전력 반도체 시장이 새로운 전환점을 맞고 있다. 실리콘(Si) 기반 소자가 수십 년간 산업을 지탱해 왔지만, 최근 질화갈륨(GaN) 기술이 본격적으로 상용화되면서 전력 전자 분야의 패러다임이 빠르게 이동하고 있다.

인피니언(Infineon Technologies AG)에 따르면 최근 선보인 중전압 GaN 양방향 스위치(CoolGaN™ BDS 40V G3)와 300㎜ 파워 GaN 기술이 업계에서 ‘게임체인저’로 평가받으며 차세대 전력 시스템의 핵심 축으로 부상하고 있는 것으로 나타났다.

■ GaN이 바꾸는 전력 전자의 공식

GaN 기술의 가장 큰 장점은 높은 전력 효율과 빠른 스위칭 속도, 그리고 소형화 가능성이다.

실리콘 대비 전자 이동도가 높아 손실이 적고, 고주파 동작이 가능해 전력 변환 장치의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.

이는 스마트폰, 노트북, 서버, 전기차 등 전력 수요가 폭증하는 모든 산업에서 매력적인 요소다.

특히 인피니언의 CoolGaN™ BDS 40V G3는 단일 쇼트키 게이트(SG)를 기반으로 한 정상적으로 꺼진(Normally-off) 양방향 스위치로, ON 상태에서는 양방향 전류 흐름을 허용하고 OFF 상태에서는 양방향 전압을 차단하는 구조를 갖는다.

기존 MOSFET 기반의 직렬 연결 방식이 필요 없어 전력 손실을 크게 줄이고, 패키지 크기 또한 최소화할 수 있다.

이는 스마트폰 배터리 보호 스위치나 모바일 기기 전력 관리에 즉각적인 이점을 제공한다.

■ 300㎜ 파워 GaN, 왜 게임체인저인가

GaN 기술의 잠재력은 이미 잘 알려져 있었지만, 업계가 본격적으로 주목하기 시작한 이유는 300㎜ 웨이퍼 기반 파워 GaN 생산 기술이 등장했기 때문이다.

기존 GaN 생산은 주로 150㎜ 또는 200㎜ 웨이퍼에서 이뤄졌는데, 이는 생산량과 비용 측면에서 한계가 있었다.

300㎜ 공정이 도입되면 다음과 같은 변화가 가능해진다.

우선 생산 단가의 획기적 절감으로 더 큰 웨이퍼는 동일한 공정에서 더 많은 칩을 생산할 수 있어 가격 경쟁력이 크게 향상된다.

또한 대량 양산 체계 구축으로 서버, 데이터센터, 전기차 등 대규모 수요 산업에 안정적으로 공급할 수 있는 기반이 마련된다.

여기에 기존 CMOS 공정과의 통합 가능성이 확대되며, GaN 기술의 범용화를 가속하며, 전력 반도체의 새로운 표준을 형성할 가능성이 크다.

인피니언은 이를 두고 “업계의 게임 체인저”라고 표현하며, GaN 기술이 단순한 대체재가 아니라 전력 전자 산업의 구조 자체를 바꾸는 기술임을 강조하고 있다.

■ 양방향 스위치가 여는 새로운 응용 시장

CoolGaN™ BDS 시리즈는 모바일 기기뿐 아니라 전력 변환기, 배터리 관리 시스템(BMS), 휴대용 전자기기, IoT 디바이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
 

특히 양방향 전류·전압 차단 기능은 배터리 보호 회로에서 매우 중요한 역할을 하며, 고출력 부하 스위치로서의 성능도 기존 실리콘 대비 우수하다.

또한 낮은 게이트 전하(Qg)와 출력 전하(Qoss)는 스위칭 손실을 줄여 고효율 전력 설계를 가능하게 한다.

인피니언의 EZ-PD™ CCGx 및 PMGx 컨트롤러와의 호환성도 설계 편의성을 높여 개발자들에게 매력적인 선택지를 제공한다.

■ GaN은 어디까지 갈 것인가

전문가들은 GaN 기술이 향후 10년간 전력 반도체 시장에서 가장 빠르게 성장할 것으로 전망한다. 특히 △스마트폰 및 모바일 기기 전력 관리 △데이터센터 및 AI 서버 전력 효율 개선 △전기차 온보드 충전기(OBC) 및 DC-DC 컨버터 △재생에너지 인버터 및 에너지 저장 시스템(ESS) △초고속 충전기 및 전력 어댑터 같은 분야에서 폭발적인 수요가 예상된다.

300㎜ 파워 GaN 공정이 본격화되면 가격 장벽이 낮아지고, GaN 기반 전력 시스템이 대중화되는 속도는 더욱 빨라질 것으로 보인다.

이는 실리콘 기반 전력 반도체가 담당하던 영역을 빠르게 대체하며, 전력 전자 산업의 지형을 근본적으로 바꿀 가능성이 크다.

■ 인피니언 중전압 GaN 양방향 스위치·300㎜ 파워 GaN 기술 전력 전자 패러다임 변화 이끌어

GaN 기술은 이미 전력 전자 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있지만, 인피니언의 중전압 GaN 양방향 스위치와 300㎜ 파워 GaN 기술은 그 변화를 더욱 가속하고 있다.

더 작고, 더 빠르고, 더 효율적인 전력 시스템을 향한 산업의 요구 속에서 GaN은 단순한 선택지가 아니라 미래 전력 기술의 핵심 축으로 자리 잡아가고 있다.