ETRI, 국내 최초 800V급 수직형 질화갈륨 전력반도체 개발

한국전자통신연구원에서 개발한 수직형 질화갈륨 전력 반도체 소자. 왼쪽부터 전력 반도체 웨이퍼와 패키징된 800V급 질화갈륨 전력 소자. 사진=한국전자통신연구원 제공
한국전자통신연구원에서 개발한 수직형 질화갈륨 전력 반도체 소자. 왼쪽부터 전력 반도체 웨이퍼와 패키징된 800V급 질화갈륨 전력 소자. 사진=한국전자통신연구원 제공
국내 연구진이 차세대 전력반도체 원천 소재·소자 기술을 확보하는 데 성공했다. 고전압에서 좋은 성능을 발휘하면서도 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심 기술을 개발한 것인데, 에너지 효율 개선과 소재·부품·장비 국산화에도 도움이 될 전망이다.

6일 한국전자통신연구원(ETRI)에 따르면 연구진은 국내 최초로 질화갈륨 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력 반도체 기술을 개발했다. 전력 반도체는 스마트폰이나 전기자동차 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능하게 하는 핵심 부품이다.

연구진이 개발한 전력 반도체는 기존보다 높은 항복 전압(반도체 소재가 견딜 수 있는 최대 전압) 특성을 지닌다. 기존 이종 반도체(반도체 기판에 기능층을 만들 때 다른 재료로 성장된 기판)를 사용하면서 결함이 발생해 전력 손실이 불가피했다. 이로 인해 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200-300V급)에서 주로 활용됐다. 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 같은 질화갈륨 에피층(단결정 기판 위 새로운 단결정 층으로 두꺼워질수록 전압·저항이 증가)을 수직으로 쌓아 올린 뒤 최적화해 이같은 결함을 극복했다.

이번 전력 반도체는 설계·공정 패키징 과정을 통해 생산된다. 국내에선 주로 에피 형성 기판을 90% 이상 수입해 추가 공정을 진행하는데, 연구진의 이번 개발이 소재의 해외 의존도와 원천 기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 점쳐진다.

아울러 질화갈륨은 소재 특성상 별도의 에너지 저장 공간이 필요하지 않아 기존 실리콘보다 3분의 1 수준의 시스템 소형화도 가능하다. 에너지 차이 또한 실리콘보다 3배 이상 뛰어난 수준으로, 차세대 전력 반도체 소재로 조명받을 것으로 보인다.

연구책임자인 이형석 기술총괄은 "질화갈륨이 지닌 고출력·고효율·고전압 특성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력 반도체에 활용이 가능할 것으로 예상된다"고 설명했다. 이번 기술은 ㈜비투지에 기술 이전됐다. 향후 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 데 활용될 전망이다.장진웅 기자

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장진웅
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