산화갈륨이 차세대 소자로 부상하는 이유?

산화갈륨 연구는 소재 강국인 일본에서 제일 먼저 기술이 개발되고 있는 반도체입니다. 그런데도 이번에 우리나라가 개발한 기술이 중요하고, 주목받을 수 있었던 이유는 그 재료의 특성 때문입니다. 차세대 기술이란 성능이 우수하고 가격이 저렴해야 상용화 가능성이 높습니다. 이러한 특성에 맞게 우리가 개발한 본 기술은 액상 성장(Melt-growth)법으로 만든 결정성이 매우 우수한 반도체를 사용합니다. 또 디바이스 성능이 우수하고, 기판의 대면적화가 쉬워 한 장의 반도체 기판에서 만들어지는 디바이스 수량이 더 많아 가격이 저렴합니다. 마치 큰 피자를 만들면, 작은 피자보다 조각당 가격을 싸게 팔 수 있는 원리와 같습니다. 그러다 보면 고전압까지 견디면서 칩 단가를 더 낮출 수 있습니다. 이런 것들이 차세대 전력반도체 소자로 떠오르는 핵심적인 내용입니다. 즉, 현재 있는 솔루션보다 더 성능도 좋고, 값싸게 만들 수 있습니다.

또한, 연구팀이 개발한 기술은 모스펫 디바이스 자체를 세계 최초로 만든 것은 아닙니다. 소재 자체가 일본에서 개발되었고, 모스펫 디바이스도 일본이 가장 먼저 만들었습니다. 새로운 차세대 기술개발에서는 성능을 점점 높여가는 것이 연구개발의 단계인데, 높여가는 과정에서 2000V 이상의 내압 (정확하게는 2321V)을 견디는 디바이스를 만든 것은 연구팀이 처음이었습니다. 그러나 아쉽게도 현재 산화갈륨 반도체 소재를 일본에서 전량독점판매 하고 있습니다. 그래서 우리나라에서도 이러한 소재를 국산화하기 위해 노력하고 있고, 최근 대일무역 수출규제와 관련하여 더욱 주목받고 있습니다.

‘모스펫’이 적용 가능한 분야?

전력반도체는 사실 성능의 차이만 있을 뿐, 전기를 쓰는 곳 어디에나 활용할 수 있습니다. 전기라는 것이 작게는 휴대용 제품에 사용하는 1.5V 배터리가 있습니다. 그리고 우리 주변에서는 흔히 볼 수는 없지만, 송전탑과 같이 극고전압을 전송하는 곳도 있습니다. 전압 레벨이 다를 뿐, 아주 다양하게 존재합니다. 이처럼 전력반도체 모스펫은 IT-컨슈머, 가전제품, 전기자동차, 태양광발전, 수력발전, 풍력발전, 고전압 전력전송 등 다양한 산업 분야에 모두 적용할 수 있습니다.

산화갈륨(Ga²O³)은 기존 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 전력반도체보다 효율이 높고, 고전압까지 견딜 수 있어 소자와 모듈 그리고 시스템의 소형화와 저가화가 가능합니다. 그래서 최근 일본, 미국, 독일 등 반도체 강국들은 고온, 극고전압, 고방사선 등 극한 환경에 적용을 기대하고 소재, 소자, 모듈, 시스템 등 관련 기술개발에 열을 올리고 있습니다.

기술 강화를 위해 추가될 연구?

산화갈륨 반도체는 아직 전 세계적으로 물성도 완전히 이해가 덜 된 상태입니다. 따라서 선진국처럼 대학, 연구소, 기업이 기초에서 응용까지 전 주기적인 연구가 가능하도록 정부의 더 많은 관심과 지원이 절실합니다. 그리고 궁극적으로 전력반도체 디바이스가 개발되어야 합니다. 이를 위해 산화갈륨 소재와 부품 및 장비 기술의 국산화도 필요합니다. 좀 더 자세히 말씀드리면 컴퓨터 시뮬레이션 기술, 디바이스 설계 기술, 제조공정 기술, 측정평가 기술, 신뢰성 향상 기술 등 체계적인 중장기적 프로젝트 기획과 충분한 지원이 뒷받침되어야 합니다.

또한, 세계적인 관점에서 봤을 때 산화갈륨 소재의 고품질화, 대면적화가 진행될 것입니다. 이를 바탕으로 고전압, 고효율, 고성능 전력반도체 디바이스 개발이 빠르게 진행될 것입니다. 우리나라도 2017년 7월부터 산업통상자원부의 지원으로 에피 소재와 전력 소자에 대한 씨앗 기술을 차근차근 축적하고 있습니다. 이를 바탕으로 실제 제품에 사용될 수 있는 고전압, 대전류의 다양한 전력반도체 디바이스 기술을 추가적으로 새롭게 개발이 필요합니다.