고효율 전력변환을 위한 전력반도체 기술
반도체시스템공학과 임유승
1. 서론
전력변환(Power conversion)이란 용어가 낮설게 느껴질 수 있지만, 우리는 일상 속에서 전력변환 기술을 통해 모든 생활을 영위하고 있다. 우리가 에너지라고 일컫는 전기는 발전소에서 생산되고 모든 가정에 공급이 된다. 우리가 쓰고 있는 220V 교류(AC)전압은 가정에 공급되고 있다는 사실을 알고 있다. 그럼 발전소에서는 어떻게 전달될까?
그림 1. 가정에 공급되는 전압과 전력반도체의 역할 [1]
생산된 전기는 도심으로 전달되기 위해서는 승압이란 과정을 거쳐서 매우 높은 전압을 변환된다. 전압을 크게 바꾸기 위해서는 교류를 이용한 경우 쉽게 가능하고 손실을 감안하더라도 먼 거리를 가능케 한다. 현재 154kV에서 765kV까지 승압을 통해 전달하고 가정에는 배전이란 과정을 거쳐 교류 220V를 공급한다. 여기까지는 우리가 ‘가정에 220V 교류가 들어온다’라는 사실을 인지하기 쉽게 다가온다.
그런데 전력변환이 중요한 이유는 우리가 사용하고 있는 거의 대부분의 전자제품은 직류를 쓰고 있기 때문이다. 직류는 시간에 따라 전압이 변하지 않는 에너지로 노트북, TV, 냉장고, 세탁기 심지어 모든 전자기기까지 직류를 사용하고, 각각의 기기가 요구하는 전력량에 따라 다른 전압을 채택한다. 즉, 220V 교류전압을 5V, 10V, 15V 등의 직류전압으로 바꿔줘야 한다. 여기에 쉽게 접할 수 있는 어댑터(Adapter)를 떠올릴 수 있다. 즉, 어댑터는 교류를 직류로 바꾸어 주고, 원하는 전압으로 낮춰주거나 높여주는 역할을 하는 것이다. 바로 여기에는 반도체의 정류작용(Rectification)이 활용된다. 즉, 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특징을 활용해, 양과 음 전압으로 실시간으로 변화하는 교류를 한쪽 방향을 걸러 직류로 만들어 주는 기술이 적용된다. 반대로 직류를 교류로 만들어 줄 때는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 이용해 교류형태로 만들어 주는 기술을 활용한다. 여기에도 당연히 반도체가 활용된다. 그림 2는 전력변환의 종류에 따른 특성을 나타낸다. 순서대로 교류를 직류로 변환, 교류의 주파수변환, 직류 전압의 변경, 직류를 교류로 변환을 나타내며 응용 환경에 따라 사용처가 모두 다르다.
그림 2. 전력변환 종류 [1]
전력변환에 대한 간략한 이해를 돕기 위한 앞선 내용을 바탕으로 본론에서는 도대체 왜 고에너지갭이란 반도체 소재가 필요하며, 고효율이 왜 요구되는지에 대해 다루고자 한다.
