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Nikkei X-TECH_2024.5.7

월면 경제권
달표면 첫 무선전력 전송에 산학관 연계로 도전
‘GaN on GaN’ 디바이스 활용

고내압이나 저손실이 특징인 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용해 24GHz대 무선전력전송(WPT: Wireless Power Transfer)의 달표면 실증을 목표로 한 개발이, 국내의 산학관 연계로 진행되고 있다. WPT의 달표면 실증은 아직 세계에서 실적이 없어 세계 최초가 될 가능성이 있다.

개발을 진행하고 있는 것은 나고야공업대학, 나고야대학, 가나자와공업대학, 니혼가이시(NGK Insulators), 스타트업 기업 Space Power Technologies(SPT, 교토시)와 다이몬(Dymon, 도쿄)의 공동연구팀이다. 우주항공연구개발기구(JAXA) 우주탐사이노베이션허브가 실시한 제10회 연구제안모집(RFP: Request for Proposal)에서 이번 공동연구팀의 제안이 2023년 7월에 채택되었다.

앞으로 달표면 탐사/개발이 본격화됐을 때는 달표면 탐사차(로버) 등에 무선으로 전력을 전송하는 시스템이 필요하게 된다. 예를 들면, 수자원 탐사에서는 크레이터 구덩이나 동굴 등 태양광이 닿지 않는 곳에 물이 존재할 가능성이 높은 것으로 추측되고 있다. 그러한 장소에서 탐사하는 로버 등에 전력을 공급하는 수단으로서 무선전력 전송의 실현을 기대하고 있다.

다만, 달 수송 비용은 현재 1kg당 1억엔 이상으로 매우 비싸다. 그 때문에 WPT 시스템은 가능한 한 소형 경량일 필요가 있다. 일본에서는 5.7GHz대 등의 마이크로파를 사용한 소전력 WPT의 실내 이용이 2022년부터 인가되었지만, 이번 개발에서는 한층 더 고주파인 24GHz대의 마이크로파를 이용한다. 주파수가 높으면 안테나를 소형화할 수 있기 때문이다.

이번 연구에서는 다음 두 가지를 2025년 11월말까지 개발을 완료한다. (1) 24GHz 수전용 GaN 정류 소자, (2) 24GHz대 고출력 송전기 및 수전기이다.

(1)은 안테나로 수전한 전파를 직류로 변환하는 소자로, WPT 시스템에서 가장 중요한 부품이다. 고주파로 와트(W)급 대전력을 취급하기 때문에 반도체에 GaN를 이용한다. 게다가 지금까지의 실리콘(Si) 기판이나 탄화규소(SiC) 기판에 제작하는 것보다도 대전류나 고전압에 대응할 수 있는 GaN 기판에 제작한다. 이른바 ‘GaN on GaN’이다.

구체적으로는 니혼가이시가 개발한 GaN 기판 ‘FGAN’에, 나고야공업대학이나 나고야대학 등이 공동개발한 GaN 트랜지스터 구조(가로형)의 마이크로파 정류 소자를 제작해, 방사선 내성이 뛰어난 수전 소자를 실현한다고 한다.

이번 연구에서 대표직을 맡고 있는 와케지마(分島) 교수(전 나고야공업대학 대학원 공학연구과 준교수, 현 구마모토대학 반도체/디지털연구교육기구 교수)는 “현재, 24GHz라는 고주파에 대응해 대전력 전파를 직류로 변환할 수 있는 정류 소자는 세상에 존재하지 않는다. 통신용 정류 소자는 있지만 미약한 전력밖에 취급하지 않기 때문에 WPT에서는 사용할 수 없다”라고 말한다.

이번에는 소자당 100mW 이상의 전파 정류를 목표로 한다. 시스템으로서는 이 소자를 어레이 형태로 나란히 정류하기 때문에, 예를 들면 소자를 10개 사용하면 1W의 전력을 실현할 수 있다고 한다. “우주 전용 부품에는 매우 높은 신뢰성이 요구되기 때문에 새로운 반도체 프로세스는 사용하기 어렵다. 미세화에 기존 프로세스를 사용하면서 개발한다”(와케지마 교수).

가장 중요한 것은 달표면에서 요구되는 엄격한 방사선 내성을 실현하는 것이다. ”GaN on GaN의 경우는 Si 기판 등에 형성한 GaN 디바이스보다 전위(결함)의 밀도가 많이 적다. 이로 인해 전위를 기점으로 한 방사선에 의한 저지 열화나 파괴가 쉽게 발생하지 않게 될 것을 기대하고 있다”(와케지마 교수).

-- 2030년 무렵까지 우주 실증 --
한편, (2)의 24GHz대 고출력 송전기에 대해서는 SPT가 개발하고 있는 지상용 무선 송전기를 기반으로 달표면에서 이용할 수 있는 송전기를 개발한다. 이 송전기에, 새롭게 개발하는 GaN on GaN 정류 소자를 탑재함으로써 시스템 성능을 높여 나간다.

게다가 구체적인 활용 장면을 상정하면서 WPT 시스템을 설계한다. 그 부분에서는 다이몬이 초소형 로버 개발을 통해 얻은 지식과 노하우를 활용한다. 2030년 무렵까지 달표면 실증을 목표로 한다고 한다.

무엇보다 달표면용 시스템만으로 비즈니스를 전개하는 것은 매우 어렵다. 그래서 연구팀은 달표면 전용으로 개발한 시스템을 베이스로 지상 전용 WPT 시스템도 개발해, 비즈니스를 전개하는 것도 상정하고 있다.

지상에서의 24GHz WPT 서비스의 실현에는 법 정비나 애플리케이션 개척 등 여러 과제가 있지만, 달표면 전용 선행 개발에서 얻은 지식을 지상에서 활용해 나갈 생각이다.

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