Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(1)

탄소중립의 핵심, 고효율 와이드밴드갭(WBG) 전력반도체 기술 동향

문재경_한국전자통신연구원 RF/전력부품연구실 책임연구원
전대우_한국세라믹기술원 디스플레이소재센터 책임연구원

1. 서론

일반적으로 재료공학 측면에서 소재를 분류하면 크게 그림 1과 같이 금속, 고분자, 세라믹, 복합체으로 구분할 수 있다. 세라믹은 일반적으로 금속 양이온과 비금속 음이온 간의 결합으로 만들어진 화합물 전체를 의미한다. 구체적으로 세분화하면 화합물을 구성하는 주요 성분에 따라 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 붕화물(Boride), 또는 탄화물(Carbide)로 분류되며, 대체로 고온에서 소결(sintering)된 비금속성 고체의 형태로 나타난다. 많은 세라믹 재료는 그 재료를 구성하는 원자 사이에 이온 결합(ionic bonding)과 공유 결합(covalent bonding)을 모두 포함한다. 이러한 세라믹 재료를 다시 전기전도도 관점에서 분류하면 도체(conductor), 부도체(insulator), 반도체(semiconductor)로 세분화가 가능하다.

그림1 . 재료공학적 소재 분류 및 세라믹 재료의 종류

  이중 반도체 세라믹 소재는 반도체 성질을 나타낼 수 있는 세라믹 소재로 정의될 수 있다. 반도체 성질은 도체와 부도체의 중간 성질을 나타내는 것으로 순수한 상태에서는 부도체와 비슷하지만 불순물의 첨가나 제어를 통해 전기전도도가 늘어나는 성질을 말하며 일반적으로 상온에서 10-3~1010 Ω·cm 정도의 비저항을 갖지만 그 범위가 명확하게 나뉘어 있는 것은 아니다.

그림2 . 에너지 효율성과 전력반도체와의 관계도[1]

  반도체 세라믹 소재의 특성은 화학적으로 안정하고 강도가 높고 높은 융점을 갖고 있어 고온에서 안정하다는 장점이 있으며 또한 반도체 성질을 나타내는 전기전도성이 있으며 제어가 용이한 소재 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 재료의 특성으로 인해 극한환경에서의 고온 안정성과 반도체 특성이 요구되는 고효율, 고내압, 초소형 전력반도체 분야에 다양한 소재들이 연구되고 있다. 그림 2는 전력반도체의 발전에 따란 전력의 생산, 분배, 저장, 활용되는 과정에서 에너지 절감 효과가 있는지를 나타내고 있다. 특히, 미래 초고도화 사회 진입에 따른 에너지 절감과 효율 개선에 대한 사회적 요구가 높아지는 상황에서 기존의 전통적인 실리콘(Si) 반도체 기반의 전력반도체 소자로는 한계에 부딪히고 있는 상황이다. 이에 따라 각각의 과정에서 에너지 손실이 발생하지 않고 에너지의 효율적인 사용을 위한 전력반도체 소재, 소자 기술 개발하여 사회 전반의 인프라에 적용할 필요성이 있다.

그림3 . 10대 핵심 기술 기반 2050 탄소중립 사회 계획도 (출처: 과기정통부)

  그림 3에서 보는 바와 같이 최근 발표된 2050 탄소중립 사회 구현을 위한 10대 핵심 기술을 보면 장기 저탄소 발전전략을 기반으로 이슈분석, 정책환경, 온실가스 감축 기여도, 주력산업 연관성 등을 고려하여 선정되었다. 선정된 10대 기술의 공통점은 에너지 효율 개선을 통한 탄소 중립 실현을 목표로 한다는 것이다. 특히 태양광, 건물효율, 수송효율, 데이터센터, 풍력발전 등에서는 전력의 활용을 위하여 전력반도체는 반드시 필요하며, 고효율의 전력반도체 적용을 통해 에너지의 고효율화를 달성할 수 있다. 이에 따라 에너지 및 탄소중립 이슈와 연계된 전력반도체의 중요도가 날로 증가하고 있다. 본 내용에서는 탄소 중립 실현을 위한 그 중심에 있는 전력반도체 분야의 대표적인 소재인 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3), 다이아몬드 소재 등에 대해 알아보고 이를 이용한 차세대 고효율 전력반도체 기술 동향에 대하여 알아보고자 한다.

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