2. 높은 전압을 견딘다는 의미
반도체는 밴드갭이란 고유 특성을 갖고 있고, 반도체에 전압을 가할 시 특정 전압 이상에서 항복현상(breakdown)이 발생해 급격히 전류가 증가해 반도체를 제어할 수 없게 되고 열화되는 특성을 갖는다. 이러한 항복현상은 반도체의 밴드갭 크기에 의존하고 있고 대표적으로 Si은 1.1eV의 밴드갭을 갖는다. 이를 항복전계(Breakdown Electrical Field)로 변환하면 0.3MV/cm 값을 갖는다. 즉, Si 자체의 항복전압의 임계값은 정해져 있기 때문에 항복전압을 증가시키기 위해서는 반도체의 저항성을 키워야 한다. 저항성을 키우기 위해서는 반도체의 불순물 농도(impurity concentraion)를 낮추어 저항을 크게 가져가는 방법이 널리 사용된다. 반도체는 불순물의 농도를 조절함으로써 전류를 매우 잘 흐르게 할 수도, 매우 적게 흐르게 할 수 있는 특징을 갖는다. 좀 더 쉽게 얘기하자면, 반도체 특성을 보이는 최적의 디바이스 특성에 저항을 키우기 위한 적은 양의 불순물 농도를 갖는 층을 첨가해 전류가 흐르는 방향으로 저항이 높은 영역을 만들어 주는 것이다. 여기서 저항이 높은 영역의 폭이 넓을수록 전류가 흐르기 더욱 어렵게 되고 견딜 수 있는 항복전압도 키울 수 있게 된다. 또한, 다른 방법으로는 반도체는 전자(Electron)와 정공(Hole)의 각각의 양에 따라 n타입 및 p타입으로 만들 수 있다. 즉, 전자가 많은 상태의 반도체를 n타입, 정공이 많은 상태의 반도체를 p타입으로 일컫는다. 두 반도체가 서로 접합(Junction)을 이룰 때, 우리는 다이오드(Diode)라고 부르며, 이 다이오드가 바로 정류작용을 할 수 있는 반도체 소자가 된다. 이런 반대 극성(Polarity)를 갖는 성분을 이러한 항복전압을 높이기 위한 층으로 활용함으로써도 항복전압을 높일 수 있다. 다시 정리하면, 같은 극성을 갖는 반도체 내 불순물농도가 다른 층을 삽입하는 방법, 그리고 다른 극성을 갖는 층을 삽입하여 두 극성이 만나는 접합면에 공핍층(Depletion layer)이란 층을 형성하여 저항을 키우는 방법을 활용할 수 있다. 이것이 반도체의 항복전압을 높임으로서 응용분야에 맞는 소자 설계를 가능케 한다.
3. 높은 전압 구현의 필요성, Si의 한계 그리고 산업
앞서서 전압의 종류와 변환 그리고 사용분야에 대해 알아 보았다면, 좀 더 전압의 관점에서 살펴보고자 한다. 전압(Voltage)란 전위차(Electric Potential Difference)라고도 불리며, 전기장(Electric Field) 안에서 전하가 갖는 전위(Electric Potential)라고 한다. 쉽게 말해서 어느 구간 사이에 서로 간의 위치에너지 차이라고 볼 수 있다. 전압이 크다는 것은 전하들이 더욱 큰 힘을 갖고 이동할 수 있음을 의미하며, 시간 당 이동하는 전하의 양이 많다는 뜻을 갖는다. 전압을 얘기할 때 떼어 놓을 수 없는 것이 전력(Electric Power, P)이다. 전력은 전기에너지가 일할 수 있는 능력을 나타내고, 단위 시간당 전달되거나 변환된 전기에너지에 의해 수행된 일의 양으로 나타낼 수 있다. 전력(P)는 전압(V)와 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있다. 여기서 우리는 두 가지 조건을 고려해 볼 수 있다. 같은 전력량을 나타내는 A, B 사례에서 A는 B보다 높은 전압을 가지면 상대적으로 적은 전류량을 나타낼 것이다. 이는 어떤 의미일까? 전류가 크면 많은 전자들이 동시간에 흐르게 된다. 이는 내부에 진동 및 충돌을 유발하고 점진적으로 열을 발생시킨다. 열은 곧 손실(Loss)로서 나타나게 된다. 즉, 같은 전력량을 가질 때 높은 전압과 낮은 전류는 손실 측면 및 설계관점에서 보다 유리해 진다.
