Si반도체 대체하는 차세대 반도체소재

차세대 반도체소재란 기존의 실리콘 반도체를 대체하는 소재이다. 기존의 실리콘 물성 한계에 의해 특성 구현이 어려운 응용 영역에서 소자를 구현하기에 적합하며 실리콘 보다 물질 특성이 우수한 소재들을 의미한다. 따라서 소재의 물성이 실리콘 보다 뛰어난 대부분의 화합물 반도체들이 이에 포함된다.

하지만 대부분의 소재들은 실리콘 반도체를 기반으로 한 기능성 박막으로서만 적용돼 차세대 반도체의 범주에 포함될 수 없다. 실리콘과 같이 동종의 단결정 반도체 기판을 기반으로 한 기능성 박막들을 적용함으로써 기존의 반도체로서는 불가능한 영역을 구현하는 것이 엄격한 의미에서의 차세대 반도체소재다.

차세대 반도체소재는 대부분의 넓은 에너지 금지대역(Bandgap)을 갖는 화합물 반도체소재들 즉, GaN(질화갈륨)·SiC(실리콘 카바이드)·ZnO(산화아연)·AlN(질화알루미늄)·다이아몬드 등이 그 대상이나 현재까지는 단결정 기판제조 기술이 확보돼 있는 GaN·SiC·ZnO 소재가 그 주축을 담당하고 있다.

차세대 반도체를 기반으로 한 반도체 소자들이 구현되기 위해서는 실리콘에 상응하는 대면적의 기판소재기술, 우수한 물성의 구현을 위해 필요한 고품질 박막성장 기술, 기존 실리콘 기반 소자들에 비해 넓은 영역의 특성 구현에 필요한 소자의 설계·공정기술 및 보다 가혹해지는 사용조건에 적합한 소자의 보호를 위한 실장기술 등이 필요하다.

■전력변환 및 에너지반도체의 효율 향상 ‘시급’
21세기에 들어 에너지가 최대의 화두가 됐으며 최근의 CO₂배출량 억제 등의 세계적인 동향은 현재의 ‘에너지 적약’ 추세에서 ‘에너지의 효율적 사용’으로 패러다임이 변화하고 있다.이와 더불어 에너지원에 있어서도 전기에너지의 비중이 점차 증대되고 있다. 이에 전기에너지의 효율적 사용이 중요하며, 전기에너지 손실의 많은 부분을 차지하는 전력변환시스템 및 에너지반도체의 효율 향상이 시급히 해결돼야할 과제로 인식되고 있다.

■SiC를 중심으로 한 차세대 에너지반도체 개발 노력 가속화
자동차 분야에서도 기존의 화학에너지로부터 전기에너지로의 전환이 진행되고 있으며 전기에너지는 향후 10년 이내 자동차 산업의 주요 분야로 자리매김할 것으로 예상된다. 따라서 자동차의 구동에 필요한 전기에너지의 변환을 위해 이에 적합한 전력변환시스템 및 에너지반도체의 실현이 시급하다.

기존의 실리콘 기반 반도체를 이용해 자동차 구동에 필요한 전력변환시스템을 만들 경우 부피가 크고, 무겁고, 효율이 낮아 전기자동차가 기존 자동차와의 경쟁에서 뒤처지게 되는 주요 요인으로 작용하고 있다. 따라서 전 세계 자동차 생산업체 및 자동차용 반도체 생산업체들은 이러한 문제들을 해결하기 위해서 전력변환시스템의 경량화·소형화·고효율화에 큰 효과를 내는 SiC를 중심으로 한 차세대 에너지반도체의 개발에 많은 역량을 집중하고 있다.

전력반도체, 향후 시스템 및 메모리 반도체에 필적

SiC·GaN·ZnO, 실리콘 대체 소재로 주목

▲ ▲차세대 반도체소재기술 분류. ▲차세대 반도체소재기술 분류

■차세대 반도체소재는 기존 실리콘 반도체를 대체
전 세계적으로 온실가스 감축, 환경보호 및 고에너지효율이 뜨거운 이슈로 부각된 가운데 차세대 전력반도체(SiC·GaN·ZnO)에 관한 연구개발이 활발하다. 특히 SiC·GaN 전력반도체는 소재원천에서부터 전자소자·시스템까지 폭 넓은 기술이 필요하며, 응용분야는 가전제품·산업용 전력시스템·자동차·군사 분야 등으로 광범위해 산업에 끼칠 영향이 크다.

미국 및 일본으로 대표되는 기술선진국에서는 1980년대 후반부터 관련분야에 대한 원천 및 응용기술을 축적해 왔으며 그 결가 2000년대 초반부터 일부 소재 및 소자의 상용화에 성공했다. 2010년 이후 SiC 소재는 자동차 및 신재생에너지 분야에서, GaN 소재는 통신 분야에서 기존 실리콘 반도체를 대체해 시스템의 에너지효율을 개선하는 등 전자시스템의 전력 관리 패러다임을 바꿀 것으로 예상된다.

