기, 위성 통신용 지상 송신기 등에 응용되고 있다.
5G 이동통신 서비스가 출시되면서 GaN RF 분야는 더욱 주목받기 시작한다. 5G는 초고속, 초저지연, 초연결을 핵심으로 음성과 데이터에 국한됐던 이동통신의 한계를 넘어 모든 사물을 연결하고 산업의 디지털 혁신을 촉발하고자 시작되었다. 하지만 아직 한국은 진정한 5G를 찾고있다. 5G 주파수 대역이 6GHz 이하(Sub-6GHz)로 제한되어 밀리미터파(mmwave) 대역을 못 쓴다는 이유에서다.
대용량 데이터를 한번에 많이 보내려면 주파수 폭이 넓어야 한다. 주파수가 넓으면 속도도 빠르다. 2차선보다 8차선 도로를 탔을 때 길이 덜 막히는 것과 비슷하다. 하지만 비행기, 군사용, 방송용 등 주파수 용도가 빈틈없이 정해져 있다 보니 새로운 주파수를 확보하기란 쉽지 않다. 그런데도 새로운 밀리미터파 주파수를 쓰지 않는 이유는 특성이 좋지 못해서다. 저대역 주파수는 저용량이긴 하나 회절성이 좋아서 나무나 건물 같은 장애물을 만나면 휘어진다. 그래서 전송 범위가 넓다. 반대로 고대역 주파수는 대용량 정보를 빠르게 전송할 수 있지만 직진성이 강해서 장애물에 영향을 많이 받는다. 수분에 의한 감쇄도 커서 날씨가 궂은 날에는 통신 품질도 저하된다. 그래서 기지국을 많이 세워야만 한다.
모바일 기기가 할 수 있는 일이 많아질수록 네트워크 트래픽도 많아진다. 이렇게 되면 데이터도 체증이 생긴다. IoT(사물인터넷)의 발달로 복잡하게 연결된 에너지, 운송, 애플리케이션 등의 분야들은 시간이 흐를수록 더 빠른 데이터 전송을 요구할 것이다. OTT 서비스의 대중화, 비대면 문화 등으로 생겨난 시대적 특징도 밀리미터파 수요를 늘리는 요인이 됐다. 높은 대역폭으로 더 많은 용량을 제공해야 하다 보니 5G는 넓은 커버리지를 확보하고자 여기저기 기지국을 설치해야하기에 물리적인 비용부담이 크다. 같은 주파수 대역에서 더 많은 애플리케이션과 연결하려면 한 개의 기지국 셀 내에서 공간적으로 전자파를 분할해야 하므로 안테나도 촘촘해져야 한다. 5G가 제공하는 서비스가 기존 네트워크를 능가하면 할수록 이를 위한 추가적인 처리 성능도 필요해진 것이다.
5G에 필요한 전력 요구량이 몇 배 수준으로 늘어나다 보니 업계에서는 동일한 풋프린트 내에서 더 많은 전력을 제공하고자 전력 밀도를 끌어올리려는 요구가 크다. 이를 해결하려면 전력 변환 스테이지의 효율을 높여야 한다. 기존 실리콘(Si) 기반 전력 반도체에 SMD 패키징이 사용되면 전력 밀도와 열 밀도가 같이 높아진다. 그래서 스위칭 효율을 같이 높여줘야만 디바이스 동작 온도에 한계가 생기지 않는다.
이때 질화갈륨(GaN)이 활약한다. GaN은 실리콘보다 물리적 특성이 우수해 높은 주파수로 높은 전력을 스위칭하는 데 적합한 소재다. ON 저항이 낮고 스위칭 손실은 더 낮아서 전력 컨버터가 더 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있다. 이렇게 되면 스위칭 전원 장치에 요구되는 자기 소자의 크기도 작아져 전반적인 솔루션을 소형화시킬 수 있다. 부품 제조업체들은 전력 요구량이 늘어 기존 인프라에 부담이 가게 되자 전력 효율을 높여야만 하는 필수 과제에 직면했다. GaN은 이와 같은 상황에서 5G 네트워크 인프라 전력 변환에 사용하기 좋은 소재임에 틀림없다.
