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전력을 통제하는 반도체

전력반도체는 정보를 저장하는 메모리반도체와는 달리 전력을 변환하고, 제어하고, 분배를 담당하는 반도체다. 전력을 저장해 사용하는 기기들은 배터리나 전원에서 전력을 공급받는다. 이때 전력반도체는 각각의 기기마다 필요로 하는 전압과 전류에 맞게 변환시키는 역할을 하는 것이다. 파워반도체라고도 불리며 주로 각종 전자 디바이스의 인버터, 컨버터에 사용된다. 전력반도체 소자에는 다이오드(PIN, SBD 등), 트랜지스터(MOSFET, IGBT 등), 사이리스트, 전력IC 등 다양한 종류가 있다.

전력반도체는 휴대전화 유·무선 충전기, 가전제품, 전기자동차, 기차, 스마트 팩토리, 항공기 모터구동용 인버터나 각종 컨버터, 데이터 센터, 태양광, 풍력발전의 전원공급 장치 등 전기를 사용하는 다양한 산업과 제품에 사용되고 있다. 전력반도체를 통해 모터를 구동시키고, 전기를 공급하며, 회로를 작동시키는 것이다.

절전형 가전부터 전기자동차, 신재생에너지 발전 등 다양한 분야에 전력반도체가 적용되고 수요가 늘어나고 있다. 이에 전류 용량이 크고, 감당할 수 있는 전압이 높으며, 누설되는 전류를 최소화하는 전력반도체를 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다. 지금까지 전력반도체에 주로 사용되어 왔던 실리콘(Si) 소재의 한계를 극복하는 차세대 소재들을 중심으로 한 개발이다. 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga₂O₃), 다이아몬드 소재들이 그 주인공이다.

실리콘을 뛰어넘는 차세대 소재

전력반도체는 지금까지 잘 알려진 실리콘(Si) 소재를 사용해 소자를 만들어 왔다. 저렴하고 전기적 특성을 쉽게 조절할 수 있어 지금까지도 냉장고나 에어컨 등 각종 전자기기에 적용되고 있다. 그러나 전력반도체는 메모리반도체와는 달리 고전압, 고전류를 사용하는 소자다. 전류를 흐르게 하는 온-상태와 전류를 멈추게 하는 오프-상태를 만드는 과정을 스위칭이라고 하는데, 스위칭 과정 중 발열이 일어나게 되고, 실리콘 소재는 여기서 발생하는 열에 취약하다.

이러한 실리콘의 단점을 극복하기 위해 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 소재를 사용하게 된다. SiC와 GaN 전력반도체는 와이드 밴드갭(WBG)으로 분류된다. 기존의 반도체보다 더 큰 밴드갭을 가지는 소재로 전류 누설을 최소화하고, 고전압 사용이 가능하다. SiC는 실리콘(Si)과 탄소(C)가 구성된 화합물 반도체 재료다. 절연 파괴 전계 강도가 실리콘에 비해 약 10배 높고, 밴드갭이 3배 크며 P, N형 제어가 넓은 범위에서 가능하기 때문에 수백~수천V급 고전압 전력반도체 소자 제작이 가능하다. GaN는 갈륨(Ga)과 질소(N)의 화합물 반도체 재료로 절연 파괴 전계 강도가 실리콘에 비해 11배, 밴드갭이 3배, 전자이동도가 5배가량 크다. RF 전력소자, 전력반도체 소자와 같은 전자소자와 발광다이오드, 레이저다이오드 등 광소자 분야에도 사용된다.

WBG보다 더 넓은 울트라 와이드 밴드갭(UWBG) 소재도 개발되고 있다. 산화갈륨(Ga₂O₃) 소재와 다이아몬드 소재이다. 산화갈륨(Ga₂O₃) 소재는 실리콘보다 밴드갭이 4배 이상 커 고전압 전력반도체 소자에 적합하다. 추후 SiC 전력반도체보다 더 높은 고전압 전력소자를 사용하는 전기자동차, 고속전철, 풍력발전, 전력전송, 스마트팩토리, 우주항공 등 다양한 산업 분야에 활용될 소재다. 다이아몬드 소재는 다른 모든 전력반도체 소재보다 월등하게 뛰어난 소재지만, 1인치 크기의 단결정 기판이 개발된 상황으로, 연구가 지속적으로 필요한 상황이다.

ETRI는 최근 산화갈륨 소재를 사용해 3,000V급 전력반도체 소자와 소재를 개발했다. 이 연구 결과가 더욱 특별한 것은 국산화에 성공했다는 것이다. 대부분 해외 기술에 종속된 WBG 기반 고효율 전력반도체 소자, 소재 기술과는 다르게, 우리나라가 UWBG 전력반도체 기술을 선점해 새로운 전력반도체의 역사를 써 내려갈 것을 기대해 본다.

※ 참고
- 문재경 외, “GaN 전력반도체 글로벌 연구개발 현황 및 미래 발전방향”, 전자통신동향분석, 31권 6호, 2016
- 문재경 외, “탄소중립의 핵심, 고효율 와이드밴드갭(WBG) 전력반도체 기술 동향”, 세라믹코리아, 409호, 2022, pp. 54-66.