땡칠이 씨리즈 42탄 MMIC 칩 (AESA Part 2)

지난 번에 T/R 모듈은 3개의 MMIC 칩과 1개의 VLSI 칩으로 구성되어 있다고 설명드렸습니다. MMIC 칩은 Monolithic microwave integrated circuit 의 약자이지요. 다음과 같은 3 부분으로 T/R 모듈을 구성합니다.

- High-power Amplifier(HPA)
- LNA plus protection circuit (receiver front-end)
- Variable gain-controlled Amplifier and variable phase shifter

T/R 모듈 관련하여 한 번 설명을 드렸었는데 많은 분들이 이 MMIC 칩에 대해서 궁금하게 생각하여, 이번 기회에 자세히 설명을 하겠습니다.
먼저 능동소자와 수동소자에 대한 설명부터 시작하지요. 전자 회로를 구성하는 부품들은 크게 능동소자(Active Components) 와 수동소자(Passive Components)로 나뉘지요.

(1) 능동소자 - 자체적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 소자입니다. 전력증폭, 발진 회로 등을 만들 수 있지요. 여러분도 잘 아는 트랜지스터나 다이오드가 여기 해당합니다.

(2) 수동소자 - 자체적으로 전기 에너지를 증가시키지 못하는 소자입니다. 저항,케퍼서티, 인덕터 등이 이에 해당하지요.

능동소자의 대표는 단연 트랜지스터입니다. 여러분도 잘 아시는 실리콘 게르마늄 반도체 트랜지스터들이 벌써 오래전에 전자혁명을 이끌었지요. 허나 이 실리콘으로 만든 트랜지스터는, 군사분야, 특히 레이더나 전자전 장비, 유도체계의 시커 등을 개발하던 엔지니어들에게는 골치 아픈 문제들을 남겼습니다.

일반 민수용 전자장비와 달리 군사용 트랜지스터는 다양한 주파수대를 커버할 수 있을 것과 고출력을 발생시킬 것을 요구하는데, 실리콘 트랜지스터로는 도저히 이런 요구를 맞출 수가 없었지요. 재료적 한계에 다다르자, 새로운 재료를 찾기 시작합니다. 그래서 찾은 것이
여러분도 잘 아는 갈륨비소 또는 비화갈륨(GaAs - Gallium Arsenide) 이라고 부르는 반도체였지요. 이걸로 트랜지스터를 만드는데 성공합니다.

그것이 갈륨비소 트랜지스터입니다. 전기가 전자의 흐름이라는 건 다 알 겁니다. 이 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터 보다 전자(electron)을 6배까지 더 많이 운반시킬 수 있는 특성을 지녔지요. 말할 것도 없이 전기적으로 많은 장점을 갖게 되지요. 이같은 특성을 electron mobility 라고 합니다.

그래서 HEMT 라고도 부릅니다. High Electron Mobility Transistor 의 약자지요. 허나 이 갈륨비소 트랜지스터는 과전류나 자체 발생하는 열에 대단히 취약한 약점이 있습니다. 트랜지스터는 실리콘 반도체의 경우와 같이 좁은 면적에 많은 양을 집적시켜 사용해야 효과적입니다. 바로 IC(Intergated Circuit, 집적회로) 이지요. 헌대 이 갈륨비소 반도체는 이러한 재료적 취약성 때문에 실리콘 집적회로를 만드는 단순한 드로잉 기법으로는 집적회로를 완성시킬 수 없었지요. 결국 많은 시행착오를 거친 후에 IC 화가 가능하게 됩니다.

이제 MMIC 칩으로 돌아옵시다. 이 갈륨비소 트랜지스터와 수동소자인 저항, 인덕터, 캐퍼서티 등을 아예 하나의 반도체 기판위에 일괄공정으로 집적하여 칩을 만들게 되는데, 이걸 바로 MMIC 라고 부릅니다. 제조공정은 복잡하고 어렵지만, 소형 경량화와 생산수율을 크게 높일 수 있게 됩니다.

MMIC 칩에서 주의해야 할 점은 민수용과 군사용을 구별해야 한다는 것이지요. 민수용 제품들은 대게 일본 업체들이 시장을 장악하고 있는데, 휴대폰의 전력증폭기, 위성통신기, 위성방송 수신기, 디지털 TV 등에 주로 사용됩니다.
민수용 MMIC 재료로는 GaAs, InP(Indium Phosphide, 인화인디움) 그리고 저가 제품으로 시장을 확장중인 SiGe(실리콘 게르마늄) 등이 이용됩니다.

반면 군사용은 미국계 업체들이 장악하고 있는데, 일본, 유럽 등이 생산한 MMIC 칩보다 훨씬 앞선 기술력을 자랑합니다. 군사용 MMIC 칩 재료는 아래와 같지요.

