[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 국내 연구진이 고전압에서 고성능을 발휘하는 동시에 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

수직형 질화갈륨(GaN) 전력반도체 웨이퍼(왼쪽)과 패키징 된 800V급 질화갈륨 전력소자[사진=ETRI] 2020.10.06 memory4444444@newspim.com

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 가능하게 하는 핵심부품이다.

연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압특성을 갖고 있다. 질화갈륨 단결정 기판을 적용했기 때문이다.

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

연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 해결했다. 다년간의 질화갈륨 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정으로 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 과정으로 생산된다. 국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다. 연구진이 국내 기술력으로 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술개발을 이뤄내 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 보인다.

이 기술은 고전압·소형화가 핵심인 전기차 배터리 개발에 필수적인 요소다. 전력 손실 감소 및 전력 변환효율 향상으로 전비를 높일 수 있고 소형화를 통해 전기차 부피를 줄일 수 있기 때문이다.

연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 "질화갈륨 단결정 기판을 이용한 수직형 질화갈륨 전력반도체는 질화갈륨이 갖고 있는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것으로 예상된다"고 말했다.

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

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