ETRI, 전력손실 줄인 800V급 전력반도체 내놨다

부피도 최대 30% 이상 줄여
태양광·전기차 등에 활용가능

ETRI 연구진은 고출력·고효율·고전압 특성을 지닌 '수직형 질화갈륨 전력반도체'를 개발했다. 이 전력반도체는 고전압에서 전력 손실을 최소화해 전기차의 주행거리 향상과 반도체 크기를 최대 30% 이상 소형화할 수 있다. ETRI 제공

질화갈륨 전력반도체를 시연하는 ETRI 연구원. ETRI 제공

국내 연구진이 고전압의 전기차 배터리에 적용할 수 있는 차세대 전력반도체 관련 소재·소자 기술을 동시에 확보했다. 이 기술은 높은 전압에서 전력변환 효율이 우수하고, 전력 손실을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 부피를 최대 30% 이상 줄일 수 있어 전기차는 물론, 태양광 발전, 스마트폰, 데이터센터 등에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용해 '800V급 수직형 전력반도체'를 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환해 공급하는 반도체다. 가전제품과 스마트폰, 전기차, 태양광 발전, 데이터 센터 등에 장착, 효율적 전력 운용을 돕는 핵심 부품으로 쓰인다.

기존 수평형 전력반도체는 서로 다른 반도체 기판 사용으로 결함이 생겨 전력 손실이 불가피하다. 또한 실리콘이나 탄화규소 등은 반도체 소재가 견딜 수 있는 최대 전압이 높지 않아 소형 충전지와 같은 저전압 영역(200∼300V급)에서 주로 활용할 수 밖에 없다.

연구팀은 열에 강하고, 전력밀도가 높아 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 '질화갈륨'을 이용해 단결정 기판 위에 같은 종류의 질화갈륨 에피층(기판 위에 단일결정의 반도체 박막을 형성한 층)을 수직으로 쌓아 올려 전압을 높이면서 저항을 억제했다.

그 결과, 기존 수평형 전력반도체에 비해 높은 항복 전압(반도체 소재가 견딜 수 있는 최대 전압)을 지닌 800V급 수직형 질화갈륨 전력반도체 개발에 성공했다.

그동안 전력반도체 제작을 위한 기판은 90% 이상을 일본 등 해외에서 수입해 왔다. 관련 기술은 비투지에 이전됐으며, 2∼3년 내 상용화를 통해 전기차 배터리나 태양광 인버터, 전력 송배전망 등에 적용될 전망이다.

이형석 ETRI 기술총괄은 "질화갈륨이 가지는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있고, 소형화를 통해 부피를 줄일 수 있다"며 "최근 빠르게 성장하고 있는 전기차용 차세대 전력반도체에 널리 활용될 것"이라고 말했다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr