전기차 충전시간 확 줄인다…3kV급 전력반도체 기술 개발

한국전자통신연구원·한국세라믹기술원

문재경 ETRI 책임연구원(왼쪽)과 전대우 KICET 전대우 책임연구원(오른쪽)이 산화갈륨 에피소재와 모스펫 소자에 관해 논의하고 있다. ETRI 제공

국내 연구팀이 '차세대 전력반도체'로 불리는 산화갈륨 전력반도체의 핵심인 에피 소재와 모스펫 소자 공정 기술을 개발했다. 

한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3킬로볼트(kV)급 산화갈륨 전력반도체 소자 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 

전력반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 정부가 지정한 12대 국가전략기술 중 하나다. 이동 및 양자통신, 전기차, 태양광 및 풍력발전, 전력전송, 국방, 우주항공, 양자컴퓨터 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다. 현재 95% 이상 해외 수입에 의존한다. 

공동연구팀은 산화갈륨을 활용해 전력반도체 소재와 소자 기술을 국산화하는 데 성공했다. 산화갈륨(Ga2O3) 전력반도체의 핵심 소재로 지금까지는 일본과 미국이 기술적 우위에 있다고 알려져 있다. 

KICET 연구팀은 단결정 기판 위에 에피 박막 여러 층을 성장시키는 공정인 '산화갈륨 에피 소재 기술'을 개발했다. 에피 박막의 두께를 10억분의 1미터인 나노미터(㎚) 크기에서 100만분의 1미터인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있다. 전자농도도 광범위하게 조절할 수 있다. 에피 박막은 소자의 성능을 좌우하는 핵심 기술이다.  

ETRI 연구팀은 에피 박막 기술을 활용해 3kV급 모스펫(MOSFET) 소자를 개발했다. 에피소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자인 모스펫 소자를 제작했다. 

3kV급은 도시철도, 지하철, 초급속 전기차 충전기 등에 응용이 가능한 전압 수준이다. 산화갈륨 3kV급 전력반도체를 전기차 초급속 충전기에 적용할 경우 충전 시간을 30분대에서 20분 이하로 줄일 수 있다. 

연구팀은 개발한 전력반도체 소자로 기존 전력반도체 대비 가격 경쟁력을 20배 수준으로 올릴 수 있다고 내다봤다. 기존 전력반도체의 3분의 1에서 5분의 1 수준까지 제조 비용을 줄일 수 있다는 설명이다. 

산화갈륨 반도체는 더 높은 전압까지 견딜 수 있어 전력반도체 소자의 크기를 절반 이상 줄일 수 있다고 설명했다. 전력변환 효율도 높아 전력반도체 소자의 성능을 10배 이상 높일 수 있는 것으로 나타났다.

향후 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업분야에 적용할 수 있을 것으로 전망했다.

ETRI는 "1마이크로미터 두께의 도금공정을 이용한 4인치 모스펫 소자 상용화 기술을 개발 중"이라며 "세계 최초로 수 kV급 산화갈륨 전력반도체 모스펫 소자를 상용화할 계획"이라고 밝혔다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]