■고효율·저비용 에너지 사회 구현 핵심 기술
CO₂배출규제 등을 해결하는 방안으로서 고효율 에너지반도체의 중요성은 증대되고 있으며 전기자동차 및 국가 전력망에 있어서 핵심기술이 될 것이므로 이미 선진국들에서는 국가 전략산업으로 연구 및 개발이 진행 중이다. 이러한 상황에서 차세대 반도체소재들은 고효율·저비용 에너지 사회를 구현하는데 핵심이 될 것이다.

현재 전력반도체는 25조원의 시장을 형성하고 있고 지속적으로 연평균 35%의 성장률을 가질 것으로 예측된다. 따라서 향후 기존 논리소자 및 메모리 반도체에 필적하는 시장으로 성장될 것으로 예상된다.

■전력변환시스템
전력변환시스템은 가공·변환하는 시스템을 총괄해 일컫는다. 전기전자시스템에 필요한 직류나 교류·전압·주파수로 맞추어 공급하는 장치를 말하며 변환방식에 따라 인버터·컨버터 등으로 불린다.

전력을 변환하는 과정에서 다이오드나 트랜지스터와 같은 전력반도체 소자(Power Semiconductor Device)를 사용해 전력의 흐름을 제어하는데 전력반도체 스위치를 사용한 스위치모드 전력변환기와 이를 위한 제어회로를 포함하는 전체 시스템을 일반적으로 전력변환시스템이라고 한다.

▲ ▲DC-DC 컨버터의 내부 블럭도. ▲DC-DC 컨버터의 내부 블럭도

■전력변환기의 분류
◇정류 장치
다이오드 정류장치(Diode Rectifier)를 이용해 입력된 교류(AC)를 직류(DC) 출력으로 변환시키는 것을 말하며 순변환장치리도 불린다.

◇직류-교류 컨버터(인버터)
입력된 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 출력하는 것으로, DC-AC 컨버터는 일반적으로 인버터(Inverter) 또는 역변환장치라고 부른다. 태양광 발전모듈과 같이 직류로 발전된 전류를 교류로 변환할 시에 인버터를 사용하는 것이 대표적이다.

◇직류-직류 컨버터(직류 쵸퍼)
직류(DC)를 직류(D)로 변환하는 DC-DC 컨버터는 초퍼(Chopper) 또는 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)로 부르기도 한다. 특정한 직류전압과 직류전류가 요구되는 부하에 있어 전원이 이와 상이할 경우 DC-DC 컨버터를 사용하며 특히 전자기기 내에서 다양한 직류전압을 필요로 하므로 복수의 DC-DC 컨버터가 사용되는 경우가 많다.

◇교류-교류 컨버터(교류전압 제어기)
교류-교류 컨버터는 교류 전력의 레벨이나 주파수를 변화시킬 때 주로 사용하며 교류전압 제어기(AC Voltage Controller)로도 불린다.

◇리니어(Linear) 전원장치와 스위칭 모드 전원장치(SMPS)
리니어 전원장치는 변압기·정류·안정화 회로를 기반으로 한 전원장치를 말한다. 안정도가 높고 가격이 저렴한 정점이 있으나 효율이 낮고 중량이 커서 최근에는 스위칭 모드 전원장치(SMPS)로 대체되고 있다.

SMPS는 전력용 MOSFET 등 반도체 소자를 스위치로 사용해 직류 압력 전압을 일단 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터를 통해 제어된 직류 축력 전압을 얻는 전원장치다. 특히 반도체 소자의 스위칭 프로세서를 이용해 전력의 흐름을 제어하므로 종래의 리니어 방식의 전원 장치에 비해 효율이 높고 내구성이 강하며 소형·경량화에 유리한 안정화 전원장치다.

특히 SMPS는 스위칭 주파수를 높여 에너지 축적용 소자를 소형화함으로써 소형·경량화가 가능하다. 그러나 스위칭 주파수를 높이게 되면 스위칭 손실·인덕터 손실 등 전력 손실이 커지고 스위칭으로 발생하는 써지(Surge)·노이즈 문제를 고려해야 한다.

SMPS의 기본 구성은 교류 입력 전원으로부터 입력 정류 평활 회로를 통해 얻은 직류 입력 전압을 직류 출력 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터, 출력 전압을 안정화 시키는 궤환 제어(Feedback Control) 회로 등으로 돼 있다. 궤환 제어 회로는 다시 출력 전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기, 증폭된 오차와 삼각파를 비교해 구동 펄스를 생성하는 비교기, DC-DC 컨버터의 주 스위치를 구동하는 구동 회로 등으로 구성돼 있다. DC-DC 컨버터는 주 스위치와 환류 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC 필터 등으로 구성돼 있다.

SMPS의 회로 방식은 고주파(Radio Frequency) 트랜스포머의 유무에 따라 크게 비절연형과 절연형으로 나눌 수 있다. 비절연형으로서는 강압(Buck) 방식·승압(Boost) 방식·승-강압(Buckboost) 방식·풀 브리지(Full-bridge) 방식·하프 브리지(Half-brige) 방식 등이 있다.
                                                                                    <다음호에 계속>