차세대 군용 레이더의 심장 : 고출력 GaN 기반 SSPA 기술

SSPA 개념 및 TRM 구성

SSPA(Solid-State Power Amplifier) 개념

SSPA는 진공관 대신 반도체 트랜지스터를 이용하여 고주파 전력 증폭을 수행하는 장치이다. SSPA는 진공관 기반 증폭기 대비 여러 핵심적인 장점을 제공한다. 첫째, SSPA는 진공관보다 훨씬 긴 수명과 높은 신뢰성을 자랑한다. 진공관의 수명이 최대 50,000시간인 반면, GaN 트랜지스터를 사용하는 SSPA는 1,000,000시간 이상의 평균 무고장 시간(MTBF)을 제공한다. 이는 부품 교체 주기를 획기적으로 늘리고, 시스템 가동 중단 위험을 최소화하여 데이터 수집의 연속성을 보장한다. 둘째, 트랜지스터 기반 설계는 소형화 및 내구성이 우수하며, 진공관 시스템에서 흔히 필요한 오일 탱크나 X-선 방사 위험이 없어 환경 친화적이다. 셋째, SSPA는 유지보수 효율성 및 비용 절감 측면에서 뛰어나다. 소모성 부품이 없으며, 내장된 중복성 덕분에 단일 트랜지스터 고장 시에도 시스템 전체 작동에 미치는 영향이 미미하여 유지보수 비용과 시간이 크게 절감된다. SSPA는 시스템 수명 동안 작동하도록 설계되어 장기적인 관점에서 탁월한 비용 효율성을 제공한다. 이러한 장점들 덕분에 SSPA는 군용 통신, 레이더, 위성 장비뿐만 아니라 기상 레이더 등 다양한 고주파 전력 증폭 시스템에 광범위하게 활용되고 있다[1].

진공관에서 SSPA로, 그리고 SSPA 내에서 갈륨비소(GaAs : Gallium Arsenide)에서 질화갈륨(GaN : Gallium Nitride)으로의 전환은 군사 시스템의 신뢰성, 효율성, 소형화를 향한 지속적인 기술 발전의 흐름을 보여준다. SSPA는 진공관 대비 훨씬 긴 수명, 소모성 부품의 부재, 내장된 중복성, 낮은 유지보수 비용 등의 이점을 제공하며, 이는 더욱 견고하고 신뢰성 높은 시스템으로의 전환을 의미한다. 나아가 GaN 기반 SSPA는 GaAs 대비 월등히 높은 전력 밀도, 효율성, 열 안정성을 제공하며 이러한 이점을 더욱 강화한다. 이러한 기술적 진보는 단순히 성능 향상을 넘어, 현대 군사 시스템이 요구하는 분산형 및 민첩한 작전 환경에 필수적인 기반을 제공한다[2].

TRM(Transmit/Receive Module) 구성

TRM은 AESA 레이더의 각 안테나 셀에 연결되어 독립적인 송수신 기능을 담당하는 구성품이다. AESA 레이더는 수천 개의 TRM으로 구성될 수 있으며, 각 TRM은 자체적인 송수신 기능을 수행하여 레이더 빔을 전자적으로 조향하고 다중 표적을 동시에 추적하는 등 복합적인 임무를 가능하게 한다. TRM의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

* 고출력 증폭기(High-Power Amplifier, HPA): SSPA가 바로 이 HPA로 활용되어 송신 신호를 원하는 전력 레벨로 증폭한다. HPA는 레이더의 탐지 거리와 전반적인 성능을 좌우하는 가장 중요하고 비용이 많이 드는 부분 중 하나이며, 동시에 열 발생의 주원인이기도 하다.

* 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA) : 안테나로부터 수신된 미약한 신호를 증폭하며, 시스템의 잡음 지수를 결정한다. LNA의 성능은 레이더의 민감도에 직접적인 영향을 미치므로, LNA와 안테나 사이의 손실을 최소화하는 것이 매우 중요하다. GaN 기반 LNA는 기존 GaAs LNA보다 훨씬 높은 피크 입력 전력을 견딜 수 있어, 경우에 따라 리미터 없이도 작동이 가능하여 시스템의 복잡성과 잡음 지수를 더욱 개선할 수 있다.

* 위상 변이기(Phase Shifter) : 각 안테나 소자의 신호 위상을 정밀하게 조절하여 레이더 빔의 방향을 전자적으로 조향한다. 송수신 공통 경로에 위치하는 경우가 많으며, 빔 조향의 정확성과 속도를 결정하는 핵심 요소이다.

