Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(2)

차세대 UWBG(Ultra-wide bandgap) 산화갈륨 전력반도체 기술 개발 동향

문재경_한국전자통신연구원 책임연구원

1.    서론

1.1 차세대 UWBG 전력반도체 중요성

현대 사회에서 에너지는 모든 기술 혁신과 경제 성장의 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 애를 들면 최근 들어 AI 혁명과 맞물려 전세계의 데이터센터에서는 전력 부족으로 가동을 자유롭게 할 수 없을 정도이다. 이러한 전기 에너지의 부족은 그 동안 미국, 일본 유럽 등 선진 강대국에서 반대를 해 오던 원전 기술을 어쩔 수 없이 부활해야 한다는 분위기이다. 화력, 수력, 원자력, 신재생에너지 등 다양한 기술로 생산된 에너지는 그림 1에서와 같이 전기에너지로 변환되어 사용이 된다. 전력 반도체는 이 단계에서 전기 에너지의 효율적인 관리와 절약을 가능하게 하여 에너지 소비를 최적화하는 데 중대한 역할을 하고 있다.

그림 1. 전체 에너지가 전력전자에서 사용될 때 전력변환 효율의 중요성[1]

그러나, 전통적인 실리콘(Si) 기반 전력반도체는 고온 및 고전압 환경에서의 성능 한계로 인해 밴드갭이 넓은 WBG(Wide-band Gap) 전력반도체의 개발이 필요하다. 필자는 지금까지 고속 스위칭과 소형화 장점을 가진 WBG 질화갈륨(GaN) 전력반도체의 산업적 중요성과 기술개발 동향에 관하여 상세하게 보고한 바 있다[2-5]. 따라서 본 특집호에서는 GaN보다 밴드갭이 더 넓어 초고전압까지 응용이 가능하고 전력변환 효율이 더 좋아 전력 시스템의 에너지 절감 효과가 더 커서 전 세계적으로 주목을 받고 있는 차세대 Ultra-wide bandgap (UWBG) 산화갈륨(Ga₂O₃) 전력반도체 기술 동향에 관하여 말씀드리고자 한다.

UWBG 반도체는 일반적으로 3 eV 이상의 밴드갭을 가진 반도체를 의미하며, 넓은 밴드갭 덕분에 더 높은 전압과 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있다. 이로 인해 산업 및 연구계에서는 UWBG 소재인 산화갈륨(Ga₂O₃), 다이아몬드(C), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등에 대한 관심이 점점 증가하고 있다. 전기 에너지의 사용이 기하 급수적으로 증가하게 될 미래 사회에서 안정적이고 에너지 효율도 높은 UWBG 차세대 전력 반도체 시장을 선점하기 위하여 미국, 일본, 유럽, 중국 등 세계적으로 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 표1은 대표적인 UWBG 반도체의 물리적 특성을 비교하여 나타내었다.

표1은 대표적인 UWBG 반도체의 물리적 특성 비교(출처: 구글 조사 편집)

이들 중 특히 산화갈륨(Ga₂O₃)은 액상 성장법(melt-growth)으로 잉곳과 웨이퍼를 만들 수 있어 대구경화와 고품질화가 용이하며, 4.8eV 이상의 매우 높은 에너지 밴드갭과 우수한 전기적 특성 덕분에 가장 먼저 상용화가 되어 차세대 UWBG 전력반도체 기술의 혁신을 이끌 것으로 기대되고 있다. 이를 통하여 전력변환 시스템의 에너지 효율성을 높이고 탄소 배출을 줄여 지속 가능한 미래 사회 발전을 도모할 수 있을 것이다.

1.2 응용 분야

전력반도체는 에너지를 변환하고 제어하는 데 사용되는 필수 부품으로서, 전기 자동차, 태양광 발전, 풍력 발전, 그리고 전력 전송 및 변환 장치 등에 응용된다. 그림 2에서 보는 바와 같이 산화갈륨 전력반도체는 높은 전계강도(6-8 MV/cm)로 인하여 질화갈륨(GaN) 보다 는 고전압 영역에서, 그리고 탄화규소(SiC)의 응용 영역과 겹치는 전압대역에서 응용이 될 것으로 기대한다. 

그림 2. 전압 범위에 대한 GaN, SiC, Ga₂O₃전력반도체 기술의 응용분야

UWBG 반도체는 이러한 응용 분야에서 기존 실리콘(Si) 전력 반도체에 비해 전력 변환 손실을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있어 전반적인 시스템 효율을 높이는 데 기여할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에서 발생하는 전력손실을 최소화하면 주행거리와 배터리 수명을 늘릴 수 있으며, 이는 소비자에게 더 경제적인 사용과 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 태양광 발전 시스템에서 UWBG 반도체를 활용하면 변환 효율이 증가하고, 전력망 안정성을 강화하는 데 기여할 수 있다.

이러한 장점들은 미국, 일본, 유럽, 중국등 세계 주요 선진국들로 하여금 전력반도체 기술 개발을 더욱 촉진시키고 있다. 이번 특집호에서 중요하게 다룰 내용은 산화갈륨 반도체의 특성과 장점, 그리고 국내외 전력반도체 소자 기술개발 동향이다. 특히 국내 동향에서는 산화갈륨 반도체 소재, 소자, 분석등 관련 기술에 관한 핵심 연구기관들과 연구분야 뿐만 아니라 2017년부터 산화갈륨 전력반도체 기술의 개방형 연구(Open R&D)와 국산화를 위한 한국산화갈륨기술연구회의 주요 활동도 소개하고자 한다. 

이러한 국내외 산화갈륨 전력반도체 기술 개발 배경을 바탕으로 향후 우리나라에서 선도적으로 산화갈륨 전략반도체 기술의 상용화와 기술 사업화를 위해서 추가적으로 필요한 공백 기술과 향후 차세대 UWBG 산화갈륨기반 초고전압 전력반도체 연구개발의 방향성을 제시할 것이다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>