산화갈륨은 차세대 전력반도체 핵심 소재로, 일본과 미국이 기술적 우위에 있었으나 이번 기술 개발로 격차가 줄어들 전망이다.

1일 ETRI에 따르면 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3kV급 산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫) 소자 기술을 개발했다.

이번 성과는 세계 최초로 시도된 플랫폼형 단일 연구단 프로젝트에서 상용화 기술까지 체계적으로 연계·개발된 성공 사례다.

전력반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 12대 국가전략기술 중 하나로, 이동 및 양자통신과 전기차, 태양광 및 풍력발전 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이지만 현재 해외 수입에 95% 이상 의존하고 있다.

따라서 이번 차세대 산화갈륨 전력반도체 소재 및 소자 기술의 국산화가 국가 전략기술의 자립화 측면에서 큰 의미를 가진다는 평가다.

ETRI가 KICET과 개발한 산화갈륨 에피소재 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정이다.

에피소재의 두께를 십억분의 1미터인 나노미터(㎚) 크기에서 1백만분의 1미터인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있고, 전자농도도 광범위하게 조절할 수 있다.

연구진은 이번 산화갈륨 에피소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET)소자 기술을 활용하면 기존 전력반도체와 비교해 제조비용이 최대 5배 줄어 우리나라가 차세대 전력반도체 고부가가치 산업에서 주도권을 확보할 수 있게 됐다고 설명했다.

또 산화갈륨 반도체는 보다 높은 전압을 견딜 수 있어 소형화가 가능하고 전력변환 효율이 높아, 전력반도체 소자 성능을 10배 이상 향상시키고 가격 경쟁력까지 20배 이상 높일 수 있다.

특히 산화갈륨 전력반도체 소자는 전력변환 효율을 높이면서 동시에 인버터 및 컨버터 시스템의 크기도 1/10 이하로 줄일 수 있다고 설명했다.

향후 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업분야에 적용하면 에너지 절감효과가 커질 것으로 기대된다.

문재경 ETRI 프로젝트 총괄책임자는 “산화갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당길 것으로 생각한다”며 “세계 최초로 수 kV급 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화할 계획”이라고 말했다.