전력반도체

Power semiconductor.

전력변환, 전력변압, 전력안정, 전력분배 및 전력제어 등을 수행하는 데 사용되는 반도체 및 부품. 예를 들어 가정에 공급되는 220V 교류 전류로 스마트폰을 충전하려면 5~20V 직류 전류로 바꿔줘야 하는데 이런 걸 전력반도체가 한다. 사실 우리가 사용하는 전기전자 제품 중 가정에 공급되는 전기를 변환하지 않고 그대로 쓸 수 있는 건 많지 않다. 발전소에서 가정까지 오는 전기는 교류지만 가전제품은 대부분 직류 전기를 사용하기 때문이다. 또한 가정에 들어오는 220V 전기를 그대로 쓰지 않고 감압해서 쓰는 제품이 많아서 모든 전자전기 제품에는 전력반도체가 들어가 있다고 보면 된다.

우리가 '반도체' 하면 떠올리는 메모리 반도체나 비모리 중에서도 대부분의 반도체와는 가는 길이 다르다. 대다수 반도체는 공정을 최대한 미세화하고 아주 낮은 전력으로도 작동될 수 있도록 기술을 개발하는데 전력반도체는 반대로 갈수록 대용량의 전력을 원활하게 처리하는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 전력의 용량이 커지면 전력반도체도 덩치가 커질 수밖에 없는데, 어떻게 하면 대용량의 부하를 감당하면서 전력 손실을 줄이기 위해 저항을 최소화하며, 크기를 작게하고, 대용량 전력을 처리하는 과정에서 생길 수밖에 없는 높은 열을 견딜 수 있는가, 이게 전력반도체의 기술 발전 방향이다. 집적회로를 기반으로 하는 반도체가 공정 미세화에 집중한다면, 전력반도체는 높은 열과 부하를 감당하며 전력 손실이 적은 소재 개발이 중요하다.

우리나라는 세계적으로 손꼽히는 반도체 강국이지만 메모리 반도체 쪽으로 비중이 몰려 있고 비메모리 분야 중에서도 전력반도체는 그닥 관심을 받고 있지는 못한 실정이다. 하지만 최근 들어 전기 전자기기가 대용량 고출력으로 나아가고 있고, 전기자동차, ESS 시장이 빠르게 성장하고 있어서 고출력 충방전을 안정성 있게 처리할 수 있는 고성능 전력반도체에 대한 수요도 빠르게 늘어나고 있다.

이러한 전력반도체에서 무엇보다도 중요한 것은 소재다. 전력반도체로 가장 각광 받는 웨이퍼 소재는 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)이다. 단, GaN도 그 아래에는 Si 또는 SiC 웨이퍼가 있고, 그 위에 GaN을 코팅하는 형태로 만든다. 반도체 소재로 가장 널리 쓰이는 실리콘 기반 전력반도체도 있기는 하지만 고출력에 사용하기에는 성능이 부족하고 발열량이 많아져서 화재 위험도 커진다. 가장 큰 문제는 실리콘은 섭씨 150도가 넘어가면 반도체의 성질을 잃어버리기 때문에 대용량 전력을 다뤄야 하는 전력반도체에는 쓰일 수 없다. 그에 비해 질화갈륨 소재는 용량도 크고 녹는점이 2,500°C로 1,410°C인 실리콘보다 높으며, 섭씨 800도까지 반도체의 성질을 유지하며 저항이 낮아 발열도 적기 때문에 전력반도체에는 가장 좋은 소재라고 할 수 있지만 실리콘에 비해 갈륨의 가격이 많이 비싸다는 게 가장 흠. 하지만 최근 전기전자 장치가 대용량, 고출력으로 가다 보니 기존 반도체를 사용하는 전원공급장치나 충전기가 너무 커지고 열도 많이 나는 문제가 있어서 최근 들어 GaN을 사용해서 작으면서도 높은 충전 용량을 가진 충전기들이 속속 나오고 있다.

질화갈륨보다는 효울이 좀 부족해도 SiC 역시 각광 받는 소재다. 같은 두께의 실리콘 웨이퍼와 비교하면 10배 높은 전압을 견딜 수 있고 열에도 강하기 때문에 실리콘보다는 전력반도체로는 월등히 좋은 소재다. 또한 실리콘보다는 비싸지만 질화갈륨보다는 월등히 싸다는 것도 강점이다.