* 전력 분배기/결합기(Power Divider/Combiner) : 송신 시에는 HPA의 출력을 각 안테나 소자로 효율적으로 분배하고, 수신 시에는 각 소자에서 들어오는 신호를 결합하여 LNA로 전달한다.

* 듀플렉서(Duplexer) / 서큘레이터(Circulator) : 하나의 안테나를 송신과 수신에 공유할 수 있도록 신호 경로를 분리한다. 송신 신호가 수신 경로로 유입되는 것을 방지하고, 안테나에서 반사되는 신호가 HPA로 돌아가는 것을 막아 성능 저하를 방지한다.

* 리미터(Limiter) : 송신 중 또는 강한 외부 신호 유입 시 LNA의 손상을 방지하는 역할을 한다.

* 감쇠기 (Attenuator) : 배열 전체에 걸쳐 진폭 테이퍼를 적용하여 사이드 로브를 줄이는 데 사용되며, 개별 소자의 진폭을 정렬하는 기능도 수행한다.

TRM의 모듈화된 특성은 AESA 레이더 시스템에 점진적 성능 저하 기능을 부여하여, 교전 환경에서의 시스템 복원력과 생존성을 크게 향상시킨다. AESA 레이더는 점진적 성능 저하라는 특성을 가지고 있어, 여러 TRM이 오작동하더라도 전체 시스템 성능에는 최소한의 영향만 미친다. 이는 각 TRM이 독립적인 소형 레이더 유닛으로 기능하는 AESA의 분산형 아키텍처에서 비롯되는 직접적인 결과이다. 기존의 중앙 집중식 레이더 시스템에서는 단일 구성 요소의 고장이 치명적인 시스템 손실로 이어질 수 있었지만, SSPA 기반 TRM의 모듈성은 시스템이 손상을 입은 후에도 효과적으로 작동할 수 있도록 보장한다. 이러한 내재된 복원력은 위협적인 환경에서 중요한 작전상 이점으로 작용하여 군사 플랫폼의 생존성과 임무 지속성을 향상시킨다.

GaN 기반 SSPA 기술의 우수성

GaN 기반 SSPA 기술이 적용된 TRM은 기존의 GaAs 기반 SSPA 기술이 적용된 TRM에 비해 다음과 같은 독보적인 기술적 장점을 제공하며, 이는 현대 군용 레이더 시스템의 성능을 혁신적으로 끌어올리는 핵심 동력이 된다. GaN 기반 TRM의 장점은 다음과 같다.

＊고출력 밀도

GaN은 GaAs 대비 월등히 높은 항복 전압을 가지며, 이는 동일한 칩 크기에서 5배에서 최대 10배 이상의 출력 전력을 생성할 수 있게 한다. GaN의 높은 항복 전압은 전력 증폭기가 더 높은 전압에서 작동할 수 있도록 하여, 회로에 필요한 전류를 비례적으로 감소시켜 시스템 효율성을 향상시킨다. 이러한 고출력 밀도는 레이더의 표적 탐지 거리를 1.5~2배 증가시키고, 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 개선하여 미약하거나 원거리 표적의 탐지 및 식별 능력을 향상시킨다. 이는 전장에서의 상황 인식 능력과 표적 처리 능력을 비약적으로 증대시킨다[2].

＊ 고온 안정성

GaN은 넓은 밴드갭(3.4 eV) 특성을 지녀, 기존 실리콘(Si) 트랜지스터의 약 150℃ 한계와 GaAs의 150℃ 이하보다 훨씬 높은 250℃ 이상, 심지어 400℃에 달하는 고온 환경에서도 안정적인 전력 손실 없이 작동할 수 있다. 이러한 특성은 냉각 시스템의 부담을 크게 줄여주며, 고고도 무인기나 전투기, 위성 등 열악한 고열 환경에서도 안정적인 동작을 보장한다. GaN의 높은 열전도도(약 1.3 W/cm·K)는 GaAs(0.46 W/cm·K) 대비 우수한 방열 성능을 제공한다. 특히 GaN on SiC(탄화규소) 기술은 SiC의 매우 높은 열전도도(490 W/m·K)를 활용하여 효율적인 열 분산을 가능하게 한다. 이는 고전력 밀도 환경에서도 소자의 온도를 안정적으로 유지하여 성능 저하를 방지하고 수명을 연장하는 데 기여한다.

