일본산업뉴스요약

질화갈륨으로 에너지절약 반도체 실용화
고품질, 비용이 과제

파나소닉, 오사카대학, 나고야대학, 환경청 등은 산학관 공동으로 질화갈륨을 사용한 에너지절약 반도체의 실용화 연구를 추진하고 있다. 전기자동차(EV)나 전자레인지 등에 내장하여 전기의 흐름을 제어하는 파워반도체로, 2020년 이후의 실용화를 목표로 하고 있다. 보급되면 국내 전체의 소비전력을 대폭으로 절감할 수 있기 때문에, 가정이나 기업에서의 온난화 가스 삭감을 위한 비장의 카드가 될 수도 있다. 실용화에 대한 전망 등을 오사카대학의 모리(森) 교수에게 물었다.

Q: 에너지절약 반도체의 재료로 질화갈륨을 선택한 이유는 무엇입니까?
「파워반도체는 직류, 교류가 변환할 때에 높은 전압이 걸린다. 전기장이 강하면 재료는 망가진다. 그것을 방지하기 위해 실리콘 등은 디바이스를 두껍게 하여 같은 전압에서도 전기장을 약하게 하지만, 반면에 전기 저항이 커져서 열손실이 증가한다. 그러나 질화갈륨은 전기장에 강하기 때문에 얇은 디바이스에 의해 전기 저항을 작게 할 수 있으며 열손실도 적어 진다」

Q: 각각은 어떠한 기술을 담당하고 있습니까?
「질화갈륨은 결함이 없는 완벽한 결정을 만들기 어렵다. 발광다이오드(LED)는 다소 결정 품질이 나빠도 그곳 이외의 장소가 빛나면 되지만, 파워반도체에서는 나쁜 장소에서 전기가 새고 만다. 지금까지의 기술로는 좋은 결정을 만들 수 없었다. 오사카대학은 지금까지와 다른 방법으로 결정을 만드는 기술을 개발하였다」

「파나소닉이나 나고야대학의 아마노(天野) 교수 연구팀은, 그것을 토대 결정으로 사용하여, 토대 위에 디바이스 층이 될 얇은 질화갈륨 결정을 쌓아 디바이스 특성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다. 어디까지 좋아질지는 앞으로 실험을 거듭하여 검증을 해야겠지만, 바탕이 되는 결정이 좋지 않으면 디바이스의 품질이 나빠져서 강한 전기장에 의해 부서지고 만다」

Q: 오사카대학이 개발한 기술의 포인트는 무엇입니까?
「갈륨 금속에 나트륨을 혼합시켜 질소를 녹기 쉽게 하는『Na Flux Method』을 채용하였다. 이 방법은 1996년에 도호쿠대학의 연구팀이 발견하였지만, 작은 결정만 생겼기 때문에 아무도 주목하지 않았다. 게다가 실리콘 등의 반도체는 나트륨을 싫어한다. 나트륨 안에서 결정이 성장한다는 것이 비상식적이었다. 오사카대학은 이 방법으로 만들면 불순물이 없는 깨끗한 결정이 생긴다는 것을 발견, 큰 면적에 품질이 높은 결정을 만들었다」

Q: 산학관 프로젝트는 5년이지만, 실용화는 어떻게 됩니까?
「환경청의 프로젝트를 야구에 빗대어 보면, 볼을 만드는 일부터 연계 플레이, 연습 시합까지, 즉 상류에서 하류까지 필요한 모든 것을 실시한다. 좋은 볼로 EV를 움직일 수 있는 연습 시합이 가능하기까지의 체제를 구축하였다. 지금까지는 1구를 던지면 어깨가 망가지는 상황이었지만, 불펜에서 조정할 수 있게 되었다. 실용화의 전망은 세울 수 있을 것이다」

Q: 프로젝트에 대한 기대와 과제는 무엇입니까?
「과제는 비용이다. 질화갈륨은 실리콘에 비해 역시 여전히 비싸다. LED도 처음에는 그랬다. 비싸다는 평가를 받았지만 최근에는 에너지절약에 대한 의식이 높아지면서 보급이 촉진되었다. 국제적으로 환경에 대한 관심이 높아지고 있고, 지구온난화에 대한 국민적인 운동이 활발해지면 자연적으로 비용도 내려갈 것으로 기대하고 있다」


●[기자의 눈] 온난화 방지에 신기술 필요
정부는 지구온난화 대책의 국제규약인「파리협정」의 이행을 위해 2030년도에 온난화 가스의 배출을 2013년 대비 26% 삭감한다는 목표를 세웠다. 에너지절약 파워반도체의 실용화 연구에 환경청이 적극 개입한 것은, 목표를 달성하기 위해서는 가정이나 운수 등에서 30~40%의 삭감이 요구되고 있으며, 새로운 환경 기술의 개발을 서두를 필요가 있기 때문이다.

오사카대학의 모리(森) 교수 연구팀은, 프로젝트를 통해 실용화를 목표로 하는 에너지절약 파워반도체는 기존 형태에 비해, 전압이나 전류의 제어 시 전기의 손실을 약 40% 저감할 수 있다고 한다. 일본 내의 파워반도체가 모두 이 신형으로 대체된다면 국내 소비전력을 10% 줄일 수 있다. 이것은 원자력발전소 10기에 해당하는 분량이며, 실용화된다면 영향은 클 것이다.

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