올해 6월 Radio Frequency&Microwave 분야의 가장 큰 행사로 꼽히는 IMS(International Microwave Symposium)가 콜로라도 주에서 열렸다. IMS는 더 흥미롭고 새로운 RF 솔루션을 찾기 위한 비즈니스의 장이다. 3일 동안 6,000명이 넘는 등록자와 400여 개 이상 출품업체가 참여해 규모적 파급력을 보여줬다. 방문객들은 열렬한 기술토론과 경쟁업체의 이슈를 파악하고자 이곳을 찾는다. 오랜만에 IMS를 찾은 아이브이웍스(IVWorks)도 다양한 엔지니어들을 만나 비즈니스적 기술토론을 이어갔다.
아이브이웍스는 GaN HEMT(소자)를 외주 생산하는 파운드리 및 IDM 업체에 제품을 제공하는 한국 유일의 GaN Epi-House Company다. AI, In 등의 사용에 자유롭고 doping 조절이 간편하여 GaN, AlGaN, InGaN, AIN 층과 p-doping, n-doping 층 등 에피 구조를 다양하게 성장할 수 있어 완벽한 고객 맞춤형 서비스를 지향한다. 재작년 GaN on SiC 대구경화의 성공을 발표하며 4인치 대비 2배 이상의 칩 생산 효율성을 보여 준 바 있다. 이번 IMS에서는 RF AP, Diodes, Switch, Capacitor 등 RF device와 RF Signal Analyzer, generator, Die bonder 등 RF 장비 비즈니스가 대중적이었으며, 상대적으로 희소성이 강한 소재 비즈니스를 선보인 아이브이웍스의 디스플레이에 많은 이들이 주목했다.
ⓒ 아이브이웍스(IVWorks)
특히, 오프라인에서 처음 선보인 N+-GaN Regrowth epiwafer에 대해 지나가는 이들의 많은 질문이 쏟아졌다. MBE 머신을 이용하여 성장이 끝난 에피 표면 위에 또 한번 재(re) 성장을 시킨 N+-GaN Regrowth는 최종 제품의 효율을 더 극대화 시키기 위한 제품으로 재 성장시킬 영역을 지정하여 제조하는 것이 가능하다. 100mm~200mm Si 또는 SiC 기판에 적용 가능하며 High Doping concentration (n=5.0e19~1.0e20/㎤)과 훌륭한 Side-Wall Contact 특성을 가진다.
GaN RF Power Device 분야는 이제 막 초기 시장을 형성하기 시작한 GaN DC Power Device 시장과 달리, 이미 GaN 소자가 시장의 일정 부분을 점유하며 5G 도입을 발판 삼아 빠른 기술대체가 진행되고 있다. 아이브이웍스는 급변하는 시장트렌드에 대응하고자 이미 대구경 GaN on SiC 선제 개발을 완료한 상태이며, 자체 인공지능 플랫폼 Lv.4 자동화 연구개발에 박차를 가하며 경쟁사와 차별화된 생산기술을 바탕으로 방산 및 통신 시장 고객을 확보중이다.
이곳, 지구는 산업의 전장화(戰裝化)가 끝나지 않는 곳이다. 산업 발전이 멈추지 않는 한 RF 부품의 스펙과 전력 효율 고민도 끝나지 않는다. 시장 우위를 선점하기 위한 신규 업체와 사업부의 등장, 소재 관련 투자 소식도 이어지고 있다. 특히, 산업 전반에 5G가 깊게 뿌리내리면서 GaN의 중요도가 부각되고 있다. 과연, 5G를 타고 산업 전반에 퍼지는 GaN의 한계는 어디까지일까.
Yoon-Seo Cho l Marketing Assistant at IVWorks
※ 본 칼럼은 기고자의 주관적인 견해로, 아이브이웍스의 공식 입장과 다를 수 있습니다.
참고문헌
ETRI, 차세대 GaN 고주파 고출력 전력증폭기 기술동향 (2014, 한국전자통신연구원)
ETRI, 5G 이동통신을 위한 GaN RF 전자소자 및 집접회로 기술 동향 (2021, 한국전자통신연구원)
동아사이언스, [세상을 바꿀 5G 이야기] ② 1초에 2GB씩 주고받는 밀리미터 웨이브 (2018.04.09.)