＊ 광대역 작동

GaN은 2GHz에서 20GHz 이상에 이르는 넓은 대역폭에서 안정적으로 동작할 수 있으며, 뛰어난 주파수 가변성을 제공한다. 예를 들어, 2~15GHz 대역에서 평균 5.5W의 출력과 25%의 전력부가효율(PAE)을 달성한 GaN 전력 증폭기 연구 사례가 있으며, 2~20GHz 대역에서 35.3~38.6 dBm의 출력과 11.4%~31%의 PAE를 보인 사례도 있다. 이러한 광대역 특성은 단일 시스템으로 전자전, 통신, 탐지 등 복합적인 임무를 동시에 수행하는 데 매우 유리하며, 주파수 도약 등을 통해 적의 재밍 및 탐지를 회피하는 능력을 강화한다. 이는 현대 전장에서의 적응성과 생존성을 크게 향상시키는 요소이다.

＊ 고집적 및 소형화 가능성

GaN은 높은 전력 밀도와 효율성 덕분에 동일한 출력을 내기 위해 필요한 TRM의 수를 줄일 수 있으며, 이는 전체 시스템의 크기와 무게를 획기적으로 감소시킨다. GaN 기반 전력 증폭기는 기존 실리콘 기반 MOSFET보다 5~10배 작게 제작될 수 있다. 이러한 소형화는 차량형, 드론형, 위성형, 휴대형 등 공간 및 중량 제약이 심한 다양한 플랫폼에도 고성능 레이더 시스템을 탑재할 수 있게 한다. 이는 전술적 유연성을 극대화하고 새로운 형태의 플랫폼 개발을 가능하게 한다. GaN의 우수한 물성(넓은 밴드갭, 높은 전자 이동도, 높은 열전도도)은 개별적인 장점에 그치지 않고, 상호 시너지를 통해 전례 없는 전력 밀도, 효율성, 열 안정성을 가능하게 하며, 이는 다시 소형화와 광대역 작동을 촉진한다. 넓은 밴드갭은 더 높은 항복 전압을 허용하여 고출력 및 고온 작동을 가능하게 하고, 높은 전자 이동도는 온(ON) 상태에서의 더 높은 전도성을 제공하여 효율성을 향상시킨다. 특히 GaN-on-SiC 기술이 제공하는 높은 열전도도는 고전력 밀도 환경에서도 효과적인 열 방출을 가능하게 하여 소자의 과열을 방지하고 소형화를 가능하게 한다. 이러한 물성들의 복합적인 작용은 GaN 기반 TRM이 기존 기술 대비 5~10배 높은 전력 밀도와 50~65%의 효율(GaAs의 25~40% 대비)을 달성하는 등, 단순한 개선이 아닌 세대 간 도약을 이루게 한다. 이러한 양적 개선은 국방 분야에서 막대한 투자와 기술 전환을 정당화하는 핵심 요인으로 작용한다. 아래 표1은 GaN SSPA와 GaAs SSPA의 성능 비교를 요약한 표이다.

전장 적용성 및 전략적 효과

GaN 기반 SSPA 기술은 단순히 레이더 성능 향상을 넘어, 미래 전장의 양상을 변화시킬 수 있는 광범위한 전략적 효과를 제공한다.

＊ 장거리 탐지/정밀 추적 향상

GaN 기반 SSPA를 적용한 TRM을 사용하는 AESA 레이더는 고출력 밀도 덕분에 동일 출력으로 탐지거리를 1.5~2배 증가시킬 수 있다. 이는 적의 항공기, 미사일, 심지어 스텔스 표적까지도 더 먼 거리에서 조기에 탐지하고 정밀하게 추적할 수 있게 한다. 예를 들어, Leonardo의 RAT-31DL L-밴드 AESA 레이더는 GaN TRM을 통합하여 470km 이상의 탐지 거리를 제공하며, Northrop Grumman의 3DAdvantage S-밴드 레이더도 GaN 기술을 통해 장거리 탐지 및 고해상도 표적 식별 능력을 강화했다. 이러한 능력은 다수 표적을 동시에 추적하고 분류하는 데 필수적이며, 이는 방어 시스템의 반응 시간을 단축하고 요격 성공률을 높이는 데 결정적인 역할을 한다.

＊ 소형 플랫폼 통합 용이

GaN TRM의 높은 전력 효율성과 소형화 특성은 드론, 전술차량, 소형선박 등 공간 및 전력 제약이 심한 다양한 소형 플랫폼에 고성능 레이더 시스템을 통합할 수 있게 한다. 이는 기존에는 대형 플랫폼에서만 가능했던 감시, 정찰, 표적 획득 능력을 소형 플랫폼으로 확장시킨다. 소형, 경량화된 레이더 시스템은 무인 항공기(UAV) 및 무인 지상 차량(UGV)에 탑재되어 위험 지역에서의 정찰 및 감시 임무를 수행하거나, 전술 차량에 통합되어 기동 중에도 실시간 전장 상황 인식을 제공할 수 있다. 이러한 시스템의 확산은 정찰 전략 및 능력을 근본적으로 변화시키며, 더 유연하고 분산된 전술 운용을 가능하게 한다.