그러면, 전압을 높이는 것이 항상 옳은 판단인 것인가 라는 질문에는 그렇지 않다. 전압을 높인 다는 것은 결국 반도체의 항복전압을 높여 개방(Open) 상태를 만들어 줘야하는데 항복전압을 높이기 위한 저항층의 두께 증가는 결국 반도체 전체의 저항을 증가시키는 결과를 가져온다. 증가된 저항에 의해 전류를 흘려야하는 상태에서 높은 저항성분으로 인해 손실이 그 만큼 발생한다. 즉, 항복전압과 저항은 서로 트레이드-오프 관계를 가지기 때문에 이를 극복하기 위한 다양한 시도들이 진행되어 왔다. 그 중 여기서는 소재의 한계 극복에 국한해 소개하고자 한다.
그림 3. (좌)물질에 따른 밴드갭 및 항복전계 특성. (우)항복전압 설계에 따른 요구 온저항 특성
그림 3의 좌측 그래프는 물질에 따른 밴드갭 값 및 변환된 항복전계 값을 나타낸 그래프이다. Si의 밴드갭은 1.1eV이고 여기 표시된 각각의 소재들은 다른 밴드갭을 나타낸다. 이 중, 가장 널리 Si를 대체할 소재로서 연구되고 제품화된 소재는 4H-SiC(3.3eV) 및 GaN(3.4eV)이다. 각각 밴드갭이 Si 대비 3배 이상 크기 때문에 소재 자체의 항복전압 특성이 우수하여 저항 설계에 이점을 갖는다. 이에 대해 그림3 우측에 반도체소자가 동작할 때의 저항값과 설계한 항복전압과의 상관관계를 나타낸 그래프에 주목해보자. 가령 1000V의 전압을 견디는 반도체를 제작했다고 가정하면, Si을 사용할 경우 앞서 언급한 저항층의 두께와 저항도를 고려할 때 100mΩ⦁cm2 이상의 저항값을 나타낼 수 밖에 없다. 반면, 4H-SiC 소재를 이용할 경우 0.5mΩ⦁cm2 수준으로 200배 가까이 낮출 수 있다. 이러한 장점을 갖는 넓은 밴드갭을 갖는 소재들을 기반한 전력반도체 개발이 주목을 받고 있다. SiC, GaN 이외에도 Ga2O3, AlN, Diamond에 이르는 울트라와이드 밴드갭을 갖는 소재들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 이러한 고전압이 우리 일상에서 필요할까? 우리는 이미 이러한 고전압을 생활 속에서 경험하고 있다. 여기서 가장 대표적으로 전기자동차를 가져와 봤다.
그림 4. (좌)전기자동차 배러티 충전 및 사용장치 별 전력변환. (우)전압에 따른 자동차 충전 시간
그림4의 왼쪽 그림은 전기자동차 전력변환 시스템을 나타내고 있다. 앞서 살펴본 다양한 전력의 변환이 전체 시스템에 적용된 사례를 한 눈에 살펴볼 수 있다. 전기자동차는 현재 400V 및 800V 전압을 사용하는 배터리 시스템을 사용하고 있고, 용량은 60kWh에서 현재 80kWh 이상으로 증가돼 왔다. 즉, 800V 전압을 사용하는 전기자동차에 사용되는 배터리에서 나오는 직류는 오디오, 계기판 등 전자장치에 사용되는 전압(12 또는 24V)로 변환시켜줘야 하며, 모터 구동에 있어서는 교류로 바꿔줘야 한다. 또한, 높은 전압을 차용한 충전에서는 더욱 차별화가 나타나는데, 우측 그림에서와 같이 충전시간을 현저히 줄일 수 있다. 미국에서는 표준화처럼 쓰고 있는 테슬라의 슈퍼차저 시스템은 480V 충전을 지원한다. 반면, 국내 현대자동차가 출시한 아이오닉5 모델은 800V 충전 지원을 통해, 테슬라보다 1.6배 가량 충전시간을 단축할 수 있다. 전기자동차의 충전시간에 대한 고민은 모든 사용자가 갖고 있는 고민이고 빠른 충전시간은 전기자동차의 보급화에 크게 기여한다. 즉, 고전압을 이용한 시스템 설계는 효율성과 더불어 편의성도 가져올 수 있는 장점을 가진다.
