전기자동차의 전력 변환효율 향상을 위한 연구개발이 세계적으로 활발하다. 국내 연구진이 고전압에서 좋은 성능을 발휘하는 동시에 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심기술을 개발했다. 에너지 효율 개선 및 소재·부품·장비 국산화에 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 『질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술』을 개발했다고 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 운용을 가능케 하는 핵심부품이다.

연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다. 질화갈륨 단결정 기판을 적용했기 때문이다.

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

ETRI 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.

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 보인다.

전력반도체 소재로는 ▲실리콘(Si) ▲탄화규소(SiC) ▲질화갈륨(GaN) 등이 고려되는데, 기존 실리콘은 스위칭 속도 및 항복 전압 등에 있어 소재상 한계가 존재했다.

질화갈륨은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않아 실리콘 대비 1/3 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.
특히 본 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.

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.

본 기술은 ㈜비투지에 기술이전됐으며, 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 방향으로 쓰임새가 다양할 전망이다.

경제 전문기관의 시장조사에 따르면, 전력반도체 세계시장은 2030년 약 48조 원 규모로 연 평균 6% 이상의 증가가 예측된다. 향후 연구진은 반도체 소재 기술 국산화 및 고도화를 목표로 수직형 질화갈륨 전력반도체의 고전압 및 대면적 출력을 더욱 확장하는 연구를 지속할 계획이다.

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