국내 최초 차세대 전력반도체 개발 성공

ETRI, 800V급 수직형 질화갈륨 전력반도체 
차세대 전력반도체 원천 소재 및 소자 기술 확보 
고출력·저손실로 전기차 배터리에 활용 가능

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 전력 손실은 최소화하면서도 고전압에도 견디는 수직형 질화갈륨 전력반도체를 국내 최초로 개발했다. 이 전력반도체는 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선에 이용할 수 있다. 연구진은 전력반도체 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술 개발로 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 것으로 전망했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 질화갈륨 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구책임자인 이형석 기술총괄은 "수직형 질화갈륨 전력반도체는 고출력, 고효율, 고전압 특성에 소형화까지 가능해 빠르게 성장하는 전기차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능하다"고 말했다.

이 기술은 고전압·소형화가 핵심인 전기차 배터리 개발에 필수적 요소다. 전력 손실 감소 및 전력 변환효율 향상으로 전비(電費)를 높일 수 있고 소형화를 통해 전기차 부피를 줄일 수 있기 때문이다.

전력반도체는 흔히 트렌지스터라 부르는데 전기를 사용하는 모든 제품에 들어가 있다. 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 모든 제품의 전압을 변환해 낮추거나 높여 효율적 전력 운용을 가능케 하는 핵심부품이다.

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.

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

연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종(同種)의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 다년 간의 질화갈륨 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다. 그 결과 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해내는 데 성공, 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발했다.

한편, 질화갈륨은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않아 실리콘 대비 3분의 1 수준의 시스템 소형화가 가능하다. 에너지 차이(밴드 갭) 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg(eV) 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다.

[email protected] 김만기 기자