오늘날 기술의 발전은 상상할 수 없을 정도로 빠르게 이루어지고 있다. 몇 년 전만 해도 고급 군사 장비와 위성통신에서나 사용되던 혁신적인 기술이 이제는 우리 일상속으로 스며들어 다양한 산업에 영향을 끼친다. 그 대표적인 사례가 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기술이다. 이 글에서는 GaN 기술의 발전 과정과 특성, 기존 반도체 소자와의 비교를 통해 기술적 우위를 살펴보고, 그것이 충전기와 레이더 분야에서 어떻게 구현되고 있는지 구체적으로 설명하고자 한다.
서론
오늘날 기술의 발전은 상상할 수 없을 정도로 빠르게 이루어지고 있다. 몇 년 전만 해도 고급 군사 장비와 위성통신에서나 사용되던 혁신적인 기술이 이제는 우리 일상속으로 스며들어 다양한 산업에 영향을 끼친다. 그 대표적인 사례가 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 기술이다. 이 기술은 불과 십여 년 전까지만 해도 고가의 군사 장비나 위성통신에만 쓰이던 고출력 반도체 기술이었다. 그러나 지금은 손바닥만 한 스마트폰 충전기부터 고속 미사일을 유도하는 다기능 레이더에 이르기까지 다양한 전자 시스템에서 핵심 역할을 수행하고 있다. 전혀 다른 분야처럼 보이는 두 기술, 고속 충전기와 고성능 레이더는 사실상 동일한 소자 기술에 기반해 성능을 끌어올리고 있다.
GaN은 높은 전압, 고출력, 고주파 동작을 동시에 만족하는 전력 소자이자 RF 증폭 소자이다. 고속 충전기에서는 고효율·소형화를 가능케 하며, 레이더 시스템에서는 장거리 탐지와 전자전 대응력 향상에 기여하고 있다. 이 글에서는 GaN 기술의 발전 과정과 특성, 기존 반도체 소자와의 비교를 통해 기술적 우위를 살펴보고, 그것이 충전기와 레이더 분야에서 어떻게 구현되고 있는지 구체적으로 설명하고자 한다.
직접회로 소자 GaN
GaN은 원래 청색 LED나 자외선 레이저 다이오드용 소재로 개발되었다. 그러나 넓은 밴드갭, 높은 전계 강도, 전자 이동도 등의 특성이 알려지면서, 고출력·고주파 전력 소자로서의 가능성이 주목받기 시작하였다.
기존의 대표적인 RF 및 전력 반도체 소자로는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 실리콘 카바이드(SiC)가 있다. 이들 소자는 각각 특정 용도에서 성능을 발휘해왔지만, 근본적인 한계도 존재하였다. 예를 들어 실리콘은 저비용 대량 생산에 적합하지만, 항복 전압과 주파수 특성이 제한적이어서 고출력·고주파 응용에는 부적합하다. GaAs는 실리콘보다 고속·고주파 특성이 뛰어나 RF 분야에서 널리 쓰였지만, 열 전도성이 낮고 고전압을 견디기 어렵다는 단점이 있다. SiC는 열 안정성과 고전압 동작에 강점을 가지지만, 주파수 특성이 제한된다.
반면 GaN은 이들 소자의 장점을 대부분 갖추면서도 단점을 극복한 소자이다. 항복 전계는 Si 대비 약 10배, GaAs 대비 5배 이상 높으며, 고주파에서도 안정적인 동작이 가능하다. 전자 이동도 역시 GaAs에 근접하면서도 고전력 동작이 가능해, RF와 전력 변환 양쪽에서 모두 우수한 성능을 보인다. 또한 고온 동작 특성이 뛰어나 냉각 부담을 줄일 수 있으며, 고속 스위칭이 가능해 회로 소형화에 유리하다.
작고 빠른 고속 충전기, 그 뒤에 숨은 GaN의 힘
스마트폰이나 노트북 사용자라면 고속 충전기의 성능이 얼마나 향상되었는지를 체감하고 있을 것이다. 최근 충전기는 출력은 강력해졌지만 크기와 무게는 오히려 줄어드는 경향을 보이고 있으며, 이는 GaN 기술 도입에 따른 결과이다.
GaN 기반 스위칭 소자는 매우 빠른 전류 제어가 가능하다. 이는 기존 실리콘 대비 훨씬 높은 스위칭 주파수로 회로를 설계할 수 있다는 것을 의미한다. 스위칭 주파수가 높아지면 충전기에 들어가는 변압기, 인덕터, 커패시터 등 수동소자의 용량을 줄일 수 있고, 이로 인해 전체 충전기의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 동시에 전력 손실이 감소하고 발열도 줄어들어 방열 설계가 단순해진다.
그 결과, 손바닥만 한 크기의 GaN 충전기에서도 65W, 100W 이상의 고출력을 구현할 수 있으며, USB-PD(파워 딜리버리) 표준을 통해 다양한 기기를 빠르게 충전할 수 있다. 이와 같은 기술 덕분에 소비자는 하나의 작고 가벼운 충전기로 노트북, 스마트폰, 태블릿을 동시에 충전할 수 있는 편리함을 누릴 수 있게 되었다.
