ETRI, 2300V 견디는 산화갈륨 칩 개발…다양한 활용 기대

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 신소재를 이용해 세계 최고의 전압을 견디는 전력반도체를 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 산화갈륨(Ga2O3)을 이용해 2300볼트(V) 고전압에도 잘 견디는 전력 반도체 트랜지스터인 일명 ‘모스펫(MOSFET)’를 처음으로 개발했다고 15일 밝혔다.

고전압이 요구되는 전자제품, 전기자동차, 풍력발전, 기관차 등에서 전력을 바꿔주는 모듈에 사용해 고전압·고전력에서도 잘 견디는 ‘힘센 반도체’ 역할을 할 것으로 보인다.

실제 일상 생활에서 노트북을 쓸 때 어댑터를 사용한다. 220V의 전기가 들어오지만 노트북 내 부품들은 전압을 견디기 어려워 어댑터로 전압을 낮춰 사용한다.

특히 에어컨, 냉장고, 진공청소기처럼 전력 소모가 많은 경우 높은 전압이 필요하다.

이때 산화갈륨과 같은 전력변환 효율이 좋은 소재를 사용하면 기기 동작 시 뜨겁게 달아오르지도 않고 전력에너지 낭비가 적어 에너지가 절감된다.

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

또 용액에서 고품질 대면적 웨이퍼로 만들기도 쉬워 저비용으로 대형 고전력 소자 제작이 가능해 차세대 전력반도체 소자로 주목받고 있다.

기존 전력반도체소자가 실리콘, 질화갈륨, 탄화규소 위에 소자 설계 후 패턴 작업과 식각, 증착공정을 거쳐 트랜지스터를 만들었다면 이번 성과는 기존 반도체 대신 ‘산화갈륨’을 이용한다는 점이 다르다.

산화갈륨처럼 밴드 갭이 넓은 물질은 전기 전도도가 떨어진다는 단점이 있었다.

이에 연구진은 높은 전압에도 반도체 성질을 잃지 않고 동작되도록 만들어 전류가 잘 흐르게 하는 전력반도체칩을 제작하는 것이 가장 큰 어려움이었다.

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 성공했다.

기존 최고 전압 수준 대비 최소 25% 높은 2320V 산화갈륨 전력반도체 소자기술을 개발한 것이다.

이를 통해 기존 미국 버팔로대학 1850V급 전력소자와 비교해 동작되는 저항을 50%로 낮추고 항복전압도는 25% 높이는 산화갈륨 트랜지스터를 구현했다.

이 산화갈륨 전력반도체 소자의 크기는 0.2㎜ x 0.4㎜ 수준이다. 향후 칩을 대형화하기 위해 패키징을 할 경우 표준 크기가 1.5㎝ x 1.5㎝ 내외인데 전용 패키지를 만들어 더 작게 만들 계획이다.

연구진은 칩 크기를 현재 상용제품 대비 30~50% 작게 만들 수 있어 동일한 웨이퍼 대비, 칩 생산을 2~3배 더 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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

또 전기차·수소차·자율주행차와 같은 차세대 자동차는 물론 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 가전 제품과 같이 다양한 산업에서도 활용할 수 있다.

연구진은 이번에 개발한 트랜지스터의 구조, 소자설계, 제조 공정기술 등에 대해 전력반도체칩 생산회사와 전력변환모듈 생산업체 등에 기술을 이전할 계획이다.

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

이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 ‘저결함 (<1x104cm-2) 특성의 고품위 Ga2O3 에피 소재 및 1kV 이상의 항복전압을 가지는 전력소자 기술 개발’과제의 일환으로 2017년부터 수행했다.

연구진은 기술의 상용화를 5년 내로 보고 있다.

연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 전기화학회(ECS) 학술지의 편집자 선택(Editors’Choice) 논문으로 지난 2월 27일 선정됐다.

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