▲ 수직형 질화갈륨(GaN) 전력반도체 웨이퍼(左)와 패키징 된 800V급 질화갈륨 전력소자

국내 연구진이 고전압에서 좋은 성능을 발휘하는 동시에 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심기술을 개발해 전기차 효율 향상 등 에너지 효율 개선에 기여할 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 ‘질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술’을 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 운용에 필수적인 부품이다.

기존에는 이종(異種) 반도체 기판을 사용함으로써 결함이 발생해 전력 손실이 불가피했다. 따라서 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서 주로 활용될 수 밖에 없었다.

ETRI 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제함으로써 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해내는 데 성공했다.

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 이루어냄으로써 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

특히 이 기술은 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.

기술은 ㈜비투지에 기술이전됐으며, 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 방향으로 쓰임새가 다양할 전망이다. 경제 전문기관 후지경제에 따르면 세계 전력반도체 시장은 2019년 32조원에서 2030년 48조원으로 성장할 것으로 예상되고 있어 연구진은 수직형 질화갈륨 전력반도체의 고전압 및 대면적 출력을 더욱 확장하는 연구를 지속할 계획이다

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 예상된다”고 말했다.

한편 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT) ‘산업핵심수시개발사업’을 통해 진행됐으며, 현재 과학기술정보통신부‘ICT R&D 혁신 바우처 지원사업’ 과제의 일환으로 ㈜비투지가 함께 과제를 수행하고 있다.