일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
파워반도체, 신기술로 효율 향상
교토대학 및 로옴, 탄화규소 열 처리로 계면(界面) 개선

전력의 제어에 이용하는 파워반도체는 일본이 높은 산업 경쟁력을 갖고 있는 전자 부품이다. 재료는 실리콘(규소)이 주류를 이뤘으나 높은 성(省)에너지 효과가 예상되는 탄화규소(SiC)가 급속도로 떠오르고 있다. 향후에도 일본이 세계를 리드해나가기 위해서는 대학이나 기업이 성능 향상에 기여할 수 있는 연구 성과를 계속해서 내야 할 필요가 있다. 올 가을에 일본에서 열리는 국제회의에서는 교토대학과 로옴(ROHM)이 신기술을 발표할 예정이다.

국내외의 SiC연구자들이 한자리에 모여 최신 성과를 선보이는 것이 반도체 SiC 국제회의 ‘ICSCRM’이다. 2019년 9월말~10월 초에 교토 시에서 열린다. 이 분야에서 1인자인 교토대학의 기모토(木本) 교수가 조직위원장을 맡으며 약 800명이 참가할 예정이다.

-- 질소로 성능 향상 --
파워반도체는 전기의 직류∙교류 및 주파수를 변환하거나 전압을 올리거나 내리며 전기를 효율적으로 사용할 수 있게 하는 부품이다. 가전이나 태양광발전장치, 전차, 전기자동차(EV), 산업기기, 전력망 등 전기가 관련된 폭 넓은 제품에 사용된다.

실리콘과 비교한 SiC의 이점은 낮은 저항과 고속 동작, 고온에서도 움직이는 등이며 이것은 부품의 소형화와 냉각기구의 간소화로 이어질 수 있다. 이미 철도차량 및 EV의 일부에서 SiC 파워반도체가 채택되고 있으며 JR도카이(東海)가 2020년도에 도카이도(東海道)신칸센에 투입할 예정인 신형 차량 ‘N700S’에도 탑재된다.

SiC를 포함한 파워반도체의 과제 중 하나가 ‘도통(道通) 손실’과 ‘스위칭 손실’이다. 도통 손실은 파워반도체에 전류가 흐르고 있을 때 저항에 의해 발생한다. 스위칭 손실은 파워반도체에 전기를 통하게 하거나 차단할 때 일어난다.

국제회의에서 기모토(木本) 교수가 발표하는 것은 도통 손실 대책이다. SiC와 산화막의 경계면에 생기는 결핍을 열처리를 통해 대폭 줄인다. 일반적인 MOS(금속 산화막 반도체)형 전계(電界)효과 트랜지스터(FET)용으로 “SiC라는 재료의 본연의 성능을 이끌어낼 수 있다”(기모토 교수)고 한다.

기존의 실리콘으로 만들어진 계면이 깨끗한 것에 반해, SiC로 만들어진 계면은 원자 레벨로 미세한 구조의 균열이 발생된다. 그것이 트랜지스터 성능을 떨어뜨려 전류의 흐름이 줄어드는 원인이 되고 있었다.

교토대학은 왜 결핍이 생기는지, 결핍을 줄이는 방법은 없는지를 연구했다. 계면을 조사한 결과, 산화막 안에서 불순물이 되는 탄소가 많이 쌓여져 있었으며 SiC측에도 결핍이 생기고 있었다. 계면으로부터 수 나노(나노는 10억분의 1)미터의 범위에서 결정의 규칙성이 깨져있었다. “SiC의 결정은 완벽하다는 기존의 연구 상식을 뒤엎는 결과였다”라고 기모토 교수는 말한다.

결핍을 줄이는 방법으로 생각한 것이 질소를 사용한 열처리이다. 섭씨 1500~1600도 정도에서 처리하면 계면에 질소가 모여 트랜지스터의 성능 향상으로 이어진다고 한다. 새로운 처리법의 효과는 상당하며 계면의 결핍 수는 아무것도 하지 않을 경우의 10분의 1~20분의 1이다. 일산화질소로 처리하는 기존 방법과 비교해도 약 절반으로 줄일 수 있다. 신기술은 1~2년 후에는 제조사에서도 응용할 수 있다고 한다.

결핍이 줄어들어 전류가 흐르기 쉬워지면 트랜지스터가 작아도 동일한 전류를 얻을 수 있다. 예를 들어 면적이 3분의 1이 되면 비용도 3분의 1이 될 수 있다. “부품 비용에 있어서 실리콘제(製)와 어깨를 나란히 할 가능성도 있어 SiC제(製)의 보급이 단숨에 추진되게 될 것이다”라고 기모토 교수는 기대하고 있다.

로옴이 국제회의에서 보고하는 성과는 스위칭 손실의 대책이다. SiC의 MOSFET의 성능을 최대한 이끌어내기 위한 주변 회로의 기술을 개발해 전력 손실을 기존보다 25% 줄일 수 있었다. 시산으로는 세계의 모든 태양광발전장치에 신기술이 채택될 경우, 100만 킬로와트 상당의 원자력 발전소 1기분의 성(省) 에너지 효과를 얻을 수 있다고 한다.

-- 라이벌도 추격 --
신기술은 보조 컨덴서로 불리는 부품을 새롭게 투입한다. 파워반도체를 움직이게 할 때 온∙오프의 스위치 전환이 빨라진다. 로옴의 연구 개발 센터의 야마구치(山口) 그룹리더는 “부품은 늘어나지만 전력 손실이 줄어 발열도 억제할 수 있기 때문에 반도체 냉각용 부품 등의 크기가 작아져 전체적으로는 비용 절감으로 이어진다”라고 설명한다. 3~5년 후의 실용화가 목표이다.

로옴에 따르면 SiC 파워반도체의 세계시장 규모는 2018년에 약 500억엔으로 추정. 2024년에는 약 2,000억엔으로 확대할 것으로 보인다. 일본∙미국∙유럽의 기업이 경쟁을 펼치고 있다.

한편, 라이벌 재료인 질화갈륨(GaN) 연구도 급속도로 진행되고 있다. 노벨상 학자인 일본 나고야대학 아마노 히로시(天野 浩) 교수를 중심으로 ‘올재팬의 연구 체제'를 갖추고 있다. 파나소닉도 차세대 통신규격인 ‘5G’용 휴대전화 기지국용으로 GaN 파워반도체를 개발했다. 실용화에서 앞서있는 SiC가 앞으로도 우위를 지킬 수 있을 지 귀추가 주목된다.

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