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히타지, 신형 파워반도체 개발
EV의 주행거리, 10% 증가

《키워드》
▶파워반도체: 전기를 통과시키는 전도체와 전기를 차단하는 절연체의 두 가지 성질을 가진 반도체의 일종으로 높은 전압과 전류가 가해져도 정상적으로 작동하는 것이 특징이다. 소재는 실리콘과 탄화규소(SiC) 등이 사용되며, 전압과 주파수, 직류를 교류로 전환하는 등의 목적으로 이용되고 있다.
세계적으로 환경 규제가 엄격해지고 있는 가운데 재생가능에너지 및 전기자동차 등의 수요는 앞으로도 확대될 것이다. 파워반도체는 자동차와 철도의 모터를 작동시키거나, 태양광 패널로 만든 전기를 송전하는 등 다양한 역할을 맡고 있다. 하지만 아직 성능 개선 여지도 많이 남아있어 기업들이 차세대 제품의 개발 경쟁을 펼치고 있다.

히타치가 전기자동차(EV) 등을 위한 신형 파워반도체를 개발했다. 탄화규소(SiC)를 재료로 이용해 구조를 개선, 에너지 낭비를 50% 정도 낮췄다. 배터리를 낭비 없이 효율적으로 이용할 수 있기 때문에 EV의 주행 거리가 10% 이상 확대될 가능성이 있다. 히타치제작소는 국내 자동차제조사와 실용화를 위해 실증을 추진해나가는 등, 자동차 분야에서의 사업 개척을 서두르고 있다.

히타치가 개발한 ‘TED-MOS’라고 하는 파워반도체는 주요 재료에 SiC를 이용하고 있다. EV에 탑재되어 있는 인버터 등에 이용되는 부품으로, 리튬이온전지 등에 저장된 전기를 직류에서 교류로 전환해 모터로 보내거나 차단시키는 등의 역할을 한다. 1.2킬로볼트의 높은 전압이 가해지는 상황에서도 정상적으로 작동, 같은 구조를 가진 기존 제품보다 성능이 크게 개선되었다.

파워반도체의 성능을 좌우하는 것이 스위칭 손실이라고 부르는 지표로, 전류를 통과시킬 때 얼마만큼의 손실이 발생하는지를 나타내는 것이다. 특히 많은 양의 전류가 통과할 경우, 파워반도체에는 100도가 넘는 열이 발생해 전류가 손실된다. 주류인 실리콘과 SiC를 비교해본 결과, 전류가 400암페어 정도까지 높아질 때, SiC의 경우 손실을 절반 가까이 낮출 수 있었다.

하지만 SiC에도 과제가 남아있다. 일반적인 MOS(금속산화막반도체)형 전계효과 트랜지스터(FET)라고 하는 파워반도체의 경우, 고전압의 높은 전류가 통과할 때 소자의 일부에 전계가 집중되어버리기 때문에 전류가 정상적으로 흐르지 않는 원인이 된다. 업체들은 이러한 문제 해결을 위해 서두르고 있지만, 양산 기술은 아직 확립되지 않고 있다.

이번, 히타치가 개발한 ‘TED-MOS’는 이와 같은 약점들을 몇몇 극복해내었다. 그 중 하나가 전계가 집중되지 않도록 소자 위에 완화층(緩和層)이라고 하는 새로운 구조를 추가로 설치했다. 이로 인해 전류가 낭비 없이 흐를 수 있게 되어 소자에 가해지는 부담이 줄어들었다.

또 하나는 전류가 흐를 때에 형성되는 저항값을 낮췄다. 일반적인 구조에서는 전류가 ‘면’을 통과하기 때문에 저항치가 높아진다. 히타치는 전류가 흐르는 층을 긴 직사각형으로 나열함으로써 전류가 원활하게 흐를 수 있도록 했다. 현시점에서 ‘TED-MOS’는 전계가 집중하는 강도를 40% 정도, 저항값을 25% 정도 낮추는데 성공했다고 한다.

EV가 주행하거나 정지할 때마다 인버터 안에서는 전류의 온∙오프가 반복된다. 히타치가 개발한 ‘TED-MOS’는 필요 없는 전기 손실을 낮춰 주행거리가 10% 이상 늘어나는 효과를 기대할 수 있다. 인버터 등의 부품을 소형화할 수 있다면 차량의 경량화로도 이어질 것이다. 히타치는 앞으로 자동차업체들과 실증 실험을 시행, 조기 실용화를 목표로 하고 있다.

히타치는 자동차부품 분야에서 경쟁사에 뒤처져 있다. 미쓰비시전기와 도시바 등은 독자적 제품을 이미 시장에 투입한 상태이다. 자회사인 히타치 IE시스템은 EV용 급속 충전기를 개발하고 있지만 가격 경쟁력에서 뒤처져 있다. 이번에 개발한 파워반도체 등 경쟁력이 높은 주변 제품을 개발해 고성능화로 확대되고 있는 시장에서 공세를 강화해나갈 방침이다.

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