[IT비즈뉴스 양대규 기자] 5G 이동통신 시장의 성장과 함께 갈륨나이트라이드(GaN, 질화갈륨)의 활용가 늘고 있다. GaN은 5G 이동통신과 위성통신, 군사용 레이더의 고출력 RF 전력증폭기(PA)에 사용되는 소재다. 전기자동차나 데이터센터, 무선충전용 전력 모듈에도 사용된다.

GaN은 고출력 RF 전력증폭기 소형화와 고효율화를 실현할 수 있는 핵심소재로 쓰인다. 한국에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 'GaN RF·전력소자 기술'을 개발해 주목받고 있다.

IT조사업체 욜디벨롭먼트(Yole)가 'RF GaN 기술 및 시장 보고서'를 발표하며 GaN RF(Radio Frequency)IC 시장이 현재 7억4000만달러 수준에서 12%의 연평균성장률(CAGR)을 기록, 2025년까지 20억달러 이상으로 증가할 것으로 분석했다.

욜의 에즈기 도그무스 박사는 "지난 몇 년 동안 RF 애플리케이션은 GaN 기술이 구현되면서 힘을 얻었다"며 "주요 GaN RF 시장의 성장 동력은 통신과 방위 애플리케이션"이라고 말했다.

욜이 발표한 보고서에 따르면 통신 인프라에서 미국의 화웨이 관련 제재 여파로 지난해 GaN 기반 통신 시장이 둔화됐고 OEM 업체들은 향후 수년간 공급망 구조조정을 추진했다.

허나 장기적으로는 GaN의 수요가 크게 변하지 않을 것으로 봤다. 능동안테나시스템(AAS)에서 대역폭의 증가는 GaN 구현의 증가를 선호할 것이라는 이유다.

AAS는 기지국용 안테나의 소자마다 RF 능동형 모듈이 장착돼 소자간 진폭과 위상을 원하는 대로 조정할 수 있는 시스템이다. 5G의 핵심 기술 중 하나로 GaN이 필수로 사용된다.

욜은 군사 애플리케이션에서 국가 안보 향상을 위해 기존 시스템을 GaN RF로 바꾸면서 전체 시장이 증가할 것으로 분석했다.

레이더 장비는 장거리 표적을 탐지하는 핵심 기술로 정밀한 탐지 및 추적 성능을 위해 높은 출력이 필요하다.

기존 장비 전력을 제어하는 부품으로 진공관이 주로 사용되어 왔으나 수명이 짧고 발전기 등 큰 부속 장비가 필요해 구축비용이 높았다. 실리콘이나 탄화규소와 같은 다른 소재를 활용하면 충분한 출력을 내기 어려웠다.

욜 기술·시장 분석가 아메드 벤 슬리메인 박사는 "군사용 애플리케이션에서 레이더가 GaN의 주요 사용처"라며 "새로운 GaN 기반 AESA 시스템의 T/R 모듈 증가와 공중 시스템용 경량 기기의 엄격한 요구조건이 주요 원인"이라고 설명했다.

그는 총 GaN RF 군사시장이 2025년께 연평균성장률 22%를 이어가면서 11억달러를 넘어설 것으로 내다봤다.

국내에서는 GaN을 대부분 외국에서 수입해 사용했다. 일본 스미토모의 국내 시장점유율은 42% 수준이다.

ETRI는 S-대역 200W급 GaN 전력소자 기술을 개발했다. 소자의 설계부터 공정, 측정과 패키징까지 모두 국내 기술력으로 이룬 성과다.

ETRI에 따르면 이번에 개발한 S-대역 200W 전력소자 칩은 0.78mm x 26mm 크기의 전력소자 칩을 패키징해 구현했다. 성능도 이미 검증했다. 150W급 이상 높은 시스템 출력을 필요로 하는 레이더 개발에 많은 도움이 될 것으로 연구진은 기대하고 있다.

연구진은 향후 본 주파수 및 출력을 확장하고 민수 및 군수 핵심부품을 국산화하는 연구를 진행하는 한편, 전력소자와 더불어 주요 수출규제 품목 중 하나인 질화갈륨 기반 집적회로 개발 연구도 심화할 예정이다.

ETRI 강동민 RF/전력부품연구실장은 “국내의 우수한 설비와 연구진의 힘으로 고출력 GaN 전력소자 기술을 확보했다. 해당 기술이 반도체 핵심 부품 국산화와 외산 장비 잠식을 막는데 기여하길 기대한다”고 밝혔다.

업계는 미중 간 무역전쟁, 줄지 않고 생명을 이어가는 코로나19 팬데믹이 GaN의 성장세를 막을 수도 있다고 지적한다. 실제로 2개 사건 모두 반도체 업계를 흔들리며 시장 불확실성에 불을 지폈다.

중국은 5G를 포함한 통신 설비의 수요로 인해 현재 안테나 시스템에서 가장 큰 시장이며 앞으로도 몇 년간 지위를 유지할 것으로 관측된다.

허나 욜은 보고서를 통해 최근 화웨이에 대한 미국정부의 제재로 유럽과 다른 아시아 종합반도체업체(IDM), 파운드리에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 클 것이라고 분석했다.

단적으로 유럽 파운드리 UMS는 지난해 GaN RF 사업규모를 2배로 늘렸다. 미중 무역전쟁으로 화웨이와 ZTE의 자국 공급처 확보도 시급한 상황이다.

에즈기 도그무스 박사는 "바이러스 발생 후에도 중국 내 주요 통신사기업의 5G 구축 목표는 변함이 없다"며 "이번 바이러스 발생이 올해 GaN 시장에서 생각만큼 큰 영향을 미치지 않을 것으로 본다"고 전망했다.