한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800볼트(V)급 수직형 전력반도체를 개발했다고 6일 밝혔다.
전기자동차 전력 손실을 최소화하는 핵심 부품으로 사용될 것이라고 ETRI는 설명했다. 전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급한다. 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 모든 제품에 들어간다. 기존에는 이종(異種) 반도체 기판을 사용함으로써 결함 발생, 전력 손실이 불가피했다. 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서 주로 활용될 수밖에 없었다.
ETRI가 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다. GaN 단결정 기판을 적용했기 때문이다. 동종(同種) GaN 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다.
수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력 소자 에피를 성장시킨 후 설계, 공정, 패키징 과정을 통해 생산된다. 지금까지는 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다. 이번 기술 개발로 소재의 해외의존도와 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 보인다.
ETRI가
전력반도체에 쓰이는 소재는 ▲실리콘(Si) ▲탄화규소(SiC) ▲질화갈륨(GaN) 등이 있다. 실리콘은 스위칭 속도, 항복 전압 등에 있어 한계가 있었다. GaN은 열에 강하다. 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않는다. 실리콘 대비 3분의 1 수준의 시스템 소형화가 가능하다. 에너지 차이(밴드 갭) 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg(eV) 수준으로 고전압에 유리하다.
ETRI는 이번에 개발한 기술이 전기자동차용 차세대 전력반도체로 쓰일 것이라고 기대했다. 전력 손실 감소와 전력 변환효율 향상으로 전비(電費)를 높일 수 있기 때문이다. 소형화를 통해 전기차 부피도 줄일 수 있다. 그밖에 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 쓰임새가 다양할 것으로 예상된다.
연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT) 산업핵심수시개발사업을 통해 진행됐다. 현재 과학기술정보통신부 ICT R&D 혁신 바우처 지원사업 과제의 일환으로 ㈜비투지와 함께 과제를 수행하고 있다. ㈜비투지가 이 기술을 이전해갔다.