전자통신姸 '전력반도체 트랜지스터'
소형화로 칩 2 ~ 3배 더 많이 생산
전자제품 · 전기차 효율 향상 기대
국내 연구진이 높은 전압에서 작동하는 '힘센 전력반도체'를 내놨다. 고전압·고전력을 요구하는 에어컨, 냉장고 등의 전자제품이나 전기자동차 등의 효율을 높이는 데 기여할 전망이다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 산화갈륨을 이용해 2300볼트(V) 고전압에서 잘 견디는 '전력반도체 트랜지스터(MOSFET)'를 개발했다고 15일 밝혔다.
전력반도체는 전력을 변환, 처리, 제어하는 반도체로, 전기자동차나 풍력, 태양광 발전 등 신재생에너지 분야에 널리 쓰이는 핵심 부품이다. 기존 전력반도체는 실리콘, 질화갈륨, 탄화규소 등의 반도체 물질 위에 소자를 설계한 후, 패턴과 식각, 증착의 공정을 거쳐 제작한다.
연구팀은 차세대 전력반도체 소재로 각광받고 있는 산화갈륨을 이용했다. 산화갈륨은 에너지 밴드 갭이 넓어 고온·고전압에서도 반도체 성질을 유지할 수 있고, 소형화와 고효율화를 구현할 수 있다. 또 복잡한 공정이 아닌 용액 공정을 통해 고품질 대면적 웨이퍼를 만들기 쉬워 저비용으로 대형 고전력 소자를 만들 수 있다. 하지만 전기전도도가 낮아 전류가 잘 흐르지 못하는 단점이 있다.
연구팀은 전자가 지나가는 채널과 전극의 디자인을 전기가 잘 통하도록 최적화하고, 반절연체 기판을 사용해 누설전류를 막아 산화갈륨의 단점을 해결했다. 높은 전압에서 반도체 성질을 잃지 않고 동작해 전류가 잘 흐르게 만든 것이다.
이렇게 제작된 소자는 전압 한계치 2000V를 넘어섰고, 동작저항은 50%까지 낮추면서 항복전압은 25% 가량 높였다. 소자 크기는 가로, 세로 0.2㎜, 0.4㎜ 수준으로, 현재 상용제품에 보다 30∼50% 작게 만들 수 있다. 동일한 크기의 웨이퍼로 기존에 비해 2∼3배 더 많은 칩을 생산할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
이 기술은 초고압직류송전(HVDC) 변환설비나 태양광·풍력발전 등 신재생에너지 산업, 전기차·수소차·자율주행차 등 차세대 자동차, 각종 전자제품 등에 활용할 수 있다. 현재 전력반도체 칩 생산기업과 전력변환모듈 생산기업 등에 기술이전을 추진할 계획이다.
문재경 ETRI RF/전력부품연구그룹 박사는 "앞으로 산화갈륨 전력반도체 상용화를 목표로 고전압 대전류용 대면적 소자를 개발하기 위한 후속연구를 진행할 계획"이라고 말했다.
한편 이 연구결과는 미국 전기화학회 학술지의 '편집자 선택' 논문으로 선정됐으며, 산업부 지원을 받아 연구가 수행됐다.
대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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