[웹이코노미 심우성 기자] 전기자동차의 전력 변환효율 향상을 위한 연구개발이 세계적으로 활발하게 진행되는 가운데 국내 연구진이 고전압에서 좋은 성능을 발휘하는 동시에 전력 손실을 최소화하는 수직형 질화갈륨 전력반도체 핵심기술을 개발했다. 이로써 에너지 효율 개선 및 소재·부품·장비 국산화에 큰 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 6일 ‘질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술’을 개발했다고 밝혔다. 전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 반도체를 말한다. 가전제품, 스마트폰, 전기자동차, 태양광 발전, 데이터센터 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력운용을 가능케 하는 핵심부품이다. 이번에 연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다. 질화갈륨 단결정 기판을 적용했기 때문이다. 기존에는 이종(異種) 반도체기판을 사용함으로써 결함이 발생, 전력 손실이 불가피했다. 따라서 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서만 활용될 수 밖에 없었다. 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종(同種)의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 다년 간의 질화갈륨 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다. 그 결과 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해내는 데 성공, 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발했다. 수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력 소자 에피를 성장시킨 후 설계 및 공정, 패키징 과정을 통해 생산된다. 국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다. 연구진이 국내 기술력으로 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술 개발을 이뤄냄으로써 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 고전압·소형화가 핵심인 전기차 배터리 개발에 필수적인 요소다. 전력 손실 감소 및 전력 변환효율 향상으로 전비(電費)를 높일 수 있고 소형화를 통해 전기차 부피를 줄일 수 있기 때문이다. 연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 “질화갈륨 단결정 기판을 이용한수직형 질화갈륨 전력반도체는 질화갈륨이 가지고 있는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있는 것은 물론, 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것”으로 예상했다. 심우성 기자 webeconomy@naver.com