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세계 최고 전압 견디는 전력변환 반도체 국내서 개발

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세계 최고 전압 견디는 전력변환 반도체 국내서 개발

2019.05.15 00:00
국내 연구팀이 반도체 물질인 산화갈륨을 이용해 높은 전력에도 견디는 전력변환 반도체를 개발했다. 사진제공 ETRI
국내 연구팀이 반도체 물질인 산화갈륨을 이용해 높은 전력에도 견디는 전력변환 반도체를 개발했다. 사진제공 ETRI

세계에서 가장 높은 전압을 견디는 전력 변환 반도체를 국내 연구팀이 세계 최초로 개발했다. 미국이 개발한 기존 최고 전압 반도체보다 25% 높은 전압을 견딜 수 있다. 높은 전압이 필요한 냉장고, 에어컨 등의 가전기기와 전기자동차, 풍력발전기 등의 효율을 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.


한국전자통신연구원(ETRI)은 문재경 RF/전력부품연구그룹 프로젝트리더팀이 새로운 반도체 물질로 주목 받고 있는 ‘산화갈륨’을 이용해 2320볼트(V)의 높은 전압을 견디는 새로운 전력 변환 반도체 트랜지스터를 개발했다고 15일 밝혔다. 


대부분의 전자제품은 높은 전압을 견디기 어려운 부품을 탑재하고 있어 내부에 전압을 적절히 낮춰주는 전력 변환 반도체를 지녀야 한다. 하지만 전력 변환 과정에서 전기의 상당수가 열로 변환해 사라져 효율성이 낮다는 문제가 있었다. 특히 높은 전압에서 전기를 전달하는 능력(전도도)가 떨어지는 점이 큰 골칫거리였다.


문 프로젝트리더팀은 새로운 반도체 물질로 높은 온도와 전압을 가해도 반도체 성질을 유지하는 산화갈륨을 이용해 가로02.mm, 세로 0.4mm 크기의 작은 반도체 소자를 만들었다. 여기에 전자가 지나가는 ‘길’인 채널과 전극의 디자인을 최적화하고, 소자 구조 설계기술을 바꾸는 방법으로 기존 최고 기록을 보유한 전력변환반도체에 비해 견디는 전압은 25% 높고 전기 저항은 절반으로 낮은 새로운 전력변환반도체를 완성했다. 


연구팀은 새로운 반도체 소자를 이용하면 현재 사용되고 있는 칩보다 30~50% 작은 칩을 만들어 동일한 웨이퍼 대비 생산 효율을 2~3배 높일 수 있을 것으로 보고 있다. 이를 바탕으로 전력 소모가 많은 냉장고, 청소기, 에어컨 등의 가전제품은 물론, 또 크기를 키운 대면적 소자로 개발해 초고압직류송전(HVDC) 변환설비, 전기자동차, 풍력발전, 기관차 등에 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

ETRI 연구팀이 공정이 완료된 산화갈륨 전력 반도체 온-웨이퍼 측정하고 있다. 사진제공 ETRI
ETRI 연구팀이 공정이 완료된 산화갈륨 전력 반도체 온-웨이퍼 측정하고 있다. 사진제공 ETRI

문재경 프로젝트리더는 “산화갈륨 전력반도체 세계 최초 상용화를 목표로 고전압·대전류용 대면적 소자 기술개발 연구를 추가적으로 할 예정”이라고 말했다. 연구팀은 이번에 개발한 반도체 트랜지스터의 구조와 소자설계, 제조공정 등을 전력반도체칩 생산회사 등에 기술이전할 계획이며 5년 내 상용화가 가능할 것으로 내다보고 있다.

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