보배드림

예전에 개념 정리 정도로 해서 발제 하려 했다가, 이래저래 꾸물대다 묵혀둔 글인데,

다시 자료를 취합 해서 올려 봅니다.

대략적으로 GaN RF 반도체 개념 이해, 용어 정리 정도로만 보시면 될껏 같습니다

GaN 반도체는 크게 전력용 과 RF용 두가지로 나뉘어 있습니다.

그중 AESA 레이더 개발의 필수품인 GaN RF 반도체 위주로 이야기를 하겠습니다.

◈ 레이더용 GaN RF 반도체 의 탄생.

GaN 반도체 기반 RF 전력증폭기가 개발 되기 전에는 TWTA

(Travelling Wave Tube Amplifier : 진행파관 전력증폭기) 라는게사용 됩니다만,
해당 기술은 1944년 영국에서 개발 된 유서 깊은 기술이다 보니 고색찬란한 진공관이 있습니다.

AESA 이전 레이더에는 웬만하면 다 달려있다 보시면 됩니다.

천궁 PEAS레이더, SPS-540K, 천마 레이더 등등 말 입니다.

대충 아래와 같이 생겼습니다.

TWTA의 문제 이자 단점이, 평균 고장 간격이 5000시간에 불과하여 수명이 짧고

부피도 많이 차지 하기에 열심히 대체제를 찾기 시작 합니다.

특히 국내에서는 TWTA가 전량 수입품 이고, 수리 기간은 몇 개월 단위에,

군사용 고주파 부품이다 보니 수출 통제품에 해당 되어, 관리에 애로사항이 꽤나 많습니다.

TWTA가 지닌 문제를 해결하기 위해 실리콘 LDMOS, GaAs를 이용한 반도체 기반의 

RF 전력증폭기인 SSPA(Solid State Power Amplifier)가 도입되기 시작 하였으며, 

TWTA를 SSPA로 대체함으로써 무기체계의 고성능화, 소형화, 경량화가 가능하게 되었습니다.

아래와 같이 생겼습니다.

사진 : GaN SSPA (가운데 회로도 같이 생긴 황색이 바로 GaN 파워칩 입니다.

하지만 실리콘 반도체는 낮은 주파수 대역에서는 높은 출력과 고효율의 특성을 가지고 있으나,

운용 주파수 한계로 인해 고주파수 대역에 적합하지 않고, 갈륨비소(GaAs) 반도체는 TWTA에 비해 

전력증폭 능력이 떨어지고, 열에 취약하다는 문제로 인해 고출력을 만들 내는데 한계점이 있었습니다.

이에 대응 미국의 민간연구기관들이 GaAS의 한계점을 극복하고자, 여러물질을 찾던 중 

GaN(질화갈륨)에서 기술적 가능성을 발견 합니다.

그리하여 미국 국방부 산하 DARPA(국방 고등 기술국)에서 2003년부터 2010년 까지

WBGS RF(Wide Bandgap Semiconductors -Radio Frequency)Program을 실시하여 

GaN 전력증폭소자의 군용 및 상용화에 성공합니다.

미국이 왜 GaN 반도체 핵심부분을 거의 독식하고 있는지 알수 있는 단편적인

부분이죠.

이후 전 세계에서 개발되고 있는 무기체계들은 대다수가 GaN 기반의 RF 반도체를 적용하고 있으며, 

이미 과거에 양산 되어 실전 배치가 완료된 무기체계 역시성능 고도화를 위해 유지보수 주기에 

맞추어 초기 개발시 적용된 TWTA,Si LDMOS, GaAs 반도체를 GaN 기반의 SSPA 또는 소자로 교체하는

사업이 광범위하게 진행되고 있습니다.

때마침 좋은 예시 기사가 있습니다.

“웨이비스, 대공 미사일 '천마' 핵심 부품 국산화”

https://v.daum.net/v/20250421110105366

웨이비스 라는 회사가 천마용 GaN 고출력 전력증폭기(SSPA: Solid-State Power Amplifier) 개발 

하여 천마의 TWTA를 교체 했다는 내용 입니다.

다른예 로는 윤영하급 의 SPS-540K 개발시 GaAS 기반도 검토하였지만,

고출력의 X-band 사용으로 열취약성 문제로, LIG Nex1에게 익숙한 기술이였던, 

고출력에 유리한 TWTA로 개발합니다.

그러나 위에 언급한 TWTA 문제로 GaN SSPA로 교체하여, SPS-560K라는 명칭을 부여 받습니다. 

다음편 부터는 본격적으로 GaN RF 반도체 용어 부터 생산 그리고 AESA 레이더 어떻게

적용이 되는지 몇편에 걸쳐 다뤄보도록 하겠습니다.