＊ 전자전 대응 능력 강화

GaN TRM의 광대역 작동 및 고출력 특성은 전자전 분야에서 탁월한 대응 능력을 제공한다. 광대역 출력을 통해 적의 통신을 방해하거나 능동 재밍에 효과적으로 대응할 수 있으며, 적의 방사 신호에 대한 실시간 반응 및 지능형 대응을 가능하게 한다. GaN 기반 증폭기는 높은 효율성, 소형화, 넓은 대역폭, 그리고 뛰어난 내구성을 제공하여 재밍 시스템의 성능을 크게 향상시킨다. 단일 GaN 증폭기로 여러 주파수 대역을 커버할 수 있어, 다양한 적 시스템에 대응하는 유연성을 확보한다. 이는 아군의 전자기 스펙트럼 사용을 보호하고, 적의 정보 우위를 약화시키는 데 필수적인 역량이다.

＊ 유지보수 효율성 증가

SSPA 기반 시스템은 진공관 대비 수명이 길고, 고장률이 낮아 유지보수 비용과 시간이 크게 절감된다. GaN 트랜지스터는 1,000,000시간 이상의 평균 무고장 시간을 제공하며, 소모성 부품이 없어 시스템 수명 동안 작동하도록 설계된다. 또한, 부품의 모듈화는 현장 교체 및 소프트웨어 기반 진단을 가능하게 하여, 시스템의 가동률을 높이고 운영 비용을 절감하는 데 기여한다. GaN 기반 시스템의 긴 수명과 낮은 고장률은 총 수명주기비용을 절감하는 중요한 요소로 작용한다. 초기 GaN 부품의 생산 단가가 GaAs 대비 다소 높을 수 있지만, 패키징 및 방열판 비용 절감으로 인해 전체 증폭기 비용은 오히려 낮아질 수 있으며, 장기적인 운영비 절감과 기능 확장성을 고려하면 충분한 투자 가치를 가진다.

GaN TRM의 향상된 역량(장거리 탐지, 다중 표적 추적, 전자전 저항성)은 현대 전장의 진화하는 요구사항과 직접적으로 부합한다. 이는 통합된 전력에 대한 빠른 상황 인식, 의사결정 우위, 그리고 더 높은 생존성을 가능하게 한다. 더 넓은 범위에서 더 많은 표적을 탐지하고, 레이더, 통신, 전자전 등 다양한 기능을 동시에 수행하며, 정교한 대응책에 저항하는 능력은 공중, 지상, 해상, 우주, 사이버 영역에 걸친 통합 작전을 위해 필수적이다. GaN TRM의 소형화 및 전력 효율성은 첨단 레이더 역량을 드론, 전술 차량과 같은 더 작고 분산되며 탐지하기 어려운 플랫폼으로 확산시키는 것을 가능하게 하여, 전력 투사 및 정찰 전략을 근본적으로 변화시킨다. 이는 단순히 레이더를 드론에 탑재하는 것을 넘어, 새로운 전술 개념을 가능하게 한다. 작고 은밀하며 다수의 GaN 레이더를 장착한 플랫폼은 분산형 감시를 제공하고, 적대적 환경에서 작전하며, 적을 압도할 수 있어, 대규모 중앙 집중식 자산에서 벗어나 더욱 복원력 있고 분산된 네트워크로의 전환을 촉진한다.

향후 과제 및 전망

기술적 과제

GaN 기반 SSPA 기술은 무한한 잠재력을 가지고 있지만, 완전한 상용화와 광범위한 적용을 위해서는 몇 가지 기술적, 경제적 과제를 해결해야 한다. GaN 소자의 수율 향상 및 제조 공정 안정화는 여전히 중요한 과제이다. 현재 GaN 소자 생산은 GaAs나 Si 소자 대비 복잡하고 비용이 많이 들며, 높은 수율을 확보하는 것이 관건이다. 또한, 고밀도 배열 시 발생하는 열 관리 및 신호 간섭 문제 해결이 필요하다. 레이더나 군수장비에서 주로 쓰이는 고출력 고주파 소자이며, GaN 소자의 한 종류인 GaN-HEMT 전력 소자는 고전력 작동 시 자가 발열 효과, 불균일한 열 분포, 열 응력 등의 열 문제를 겪을 수 있으며, 이는 소자의 신뢰성과 전기적 성능에 영향을 미친다.

