폴리머 알루미늄 전해 커패시터
전자 부품의 힘으로 화석 연료로부터의 전환 지원
전력 변환 및 모터 구동의 효율을 높이고 SiC, GaN 전력 반도체의 사용을 확대하기 위한 조건은 무엇인가?
전 세계 각국 정부와 모든 산업 및 비즈니스 분야의 기업들이 탄소 중립을 달성하기 위한 노력에 동참하고 있습니다(그림 1). 상상할 수 있는 모든 다각적인 탈탄소화 조치가 취해지고 있습니다. 예를 들어 태양광과 같은 재생 에너지의 활용, 화석 연료를 태워 사용하던 장비의 전기화, 가전제품, IT 장비, 산업용 모터와 같은 기존 기기의 전력 소비량 감소 등이 여기에 포함됩니다.
다양한 국가와 지역에서 온실가스 배출을 기업 활동에서 비용으로 전환하기 위한 제도로 탄소 가격 메커니즘을 도입하고 있습니다. 그 결과, 탄소경영 이니셔티브는 사회공헌으로서의 의미뿐만 아니라 기업 경영의 성적표 역할을 하는 재무제표에 명확한 수치적 영향을 미치고 있습니다.
50년 만에 반도체 재료의 전체 모델 변경
탈탄소화 노력을 위한 활동이 증가하고 있습니다. 이러한 배경에서 반도체 분야에서도 기술 혁신의 속도가 빠르게 빨라지고 있는 분야가 있습니다. 바로 전력 반도체 분야입니다.
전력 반도체는 전기 및 전자 장비를 작동하는 데 필요한 전력을 관리, 제어, 변환하는 역할을 하는 반도체 장치입니다. 이러한 소자는 소위 전력 전자 회로에 내장되어 있습니다. 가전제품이나 IT 기기에 구동 전력을 안정적으로 공급하는 전원 회로, 전력을 낭비 없이 송배전하는 전력 변환 회로, 모터를 높은 효율로 구동하고 토크와 회전 속도를 자유롭게 제어할 수 있는 회로 등이 여기에 포함됩니다. 지속 가능한 사회를 구현하는 핵심 장치인 이러한 전력 반도체가 이제 50년에 한 번 있는 풀 모델 체인지에 들어갔습니다.
전력 반도체에는 MOSFET*1, IGBT*2, 다이오드 등 다양한 소자 구조가 있습니다. 이들은 목적에 따라 다르게 사용됩니다. 하지만 구조는 다르지만 소자 재료로는 실리콘(Si)이 50년 이상 꾸준히 사용되고 있습니다. 그 이유는 Si는 전기적 특성이 우수하고 동시에 다양한 소자 구조로 가공하기 쉬운 특성을 가지고 있기 때문입니다.
*1: 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)는 전계 효과 트랜지스터의 일종입니다. 전기 스위치 역할을 합니다. 이 트랜지스터는 금속, 산화물, 반도체의 세 가지 층으로 구성됩니다. 게이트라고 하는 전극에 전압을 가하여 전류를 켜고 끕니다.
*2: 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 MOSFET과 바이폴라 트랜지스터를 결합한 구조의 트랜지스터입니다. MOSFET의 고속 동작과 바이폴라 트랜지스터의 높은 내전압 및 낮은 저항을 결합한 것이 특징입니다.
그러나 실리콘(Si) 기반의 전력 반도체는 다양한 전기-전자 기기의 전력 소비를 더욱 줄이기 위한 높은 수준의 기술 요구 사항을 더 이상 충족시키지 못하고 있습니다. 이러한 상황을 극복하기 위해 전력 반도체의 재료로 Si보다 적합한 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 신소재의 활용에 대한 연구가 진행 중입니다. SiC와 GaN은 전력 반도체에 적합한 여러 가지 물리적 특성과 특성을 가지고 있습니다. 여기에는 유전체 파괴 전계 강도(내전압에 영향), 이동도(동작 속도에 영향), 열전도도(신뢰성에 영향)가 포함됩니다. 이러한 우수한 특성을 끌어낼 수 있는 소자를 개발한다면 더욱 높은 성능의 전력 반도체를 구현할 수 있습니다.
SiC 기반 MOSFET과 다이오드는 이미 상용화되었습니다. 전기자동차(EV) 모터 구동 인버터, 태양광 발전 파워 컨디셔너의 DC/AC 컨버터 및 기타 장비에 사용되고 있습니다. GaN 기반 HEMT*3도 이미 상용화되었습니다. 초소형 PC용 AC 컨버터, 스마트폰 충전기, 기타 장비에 사용되고 있습니다.
