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ETRI, 2300V 견디는 전력반도체 세계 첫 개발5년 내 상용화, 7000억 시장 선도 기대
ETRI 연구팀이 산화갈륨 전력반도체 모스펫의 성능을 측정하고 있다. 장우진 ETRI 책임연구원, 문재경 ETRI 책임연구원(왼쪽부터)

국내 연구진이 신소재를 이용해 세계 최고의 전압에 견디는 전력반도체를 세계 처음 개발하는데 성공했다. 이 반도체는 고전압이 요구되는 전자제품이나 전력모듈에 내장되어 효율성을 높일 수 있다. 

한국전자통신연구원(원장 김명준, 이하 ‘ETRI’)은 문재경 ETRI RF/전력부품연구그룹 박사 연구팀이 산화갈륨(Ga2O3)을 이용해 2300볼트(V) 고전압에도 잘 견디는 전력 반도체 트랜지스터를 처음으로 개발했다고 15일 밝혔다. 이름은 모스펫이다.

모스펫은 고전압이 요구되는 전자제품, 전기자동차, 풍력발전, 기관차 등에서 전력을 바꿔주는 모듈에 사용됨으로써 고전압·고전력에서도 잘 견디는 ‘힘센 반도체’로서 역할이 가능하다.

일상생활에서 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 쓴다면 기기 동작 시 발열이 적고 전력에너지 낭비가 덜돼 에너지를 절감할 수 있다.

연구팀이 개발한 모스펫.

산화갈륨은 실리콘(Si), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC)와 같은 반도체 물질이다. 고온-고전압에서도 반도체 성질을 유지해 칩 소형화와 고효율화가 가능하다. 또, 용액에서 고품질 대면적 웨이퍼로 만들기도 쉬워 저비용으로 대형 고전력 소자 제작이 가능해 차세대 전력반도체 소자로 부상 중이다.

기존 전력반도체소자는 실리콘, 질화갈륨, 탄화규소 위에 소자설계 후 패턴작업과 식각, 증착공정을 거쳐 트랜지스터를 만들어졌다면 이번 개발 성과는 기존 반도체 대신 ‘산화갈륨’을 이용한다는 점이 차별점이다.

연구팀은 ▲채널 및 전극 디자인 ▲반절연체 기판의 사용 ▲공정 및 소자구조 설계기술 채택 함으로서 세계 처음으로 2000V의 벽을 넘는데 성공했다. 이로써 기존 최고 전력소자인 미국 버팔로대학 1,850V급과 대비해 동작되는 저항을 50%로 낮췄고, 항복전압도 25% 높일 수 있었다.

향후 모스펫은 태양광, 풍력발전을 비롯한 신재생 에너지 산업에 많은 활용이 될 수 있다. 또, 전기차·수소차·자율주행차와 같은 차세대 자동차는 물론, 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 가전제품과 같이 다양한 산업에서도 활용이 가능해 시장전망이 매우 밝다고 설명했다.

연구팀은 모스펫을 5년 내 상용화해 오는 2025년에 산화갈륨 전력반도체 시장에 적극적으로 뛰어든다는 계획이다. 일본 후지경제보고서는 오는 2025년에는 산화갈륨 전력반도체 시장규모가 약 7031억원이 될 것이라고 예측했다.

문재경 ETRI RF/전력부품연구그룹 박사는 “향후 세계 최초로 산화갈륨 전력반도체의 상용화를 목표로 고전압·대전류용 대면적 소자 기술개발 연구를 추가적으로 진행할 예정이다”라고 후속연구계획을 밝혔다.

이 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 '저결함 (<1x104cm-2) 특성의 고품위 Ga2O3 에피 소재 및 1kV 이상의 항복전압을 가지는 전력소자 기술 개발'과제의 일환으로 지난 2017년부터 진행되었다.

이 연구성과는 우수성을 인정받아 미국 전기화학회(ECS) 학술지의 편집자 선택(Editors’Choice) 논문으로 선정되어 지난 2월 27일자로 게재됐다.

■논문 제목

2.32 kV Breakdown Voltage Lateral β-Ga2O3 MOSFETs with Source-Connected Field Plate 

■논문 저자

(제1저자) 장우진 ETRI 책임연구원, 정현욱 ETRI 책임연구원, 도재원 ETRI 책임연구원

(교신저자) 문재경 ETRI 책임연구원 

최민철 기자  abfps12@naver.com

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