여기서 800V 시스템에는 800V를 버티는 반도체를 쓰면 되는 것인가에 대한 고민을 할 수 있는데, 일반적으로 스위칭이 요구되는 전력변환에 있어 스위칭 및 충방전 동안 짧은 시간 동안의 심한 파형 변화가 불가피하게 나타난다. 이에 과도(Surge) 전압이 발생한다. 짧은 시간(수나노초)이지만 이로 인해 반도체에는 설계 전압보다 매우 큰 전압이 인가되고 이로 인해 소자 파괴에 이를 수 있다. 따라서 약 10~20% 이상의 전압 마진을 통해 설계하는 것이 일반적이며, 보통 800V 전압용으로는 1200V 내압특성을 갖는 반도체 소자가 사용된다. 즉, 고전압 설계는 일상 속에 이미 아래 그림과 같이 활용처가 매우 넓고 제품군 또한 매우 다양하다.
가전기기에서 상업용까지 쓰이지 않는 곳이 없는 이러한 전력반도체는 아이러니하게도 국산화된 기술을 통한 국내 자립도는 10%에도 미치지 못한다. 현재 전력반도체 분야를 주도하고 있는 국가로는 독일, 미국, 일본, 프랑스 등 국내 키 플레이어는 단 한 곳도 없는 실정이다. 소품종 대량생산에 초점이 맞춰져 있는 메모리 반도체 산업과는 달리 전력반도체는 소량 다품종 분야로서 기업마다 제각각인 전력용량을 맞춰야 하는 기업 입장에서는 필드엔지니어의 역할이 매우 중요하며, 고객사에 맞춤형 제품을 제공뿐만 아니라 설계 제안까지 할 수 있는 역량이 요구된다. 이러한 점 때문에 국내 기업이 아직 진출하지 못한 것도 수십 년 간 쌓아온 이러한 생태계에 맞춰 준비해야하는 어려움을 극복하는 것이 숙제로서 남아있기 때문이다. 그럼에도 메모리 분야 외 새로운 고부가가치 산업으로서의 전력반도체는 전망이 밝고 주목을 받고 있다. 스마트 해지고 더욱 지능화하는 전자기기 및 인공지능 시대에 요구되는 기술뿐만 아니라 모든 전자기기들의 근육이자 힘의 원천이 되는 전력반도체의 연구 개발 및 국내 자립도 증대는 또 다른 국내 연구자들의 숙제이자 목표로서 자리매김해 가고 있다.
그림 5. 전력반도체 분야 세계 기업 현황(2023년 YOLE 리포트)
4. 울트라와이드밴드갭 산화갈륨 기술
앞서 Si의 한계를 극복하기 위한 고에너지갭 소재가 갖는 장점들을 살펴보았다면, 실제 연구, 개발 사용화 사례를 다뤄보고자 한다. 첫 번째로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)에 대해 살펴보자. 탄화규소는 3.3eV 의 넓은 밴드갭과 높은 열전도 특성 (Si 대비 3배 이상)을 갖는다. 대전력 구동에서 높은 전류는 소자에 많은 열을 발생시키며 이러한 열을 빠르게 방출 시키기 위해서 소재의 열 방출 특성이 뛰어나고, 이를 뒷받침한 방열설계가 되어야 한다. 이러한 측면에서 SiC 는 최적의 소재라 할 수 있다. SiC의 Si 대체 가장 성공적인 상업화는 테슬라 Model 3의 인버터 탑재라 할 수 있다. 650V 내압 특성을 planar MOSFET을 이용하여 총 48개의 die를 병렬로 연결한 사례이다. 최근에는 구동계 말고도 충전시스템에 까지 적용 검토가 되고 있고 현대자동차를 비롯 많은 자동차 회사에서 SiC 모델 적용을 진행하고 있다.
