일본산업뉴스요약

청색 LED로 고효율 파워 반도체 개발
노벨상 수상의 아마노 교수, EV 탑재에 기대

노벨상 수상자인 나고야 대학의 아마노(天野) 교수는 노벨상의 연구 성과이기도 한 청색 LED를 소재로 한 고효율 파워 반도체 개발에 성공. 에어컨 등의 가전으로의 도입을 목표로 하고 있다. 아마노교수팀은 도요타자동차와 덴소 등 민간 기업과 협력해 2년 뒤를 목표로 제조 비용을 내린 후 실용화할 계획이다. 이번 반도체 개발은 물질∙재료연구기구와 메이조(名城)대학과의 공동 연구로 16일에 연구 성과를 발표할 예정이다.

아마노 교수는 2014년 메이조대학의 아카사키(赤崎) 박사와 미국 캘리포니아대학의 나카무라(中村) 박사와 함께 노벨 물리학상을 수상. 질화갈륨을 이용한 청색 LED의 연구 성과가 평가 받았다. 이번 연구는 질화갈륨을 재료로 전력을 제어하는 ‘파워 반도체’로서 개발했다.

아마노 교수팀은 약 1mm 길이의 작은 반도체를 시작. 가전에 이용하는 경우에 필요한 10암페어의 전류를 안정적으로 전송할 수 있는 것을 확인했다. 대량의 데이터를 축적하는 서버나 에어컨 등에 이용한다면 전력 소모량을 기존 보다 10% 가까이 낮출 수 있게 된다.

본래 질화갈륨은 반도체에 가공할 경우 결정 내부에 생긴 결함으로 열이 발생해 열화(劣化)된다는 문제가 있었다. 아마노 교수팀은 결함이 생겨도 쉽게 열화되지 않도록 내구성을 높였다. 현재 내구성에 대한 과제 해결에 성공, 상업용 단계에 도달했다. 앞으로 민간 기업과 협력해 2년 후를 목표로 제조 비용을 기존의 100분의 1로 낮춰 사업화할 계획이다.

제조 비용을 100분의 1로 낮출 수 있다면 실리콘이나 탄화규소를 이용한 현재의 파워 반도체를 대체할 수 있다고 한다. 전력을 제어하는 파워 반도체는 가전뿐만이 아닌 최근 개발 경쟁이 뜨거운 전기자동차(EV)에서도 실용화될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 아마노 교수는 앞으로 개발을 한 단계 더 추진해 EV용으로도 실용화하는 것을 목표로 한다.

이번 개발은 문부과학성이 추진하는 사업으로 아마노 교수를 중심으로 도요타 등 약 40개 기업이 집결해 연구 개발을 추진해왔다. 기업과 대학이 모든 실험 데이터를 공유해 실용화하는데 필요한 과제들을 해결해왔다. 가전에 탑재하는데 걸림돌이 되었던 큰 용량의 전력을 전송하는데 필요한 기술 개발에 성공하면서 모든 기술적 과제를 해결했다.

시장조사회사인 후지경제에 따르면 세계의 파워 반도체 시장은 2017년에 약 2조 7,000억엔. 2030년에는 약 4조 7,000억엔까지 확대될 전망이다. 현재로서는 실리콘 파워 반도체가 가장 많지만, 비용 감소가 추진된다면 큰 폭의 에너지 절감으로 이어지는 등 성능 면에서 더 우수한 질화갈륨이 실리콘을 대체해나갈 가능성이 있다.

▶ 질화갈륨의 용도는 넓다
- 파워반도체로 에어컨 등 가전의 에너지 효율화 실현
- 마이크로파를 방출하는 반도체로 고효율 전자레인지에 이용
- 마이크로파로 장거리 무선급전이 가능. 낙도로의 전력 전송 등에 이용
- 대용량 전력 파워 반도체로 EV와 직선형 전동기의 저소비 전력화 실현

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