*3: 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 서로 다른 특성을 가진 반도체를 결합하여 높은 이동도를 가진 전자를 유도함으로써 고속 스위칭을 가능하게 하는 전계 효과 트랜지스터입니다.
커패시터, 인덕터 및 기타 장비의 진화는 SiC와 GaN의 잠재력을 끌어내는 데 필수적입니다.
기존 전력 전자 회로에서 실리콘 기반 소자를 교체하는 것만으로는 신소재를 기반으로 만든 전력 반도체의 뛰어난 잠재력을 충분히 끌어낼 수 없습니다. 전력전자 회로를 구성하는 다른 반도체 IC, 수동 소자, 제어 소프트웨어까지 모두 Si 기반 전력반도체에 사용될 것을 전제로 개발되고 선택되었기 때문입니다. 신소재 기반 전력 반도체를 효과적으로 활용하기 위해서는 이러한 주변 부품들도 새롭게 재개발하고 재선정할 필요가 있습니다.
예를 들어, 최근 데이터 센터 서버의 전원 공급 장치에서 전력 소비를 낮추기 위해 도입된 GaN HEMT를 채택한 AC/DC 컨버터 회로에 많은 GaN HEMT가 사용되고 있습니다(그림 2). 고전압에서 고속 스위칭이 가능하다는 GaN HEMT의 특징을 활용하여 전력 전자 회로의 스위칭 주파수(동작 주파수)를 향상시킬 수 있습니다. 회로에 내장된 커패시터와 리액터 신호 처리 회로의 인덕터의 리액턴스 값은 동작 주파수가 높은 회로에서 낮출 수 있습니다. 일반적으로 리액턴스가 낮은 부품은 크기가 작습니다. 따라서 회로 기판의 크기를 줄이고 전력 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 마찬가지로 전기차 모터와 기타 부품을 구동하는 인버터 회로에도 SiC MOSFET을 도입하면 주변 부품의 소형화가 가능하고 전체 인버터 회로를 더 작고 가볍게 만들 수 있습니다.
반면 고전압 및 고속 스위칭 전원 공급 장치에서는 높은 수준의 노이즈가 발생할 수 있습니다. 그러면 노이즈가 주변 장비의 작동에 악영향을 미칠 가능성이 있습니다. SiC 및 GaN으로 만든 전력 반도체로 구성된 전원 공급 장치는 더 높은 주파수로 스위칭합니다. 따라서 노이즈 발생 위험이 더욱 높아집니다. 따라서 기존 전력 전자 회로를 사용할 때보다 더 엄격한 노이즈 억제가 필요합니다. 이때 기존 회로용이 아닌 고전압, 대전류, 고주파 회로에 적용하도록 설계된 노이즈 억제 부품을 사용해야 할 필요가 있습니다.
또한 수동 부품 중에서도 특히 무거운 부품인 변압기의 경우 더 높은 주파수에서 작동하는 소형 변압기에 대한 필요성도 있습니다. 로우 프로파일 평면형 변압기 및 기타 부품은 이미 SiC 및 GaN 기반 전력 반도체에 사용될 것이라는 가정 하에 개발되어 시장에 출시되었습니다.
전력 반도체와 더불어 주변 부품의 진화에 주목하다
지금까지 전력 반도체뿐만 아니라 다양한 종류의 반도체가 Si를 기반으로 만들어졌습니다. 따라서 기존의 많은 전자 부품들은 Si 기반 반도체와 결합하여 사용된다는 암묵적인 가정 하에 개발되어 왔습니다. 신소재로 만든 전력반도체 도입 효과를 극대화하기 위해서는 단순히 기존 부품 중에서 더 좋은 제품을 찾는 것이 아니라 새로운 기술 요구사항에 맞는 새로운 제품을 개발해야 할 필요성이 커질 수 있습니다.
일반적으로 실리콘 기반 전력 반도체는 처리할 수 있는 전압과 전류가 클수록 낮은 속도에서 작동하는 경향이 있습니다(그림 3). 그렇기 때문에 고전압과 대전류를 처리할 수 있는 소형 커패시터와 리액터가 충분하지 않습니다. 또한 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있는 SiC 기반 전력 반도체의 경우 방열 시스템을 단순화하고 크기와 무게, 비용을 줄이는 추세입니다. 이러한 경우 수동 부품은 고온 환경에서도 높은 신뢰성을 보장해야 합니다.
전력 반도체 분야의 신소재 도입은 50년 이상 Si 소재에 최적화되어 있던 전기전자 생태계를 업데이트하는 중요한 움직임입니다. 따라서 신소재에 최적화된 주변 전자 부품의 진화에도 많은 관심을 기울이고자 합니다.
