ETRI, 질화갈륨 전력반도체 개발…전기차 전비 개선 기대

▲한국전자통신연구원(ETRI) 연구원이 질화갈륨 전력반도체를 선보이고 있다. (사진제공=한국전자통신연구원)

국내 연구진이 고전압에서 좋은 성능을 발휘하는 동시에 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심기술을 개발했다. 에너지 효율 개선 및 소재ㆍ부품ㆍ장비 국산화에 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 반도체다. 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능케 하는 핵심부품이다.

연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압(반도체의 역방향 전압 인가시 반도체의 절연이 파괴돼 전류가 흐르게 되는 전압, 반도체 소재가 견딜 수 있는 최대 전압을 의미) 특성이 있다.

ETRI 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종(同種)의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력 소자 에피를 성장시킨 후 설계 및 공정, 패키징 과정을 통해 생산된다.

국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다. 연구진이 국내 기술력으로 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술 개발을 이뤄냄으로써 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 기대한다.

질화갈륨은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz(메가헤르츠)에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않는다. 이에 실리콘 대비 3분의 1 수준의 시스템 소형화가 가능하다. 에너지 차이(밴드 갭) 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다.

특히 이 기술은 고전압ㆍ소형화가 핵심인 전기차 배터리 개발에 필수적인 요소다. 전력 손실 감소 및 전력 변환효율 향상으로 전비(電費)를 높일 수 있고 소형화를 통해 전기차 부피를 줄일 수 있다.

연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 “질화갈륨 단결정 기판을 이용한 수직형 질화갈륨 전력반도체는 질화갈륨이 가지고 있는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것으로 예상한다”고 말했다.

한편 이 기술은 비투지에 기술 이전됐다. 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 방향으로 쓰임새가 다양할 전망이다.