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Nikkei X-TECH_2023.1.31

와세다대학 발(發) 스타트업, 다이아몬드 반도체 분야를 선도
뛰어난 고효율 에너지 성능

우수한 물성을 가지고 있어 '궁극의 파워 반도체'로 주목 받고 있는 다이아몬드 반도체 개발이 가속화되고 있다. 와세다(早稲田)대학 발 스타트업 기업인 Power Diamond Systems(PDS, 도쿄)는 2025년경 시제품을 제작해 성능 평가를 시작할 예정이다.

전력 제어 시스템의 소형화 및 고효율화를 기대할 수 있어, 자동차나 철도, 송전 시설 등에서의 이용이 전망된다. 전세계적으로 개발 경쟁이 치열한 가운데 PDS는 디바이스의 조기 실용화를 목표로 하고 있다.

다이아몬드 반도체는 현재 보급되고 있는 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)에 이은 차세대 파워반도체로서 주목 받고 있다. 고주파 성능과 높은 방열성, 고전압에 대한 내구성 등, 파워반도체로서 우수한 특성을 가지고 있어 인버터 등 전력 시스템의 소형화와 전력 손실 경감이 가능해진다. 향후, 전기자동차(EV)나 재생 가능 에너지의 송전 시스템, 통신 인프라, 양자컴퓨터 등에 채택될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

PDS는 파워반도체와 고주파 및 고출력 디바이스, 그리고 이를 이용한 인버터 등을 연구개발하는 팹리스 기업이다. PDS는 와세다대학 교수이자 PDS의 CSO(최고과학책임자)인 가와하라다(川原田) 씨가 개발한 세로형 다이아몬드 트랜지스터의 제작 기술 등을 기반으로 시작 디바이스를 제작해 2025년경에 성능 평가를 실시. 파워반도체로서 보급되는 것은 2030년대 이후가 될 전망이다.

다이아몬드 반도체 보급에는 10~20년이라는 긴 시간이 소요될 전망이지만, 초창기부터 개발을 추진함으로써 얻을 수 있는 이익은 크다. 탄화규소나 질화갈륨 등의 파워반도체에서는 초기 단계부터 개발을 추진해온 기업들이 현재도 큰 점유율을 차지하고 있다. PDS 공동창업자이자 최고경영자(CEO)인 후지시마(藤嶌) 씨는 “빠른 단계에서 우위를 차지하는 것이 매우 중요하다”라고 말한다.

PDS는 향후, 와세다대학에 있는 반도체 연구의 공용 설비를 활용해 디바이스의 개발과 실증을 추진할 방침이다. 국내외 반도체 업체들과도 협업해 실용화를 위한 검토를 진행하는 등, 다이아몬드 반도체 시장을 개척해나갈 계획이라고 한다.

파워반도체 분야에서는 롬이나 미쓰비시전기, 도시바 등 국내 기업들이 높은 경쟁력을 가지고 있다. 로직반도체와 달리 파워반도체에서는 극단적인 미세화는 요구되지 않지만, 제조 프로세스에 세밀한 노하우가 필요해 진입 장벽이 높다. 파워반도체에서 실적을 쌓은 국내 업체들이 다이아몬드 반도체에도 참여한다면 큰 존재감을 발휘할 수 있을 것으로 보인다.

-- 인버터를 소형, 경량화 --
가와하라다 교수가 이끄는 와세다대학 연구팀은 1994년, 다이아몬드 전계(電界) 효과 트랜지스터(FET) 방식(와세다대학 방식)을 개발하는 등, 일찍부터 다이아몬드 반도체 연구개발을 추진해왔다.

파워반도체에 최적이라고 여겨지고 있는 세로형 디바이스를 세계 최초로 개발해 특허 취득 등에서 앞서고 있다. 향후에는 고전압 및 대전류에 대응한 ‘세로형 실리콘 종단(終端) 다이아몬드 FET’를 개발해, 성능의 검증을 진행시켜 나갈 계획이다.

p형 다이아몬드 FET은 탄화규소나 질화갈륨 등 n형 FET와 조합함으로써 인버터 회로의 개선을 전망할 수 있다. 예를 들어, 필요한 게이트 구동회로가 줄어 들고 고주파화에 의한 필터 부품의 소형화 등을 통해 최종적으로 인버터의 소형화 및 경량화에 도움이 된다. 모터에 응용하면 전자 노이즈를 줄일 수 있다는 이점도 있다.

가와하라다 교수는 “다이아몬드 반도체의 제조 기술 자체는 그렇게 어렵지 않다”라고 말한다. 일단 이용이 확대되면 시장의 성장을 기대할 수 있다고 말한다. 기판으로 사용되는 인공 다이아몬드도 제조기술이 확립되면서 원가가 떨어지는 등 훈풍이 불고 있다.

PDS는 다이아몬드 반도체의 성능 향상을 위해 향후에는 회로 구조에 대한 검토와 제조 프로세스 및 재료 개선 등을 추진해나갈 방침이다. 다이아몬드는 반도체에 널리 쓰이는 실리콘과 물성이 크게 달라 불순물 첨가(도핑) 등 일반적인 반도체 공정을 적용하지 못하는 경우도 있다. 다이아몬드는 단단해 가공이 어렵기 때문에 기초연구의 축적이 꼭 필요하다.

-- 전력 손실은 탄화규소의 5분의 1 --
다이아몬드 반도체를 전자기기에 채택할 경우, 고효율인 탄화규소와 비교해도 인버터의 전력 손실을 5분의 1 이하로 줄일 수 있다. 일반적인 실리콘제 반도체와 비교하면 10분의 1 이하가 되고, 주변 회로의 손실도 크게 줄어든다고 한다.

EV나 가전제품, 전력 인프라의 인버터 등에 채택된다면 CO₂ 배출량 1,058만톤을 줄일 수 있을 것으로 추산된다. 국내 연간 CO₂ 배출량은 약 10억톤이기 때문에 다이아몬드 반도체를 채택하는 것만으로도 CO₂ 배출량을 1% 줄일 수 있게 되는 것이다.

후지경제의 예측에 따르면, 2030년 파워반도체 세계시장은 2021년 대비 2.6배인 약 5.4조 엔 규모로 성장할 것으로 전망된다. 에너지의 고효율화에 대한 요구로 인해 탄화규소와 질화갈륨 등의 수요는 높아질 전망으로, 다이아몬드 반도체도 미래에는 큰 수요를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

다이아몬드 반도체 연구개발에서는 일본뿐만 아니라 미국 중국 등에서 개발 경쟁이 격화되고 있다고 한다. 시작 회로의 성능에서 빈번하게 수위가 바뀌고 있는 상황이다. 자금 조달력이 있는 해외와 비교해 일본의 연구자금은 충분하다고 말하기 어렵다.

PDS는 2022년 11월, 와세다대학 발 벤처캐피털(VC)인 와세다대학벤처스(WUV)로부터 창업 투자로서 1억엔을 조달 받았다. 와세다대학의 반도체 연구설비 활용도 추진해나갈 방침이다.

와세다대학에는 다른 대학이나 기업도 이용할 수 있는 반도체 연구의 공용 설비가 있어 조직 간의 제휴를 강화하기 쉽다. PDS는 이러한 환경을 활용해 다이아몬드 반도체 연구개발을 선도해나가는 것을 목표로 하고 있다.

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