(1) GaAs
(2) GaN (Gallium Nitride, 질화갈륨)
(3) SiC (Silicon Carbide, 탄화실리콘)

재료적 특성은 GaN, SiC 계열이 기존의 GaAs 보다 뛰어나서 이 두 재료가 최신 T/R 모듈제조에 집중적으로 사용되고 있으며 관련 기술개발도 활발히 이루어지고 있지요. 아울러 극히 최근의 연구로는, 아직 연구실 수준이지만 polymer 재료를 이용한 MMIC 제조가 연구되고 있다고 합니다.

MMIC 칩 관련하여 주의해야 할 점은 일본의 능력이 지나치게 과장 보도된 점입니다. 무기체계에 대한 전문지식이 부족한 일부 정치외교학 교수 분들이 일본의 군비증강을 강조할 목적으로, 몇몇 일본 업체의 MMIC 칩이 미국의 레이다, 미사일 등에 사용되고 있으면, 이들 칩을 공급하지 않으면 미국의 첨단무기 생산에 큰 차질은 빚게 된다는 얘기까지 보도되기도 했었지요. 왜 이런 목적의 설명을 했는지는 모르지만, 사실과는 전혀 다릅니다.

민수용 보다 훨씬 높은 난이도를 요구하는 군사용 MMIC 칩은 미국이 석권하고 있으며, 여러분도 잘 아는 방산업체들, 예를 들자면, 레이세온, 노드롭그루만, 록히드마틴, TI(Texas Instruments), TRW Telecom, Cree 사 등 독자적 연구나, 국방성의 프로젝트 입찰에 혼자 혹은 공동으로 응찰하여 여러 연구를 진행하고 있고, 이렇게 어느 정도 공개된 MMIC T/R 모듈관련 주요 프로젝트도 15 -16 건에 이를 정도로 물적, 인적 투입에 있어 다른 나라들과 비교하기 어려울 정도입니다.

일본이 F-2 전투기 관련하여 개발한 J/APG-1 또한 전체적인 성능, 소프트웨어는 말할 것도 없고 T/R 모듈의 성능에 있어서도 당시 미국제품의 1/3 정도에 불과했던 것으로 알려졌었지요. 물론 일본은 자체적으로 개량을 하여 성능향상을 이루고 있는 것은 사실이나, “미국의 기술에 많이 근접했다”는 등의 정보는 사실이 아닙니다. 왜냐하면 미국이 도망가는 속도가 일본이 따라잡는 속도에 절대 뒤지지 않기 때문이지요. T/R 모듈 관련 기술 데이터 역시 1급 기밀로서 자료의 접근이 대단히 어려운 관계로, 좀처럼 격차를 좁히지 못하고 있는 게 현실입니다.

또 하나 MMIC 관련 주목할 만한 일은, 휴대폰 왕국이라는 우리나라의 MMIC 칩 수입액이 1년에만 수천억대에 이른다는 점입니다. 거의 전량 수입하지요. 퀠컴 칩만 문제가 되는 게 아닌데, 아직 공론화된 적도 없고..... . 여러 곳에서 MMIC 칩 수입대체를 위한 국내개발을 촉구하고 있으나, 별반 진전이 없는 상태입니다.

맨 아래 그림은 AESA 안테나의 Aperture Array를 구성하는 방식을 설명한 것입니다.
Tile 방식과 Brick(Stick) 방식이 있지요.


AESA 관련하여 앞으로 다음과 같이 진행될 예정입니다.

다음 편 AESA 3부에서는 “창과 방패, AESA 레이다와 RWR의 전쟁” 편을 올릴 예정인데, RWR 의 구조와 성능, 어떤 파라미터가 어떤 의미를 갖는 가와, 이를 와해시키기 위한 AESA 레이다의 새로운 테크닉들을 분야별로 상세히 다룰 예정입니다. (A4지 11-12 페이지 분량)

그 다음 AESA 4부에서는 “AESA 의 구조적 장점과 뛰어난 성능” 편으로 어떤 구조적 차이가 뛰어난 성능을 가져 오는지 설명하고 공대공, 공대지 모드 별로 AESA 가 사용하는 새로운 테크닉 들을 소개할 예정입니다. (A4지 13-14 페이지 분량)

그 다음 AESA 5부에서는 “AESA + 스텔스, 조합이 가져올 미래 공중전의 변화” 편으로, 향후 중거리 및 가시거리 공중전, 대지공격 등에서 어떠한 전술적인 변화들이 예견되는지 그림과 함께 자세히 설명할 예정입니다. (A4지 8-9 페이지 분량)

여러분들이 다른 관련 자료를 갖고 계시면 올려주시고, 부족한 점, 잘못된 점은 기탄없이 지적해주시기 바랍니다.