국내 연구진이 신소재를 이용해 세계 최고의 전압에 견디는 전력반도체를 개발하는데 성공했다. 이로써 향후 신개념 반도체가 고전압이 요구되는 전자제품이나 전력모듈에 내장되어 효율성을 더욱 높일 것으로 전망된다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 산화갈륨(Ga2O3)을 이용해 2300볼트(V) 고전압에도 잘 견디는 전력 반도체 트랜지스터를 처음으로 개발했다고 밝혔다. 일명, 모스펫(MOSFET)이다. 본 기술은 고전압이 요구되는 전자제품, 전기자동차, 풍력발전, 기관차 등에서 전력을 바꿔주는 모듈에 사용됨으로써 고전압·고전력에서도 잘 견디는 ‘힘센 반도체’로서 역할이 가능할 것으로 보인다.

연구진이 개발한 결과는 우수성을 인정받아 미국 전기화학회(ECS) 학술지의 편집자 선택(Editors’ Choice) 논문으로 선정되었다.

실제, 일상생활에서 노트북을 쓸 때 어댑터를 사용한다. 220V의 전기가 들어오지만, 노트북 내 부품들은 전압을 견디기 어려워 어댑터로 전압을 낮춰 사용하는 것이다. 특히 에어컨, 냉장고, 진공청소기처럼 전력 소모가 많은 경우, 높은 전압이 필요하다.

이때 산화갈륨과 같은 전력변환 효율이 좋은 소재를 쓴다면 기기 동작 시 뜨겁게 달아오르지도 않고 전력에너지 낭비가 덜되어 에너지가 절감된다는 것이다.

산화갈륨은 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC)와 같은 반도체 물질이다. 기존 반도체 소재들보다 에너지 밴드 갭이 넓어 고온- 고전압에서도 반도체 성질을 유지, 칩 소형화와 고효율화가 가능하다.

또한, 용액에서 고품질 대면적 웨이퍼로 만들기도 쉬워 저비용으로 대형 고전력 소자 제작이 가능, 차세대 전력반도체 소자로 부상 중이다.

기존 전력반도체소자가 실리콘, 질화갈륨, 탄화규소 위에 소자설계 후 패턴작업과 식각, 증착공정을 거쳐 트랜지스터를 만들었다면 이번 성과는 기존 반도체 대신 ‘산화갈륨’ 을 이용한다는 점이 차별점이다.

하지만 산화갈륨 처럼 밴드 갭이 넓은 물질은 전기 전도도가 떨어진다는 단점이 있었다. 연구진은 높은 전압에도 반도체 성질을 잃지 않고 동작 되도록 만들어 전류가 잘 흐르게 되는 전력반도체칩을 제작하는 것이 가장 큰 어려움이었다고 밝혔다.

ETRI 연구진은 난제 해결을 위해 전자가 지나가는 최적의 길인  채널 및 전극 디자인,  반절연체 기판의 사용,  공정 및 소자구조 설계기술 채택 등을 통해 처음으로 2000V의 벽을 넘는데 성공, 기존 최고 전압 수준 대비 최소 25% 높은 2320V 산화갈륨 전력반도체 소자기술을 개발했다.

이로써 기존 미국 버팔로대학 1,850V급 전력소자 대비, 동작되는 저항을 50%로 낮췄고, 항복전압도 25% 높이는 산화갈륨 트랜지스터를 구현했다.

현재, 연구진이 개발에 성공한 산화갈륨 전력반도체 소자의 크기는 0.2㎜ x 0.4㎜ 수준이다.

향후 칩을 대형화하기 위해 패키징을 할 경우 현재, 표준 크기가 1.5㎝ x 1.5㎝ 내외인데 전용 패키지를 만들어 더 작게 만들 계획이다.

칩 크기는 현재 상용제품 대비 30~50% 작게 만들 수 있어 동일한 웨이퍼 대비, 칩 생산을 2~3배 더 할 수 있다고 연구진은 밝혔다.

향후, 본 기술은 대면적 소자에 동일하게 적용할 수 있어 초고압직류송전(HVDC) 변환설비나 태양광, 풍력발전을 비롯한 신재생 에너지 산업에 많은 활용이 기대된다.

또한 전기차·수소차·자율주행차와 같은 차세대 자동차는 물론, 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 가전제품과 같이 다양한 산업에서도 활용이 가능해 시장전망이 매우 밝다고 설명했다.

ETRI RF/전력부품연구그룹 문재경 박사는 “향후 세계 최초로 산화갈륨 전력반도체의 상용화를 목표로 고전압 · 대전류용 대면적 소자 기술개발 연구를 추가적으로 진행할 예정이다” 고 말했다.

연구진은 이번에 개발한 트랜지스터의 구조, 소자설계, 제조공정기술 등에 대해 전력반도체칩 생산회사와 전력변환모듈 생산업체 등에 기술이전 할 계획이다.

본 연구는 산업통상자원부, 한국산업기술평가관리원(KEIT)의“저결함 (<1x104cm-2) 특성의 고품위 Ga2O3 에피 소재 및 1kV 이상의 항복전압을 가지는 전력소자 기술 개발” 과제의 일환으로 2017년부터 진행되었다.

연구진은 본 기술의 상용화를 5년 내로 보고 있다. 연구진은 하이브리드 자동차, 전기차, 자율주행 자동차 등과 관련한 부품의 전력화 증가 추세로, 오는 2022년 자동차용 전력반도체 시장규모는 85억 달러로 보고 있고 차세대 산화갈륨 전력반도체는 2025년에는 약 7,031억 원의 시장규모가 될 것이라는 시장전문 조사기관의 예측을 인용했다.

연구진은 차세대 전력소자 연구개발을 위해 9건의 연구 논문 발표와 관련기술의 특허 출원도 완료했다.