그림 1. Si 충전기 vs GaN 충전기
충전기 시장에서의 GaN 도입은 기술적 효율뿐만 아니라 산업 구조에도 변화를 불러왔다. 대량 소비재 제품에 GaN이 본격적으로 채택되면서, GaN 소자의 생산 단가가 급격히 하락하였고, 이는 다시 고성능 분야로의 확산을 가속화하는 계기가 되었다.
고성능 레이더 시스템의 도약
GaN은 레이더 기술에서도 핵심적인 변화를 주도하고 있다. 특히 능동형 위상 배열 레이더(AESA)는 수백~수천 개의 송수신 모듈로 구성되며, 각 모듈이 고출력 RF 신호를 빠르게 증폭하고 송신해야 한다. 이때 GaN 소자는 기존 GaAs나 LDMOS 트랜지스터보다 훨씬 높은 출력과 주파수 대역을 제공한다.
GaN 기반 TR 모듈은 고전압 구동에도 열 발생이 적고, 소형화가 가능하여 항공기·미사일 탑재형 레이더에서 특히 유리하다. S-밴드, X-밴드, Ka-밴드 등 고주파 대역에서도 안정적인 동작이 가능하며, 정밀 추적, 고속 빔 조향, 장거리 탐지 성능이 향상된다. 실제로 GaN은 패트리엇 PAC-3, L-SAM, CIWS 등의 첨단 무기체계에서 AESA 레이더의 핵심 부품으로 채택되고 있다. 이들 시스템은 고속 탄도체 요격과 다중 표적 대응을 위해 초고속 신호처리와 강력한 전파 송신 능력을 요구하는데, GaN이 이를 가능하게 한다.
특히 GaN 레이더는 전자전 대응 능력에서도 탁월한 성능을 보인다. 고출력·고속 스위칭 특성을 활용해 외부의 재밍(Jamming) 신호를 실시간 분석하고 대응할 수 있으며, 전파 간섭 속에서도 표적 탐지와 추적을 유지할 수 있다. 최신 다기능 레이더는 탐지, 추적, 교란 대응, 유도탄 사격지시까지 단일 시스템 내에서 통합적으로 수행하는데, GaN이 이 모든 기능의 기반이 되고 있다.
이외에도 GaN 기술은 소형 위성용 관제 레이더, 해상 감시 레이더, 드론 탐지 시스템 등 다양한 응용 분야에 빠르게 확산되고 있으며, 앞으로는 인공지능 기반 센서 융합 체계에서도 중요한 역할을 하게 될 것으로 기대된다.
공통된 기술 기반이 이끄는 산업적 시너지
충전기와 레이더는 사용 환경과 목적이 완전히 다르지만, GaN이라는 공통된 기술을 통해 산업적 시너지를 만들어가고 있다. 소비자 전자기기의 대량 생산은 GaN의 생산 단가를 낮추고, 고신뢰성 시스템에서의 성능 검증은 민간 응용에서도 안정성을 높여주는 효과를 낳는다.
이러한 양방향 확산 구조는 과거 실리콘이 산업 전체를 바꾸었던 것과 유사하다. GaN 기술은 전력전자, 통신, 국방, 우주항공 등 다양한 분야에서 동시다발적으로 적용되고 있으며, 그 결과 산업 간 경계가 허물어지고 기술 융합이 가속화되고 있다.
그림 2. GaN 기술 발전 연대표
국내 반도체 업계도 GaN을 미래 성장동력으로 주목하고 있으며, 고신뢰성 GaN 소자 개발과 수출형 레이더 시스템 통합을 위한 연구개발 투자가 이어지고 있다. 한국형 요격 시스템(L-SAM)과 함께 성장하는 GaN 생태계는 기술 자립성과 방산 경쟁력을 높이는 데도 기여할 수 있을 것으로 보인다.
결론
GaN은 단지 반도체 소재에 그치지 않는다. 그것은 충전기의 작고 빠른 진화를 가능케 한 기술이자, 첨단 무기체계를 가능케 한 전략적 자산이다. 고속 충전기와 고성능 레이더라는 전혀 다른 기술이 하나의 소자 기술에 의해 연결되고 있다는 사실은, 오늘날 기술 발전이 분야를 넘나들며 확장되고 있다는 것을 보여주는 좋은 예라 할 수 있다.
그림 3. GaN 응용 분야
앞으로 GaN은 더 높은 전력 밀도, 더 빠른 반응 속도, 더 강력한 내구성을 요구하는 거의 모든 전자 시스템에서 중심적인 위치를 차지할 것이다. 그것이 실리콘을 대체하든, 혹은 그와 병행하든 간에, GaN은 21세기 전력전자와 RF 시스템의 진화를 주도할 것이다.
GaN은 기술과 기술을 잇고, 일상과 방위를 연결하며, 소재 하나로 산업 전체의 방향을 바꾸고 있다. 이 작은 반도체가 만들어내는 변화는 이제 시작일 뿐이다.