GaN의 경우 SiC 대비 고내압 특성의 구조 제작에 어려움이 있으나 2차원전자가스층(Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)을 기반으로 초고속 스위칭이 가능한 High-Electron Mobility Transistor(HEMT) 소자 구현을 통해 5G통신 중계기, X-밴드, k-밴드든 광대역, 고주파용 응용기 가능하다. 특히, 고전력이 요구되는 RF소자에서 입출력 임피던스가 높아 정합회로 구현이 용이하고, 작은 칩면적 구현, Si 대비 주파수 특성이 우수하다. 마지막으로 산화갈륨에 대해 소개하고자 한다. 산화갈륨(Ga2O3)은 4.8eV-5.3eV의 매우 넓은 밴드갭을 갖고 있고 앞선 SiC 및 GaN과 가장 큰 차별점으로 Si과 같은 대구경 웨이퍼 잉곳(Ingot)기반의 소재 생산이 가능하다. 4인치 SiC 웨이퍼 한 장의 가격이 연구용으로 100만원 가까이 하고, GaN의 경우에도 50-80만원에 이르는 등 가격이 매우 높다. 이에 반해 산화갈륨의 생산성 측면에서는 매우 유리한데, 아직 연구 초기 단계로서 실질적인 웨이퍼 가격은 매우 고가이다 (2인치 기준 300만원). 그럼에도 불구하고 공정이 용이하고 초고전압 응용에 적합한 특성으로 국내외 연구진들의 불철주야 연구에 매진하고 있다. 상용화에 이르지 못한 현 시점에서 산화갈륨은 국외 의존도가 높은 전력반도체 시장에 국내 기업이 뛰어들 수 있는 기회라 할 수 있다. 원천기술에서부터 사용화 기술까지 이르는 대규모 정부 프로젝트가 현재 진행 중에 있다. 필자 또한 1200V급 산화갈륨 다이오드 및 트랜지스터 개발 과제를 산업통상자원부로부터 지원받아 개발에 참여하고 있다. 연구개발에 박차를 가해 국내 차세대 전력반도체 기술 개발이 세계적으로 선도 되기를 희망한다.
그림 6.(좌)테슬라 Model 3에 탑재된 메인 인버터의 24개 650V급 SiC MOSFET 탑재 사진. (우)400V 테슬라 Model 3 시스템의 650V SiC Planar MOSFET 기반 3상 모터 구동을 위한 구동계 인버터 모델 [3]
5. 결론
고효율 전력변환은 점차 커져가는 에너지 소비의 중요성과 더불어 저탄소 기술 구현에 필수 요건으로 자리매김 해 가고 있다. 전자제품에서부터 전기자동차, 전기항공/수상택시, 전기저장시스템, 발전소, 대형 선박, 기차, 항공 등 우리가 영위하고 있는 모든 기술에 전력변환은 필수 기술이다. 이러한 기술에 친환경, 에너지 효율 극대화라는 두 키워드는 반드시 짊어지고 가야할 숙제라 할 수 있다. 국내 기업의 자립도가 가장 낮은 반도체 분야인 전력반도체 분야에 적극적인 투자와 관심 그리고 기초연구와 함께 많은 노력을 전방위적으로 기울여야할 시기라고 할 수 있다. 국내 메모리 편중 시장에서 보다 넓은 시장으로 눈을 돌리며, 현재 국내 대기업들이 하나 둘 전력반도체 제품 개발에 뛰어드는 것을 지켜보며 성공적으로 안착하길 기대해 본다.
참고문헌
[1] https://www.semicon.sanken-ele.co.jp/en/guide/powersemicon.html
[2] https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-electronics-meeting-the-shift-towards-electrification-and-renewable-energy-trends/
[3] https://www.pgcconsultancy.com/post/examining-tesla-s-75-sic-reduction