한국전자통신연구원(ETRI)이 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 밝혔다. 전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 반도체로 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능케 하는 핵심부품이다.연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 질화갈륨 단결정 기판을 적용해 기존 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다.
차세대 전력반도체 소재 및 소자 기술 확보
국내 기술로 소재·부품·장비 국산화 기대
소형화 가능한 "전기차 배터리 개발 핵심기술"
▲ ETRI가 개발한 수직형 질화갈륨(GaN) 웨이퍼와
질화갈륨(GaN) 전력소자[사진=ETRI]
한국전자통신연구원(ETRI)은 6일 국내 최초로 『질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술』을 개발했다고 밝혔다.
전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 반도체로 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능케 하는 핵심부품이다. 연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 질화갈륨 단결정 기판을 적용해 기존 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다.
ETRI 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 같은 종류의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 그 결과 높은 항복 전압 특성을 구현해내는 데 성공, 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발했다. 국내 기술력으로 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술 개발을 이루어냄으로써 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 보인다.
전력반도체 소재로는 △실리콘(Si) △탄화규소(SiC) △질화갈륨(GaN) 등이 고려되는데, 기존 실리콘은 스위칭 속도 및 항복 전압 등에 있어 소재상 한계가 존재했다. 질화갈륨은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않아 실리콘 대비 1/3 수준의 시스템 소형화가 가능하다.
에너지 차이 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg(eV) 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다. 특히 고전압·소형화가 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 있기 때문이다.
연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 “질화갈륨 전력반도체는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있다”라며 소형화가 가능해 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것”이라고 말했다.