고온·고압에서 안정적인 차세대 전력반도체

최근 5G 이동통신 서비스와 전기자동차 시장이 커지면서 연비 개선 등 에너지 효율 혁신에 핵심적인 역할을 하는 전력반도체 관련 특허출원이 급증하는 추세다. 지난 10월 20일 특허청에 따르면 차세대 전력반도체 관련 특허출원 건수가 2015년 10건에서 2016년 13건, 2017년 18건으로 서서히 증가하다가 지난해 33건에 이르렀다. 연간 출원 건수가 3년 사이 3.3배가 된 셈이다.

기존 실리콘(Si) 전력반도체는 저렴하다는 장점이 있지만, 차량 운행 환경에서 고도의 내구성과 신뢰성을 보증하는 데 한계가 있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근 주목받는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 기반 차세대 전력반도체는 실리콘과 비교해 고온·고압에서도 안정적으로 작동하는 우수한 물질 특성을 띤다. 특히 현재 사용하는 실리콘 대신 질화갈륨을 기반으로 하면, 전력 소비를 크게 아낄 수 있는 이점도 있어 이미 독일 인피니언테크놀로지도 연구프로젝트를 진행하고 있다. 또한, 그동안 상용화 걸림돌이었던 질화갈륨 가격이 큰 폭으로 하락해 국내외 관련 연구프로젝트에 박차가 가해지고 있다.

일례로 삼성전자의 경우 지난해부터 질화갈륨을 기반으로 하는 전력용 반도체 연구 등을 위해 미국 비코(Veeco)사로부터 유기금속 화학 증착장비(MOCVD)를 도입했다. 자동차와 가전 등 각종 제품에서 모터 등 전기를 효율적으로 제어해 전체 시스템의 안정적 동작을 가능케 하는 전력용 반도체는 현재 실리콘을 기반으로 제조되지만, 고전압 환경에서 전력전달 효율이 낮아 에너지 낭비가 크다는 단점이 있다. 이에 따라 전력전달 효율성이 높은 질화갈륨 등 신소자를 이용한 연구가 주목을 받고 있다.