이러한 기술적 과제들은 상호 연결되어 있다. 예를 들어, 열 관리 문제를 해결하는 것은 소자의 신뢰성을 높이고 더 높은 전력 밀도에서의 작동을 가능하게 하여, 결과적으로 수율 향상에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 소자 구조 최적화, 패키징 기술 개선 등의 다양한 연구 개발 접근 방식이 필요하다. 이를 통해 GaN 기술의 잠재력을 완전히 실현할 수 있다.

경제적 과제

GaN 소자의 초기 생산단가는 GaAs 대비 1.5~2배 수준으로 다소 고가이다. 그러나 장기적인 운영비 절감과 기능 확장성을 고려할 때 충분한 투자 가치를 지닌다. GaN 기반 증폭기는 패키징 및 방열판 비용 절감으로 인해 전체 시스템 비용을 낮출 수 있으며, 높은 효율성과 긴 수명은 전력 소비 감소 및 유지보수 비용 절감으로 이어진다. 2020년 이후 GaN 기반 기술의 비용 효율성이 개선되면서, 실리콘 기반 소자와 경쟁할 수 있는 수준으로 가격이 하락하고 있다. 이러한 추세는 GaN 기술의 시장 확대를 가속화할 것이다.

향후 발전 전망

GaN 소자를 이용한 SSPA가 적용된 TRM 기술은 향후 5년 내 모든 차세대 AESA 레이더 및 지능형 센서 플랫폼에 광범위하게 적용될 것으로 예상된다. 특히 인공지능 기반 신호처리 기술과의 결합은 GaN 기반 센서의 발전 방향에서 핵심적인 요소이다. AI는 레이더가 방대한 데이터를 처리하고, 표적을 더욱 정확하게 식별하며, 전장 환경에 동적으로 적응할 수 있도록 한다. 이를 통해 GaN 기반 센서는 전장의 ‘뇌’와 ‘눈’ 역할을 수행하게 될 것이며, 실시간 의사결정 및 자율 작전 능력을 크게 향상시킬 것이다. 이러한 AI 기반 레이더 기술은 단순히 기술적 업그레이드를 넘어 전략적 필수 요소로 부상하고 있다. 미래 군사 센서는 단순한 탐지 및 추적을 넘어, 지능형 정보 처리와 상황 인식을 통해 전장의 복잡성을 관리하고, 의사결정 주기를 단축하며, 궁극적으로는 전투 우위를 확보하는 데 기여할 것이다.

결론

GaN 기반 SSPA 기술은 AESA 레이더의 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 핵심 기술이다. 고출력, 고효율, 고온 안정성, 광대역 작동, 그리고 소형화 및 고집적화 가능성이라는 독보적인 특성은 공중, 지상, 해상, 우주 등 전장의 모든 영역에서 탁월한 효용을 제공한다. 이러한 기술적 우위는 장거리 탐지 및 정밀 추적 능력 향상, 소형 플랫폼으로의 첨단 레이더 통합 용이성, 강력한 전자전 대응 능력, 그리고 장기적인 유지보수 효율성 증대라는 전략적 이점으로 직결된다. 특히 현대 전장에서, 고출력 센서의 소형화와 지능화는 생존성과 임무 완수에 직결된다. GaN TRM 기술은 단순히 반도체의 진화가 아니라, 미래 전장의 판도를 바꾸는 게임 체인저로서, 우리 군의 감시·정찰·전자전 능력을 한 차원 높이는 역할을 할 것이다. 현재 전 세계 주요 방산 강국들이 GaN TRM 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 한국 또한 KF-21 AESA 레이더, L-SAM 다기능레이더 등 핵심 무기체계에 GaN 소자를 적용하며 국산화 및 기술 선도를 위해 노력하고 있다.

물론 GaN 소자의 수율, 열 관리, 초기 비용 등 해결해야 할 과제들이 남아있지만, 지속적인 연구 개발과 공정 개선을 통해 이러한 문제점들은 점차 극복될 것이다. 특히 AI 기반 신호처리 기술과의 융합은 GaN 기반 센서가 미래 전장의 '뇌'와 '눈'으로서 지능형 자율 작전을 가능하게 하는 핵심 동력이 될 것이다. 국방기술품질원은 이러한 GaN 기반 SSPA 기술의 중요성을 인식하고, 지속적인 품질 관리 및 기술 지원을 통해 우리 군의 첨단 무기체계 확보에 기여해야 할 것이다.