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Nikkei X-TECH_2023.6.30

‘꿈의 파워 디바이스’에 산업계가 도전
EV에서 다이아몬드는 빛날 수 있을까?

궁극의 반도체 재료로 불리는 다이아몬드를 이용한 파워 디바이스에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지의 연구개발은 대학 등 연구기관이 주체였지만, 최근 산업계도 움직이기 시작했다.

도요타자동차와 덴소가 공동 출자하고 있는 미라이즈 테크놀로지즈(아이치 현, 이하 미라이즈)는 10~20년 후를 내다본 파워 디바이스 후보 중 하나로 다이아몬드 연구에 착수했다. 과연 다이아몬드는 탄화규소(SiC) 등에 이어 차세대 파워 디바이스 시장의 일각을 담당하는 존재가 될 수 있을까?

미라이즈는 다이아몬드제 파워 디바이스에 관한 공동 연구를 오브레이(Orbray, 도쿄)와 함께 시작했다. 3년 간의 공동 연구 기간에 도전성을 가진 다이아몬드 기판 개발과 그것을 이용한 세로형 파워 디바이스 구조 설계, 특성 평가 등을 실시할 예정이다. 미라이즈는 이번 공동 연구를 계기로 10년 안에 전기자동차(EV) 등에서 다이아몬드제 파워 디바이스를 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.

“꿈의 재료를 이용해 꿈의 디바이스 개발을 할 수 있다”. 지난 5월, 공동 연구에 관한 발표회에서 미라이즈의 시노시마(篠島) 집행임원은 이렇게 자신감을 드러냈다.

미라이즈는 도요타와 덴소가 2020년, 공동 출자를 통해 설립한 차세대 차량용 반도체 개발 업체이다. 차세대 파워 디바이스 개발을 위해 지금까지는 주로 탄화규소에 주력해왔다. EV로의 탄화규소 디바이스 채택이 본격화되고 있는 지금, 미라이즈는 향후 EV의 새로운 전비(電費) 향상 및 배터리 탑재 용량 경감으로 이어지는 파워 반도체 재료로 다이아몬드에 주목했다. 지금까지 연구해볼 기회가 없었던 재료라고 한다.

공동 연구에서는 보석 정밀가공 기술에 강점을 가진 오브레이의 다이아몬드 기판 제조 노하우, 미라이즈의 파워 디바이스에 대한 지식을 서로 공유. 이를 통해 다이아몬드제 파워 디바이스를 향후 EV 등 전동차에 활용하기 위해 필요한 요소 기술을 개발할 방침이다.

-- 그 잠재력은 차원이 달라 --
다이아몬드는 궁극의 반도체 재료로 불린다. 기존의 파워 디바이스 재료와 비교해 현격히 높은 내압(절연 파괴 전계) 및 열전도성을 가지고 있다. 탄화규소와 비교해도 내압은 4배 정도, 열전도율도 5배 정도 높다.

따라서 다이아몬드제 파워 디바이스가 실현된다면 EV 인버터 등의 에너지 효율화 및 소형화로 이어질 것으로 기대되고 있다. 이미 탄화규소를 사용함으로써 인버터용 파워 모듈에서의 에너지 손실을 기존 대비 수 십 퍼센트 절감하는 데 성공한 사례들이 잇따르고 있지만, 다이아몬드를 이용한다면 냉각 시스템을 포함한 보다 근본적인 에너지 효율화 및 소형화가 실현될 가능성이 있다.

기술개발의 진척은 탄화규소 등에 비해 기초적인 단계에 있지만, 10년 후 ‘차차세대’를 담당할 것으로 기대되는 파워 디바이스 재료이다.

하지만, 잠재력의 높이에 비례하는 형태로 다이아몬드제 파워 디바이스 실현을 위한 기술적 장벽은 높다. 가장 단단한 재료로 알려져 있는 다이아몬드는 전자 디바이스로 만드는 데 있어 정밀 가공이 어렵다. 파워 디바이스에 요구되는 구경이 크고 품질이 우수한 다이아몬드 기판을 제조하는 난이도는 매우 높다고 한다.

이러한 과제를 극복하기 위한 실마리를 찾고 있는 곳이 오브레이이다. 오브레이의 옛 회사명은 '애더먼트 나미키 정밀보석(Adamant Namiki Precision Jewel)'(올 1월에 회사명 변경)으로, 핵심 기술인 보석을 자르거나 연마하는 기술로 정밀 보석 부품 등을 제조하고 있다.

오브레이는 일찍부터 파워 디바이스에서의 응용을 시야에 넣은 대구경의 다이아몬드 기판 제조 기술개발에 주력해왔다. 마이크로 니들과 스텝 플로우 성장법이라고 부르는 기술을 사용함으로써, 기존과 비교해 대구경이고 품질이 우수한 다이아몬드 기판을 실현할 수 있었다. 이미 직경이 2인치 이상인 다이아몬드 기판 제조 기술을 확립했다.

스텝 플로우 성장법은 계단 모양으로 경사진 사파이어 하지 기판에 버퍼 층을 삽입해 다이아몬드를 헤테로 에피택셜 구조로 성장시키는 기술이다. 대형화하면 사파이어 하지 기판과의 박리가 어려워진다고 하는 다이아몬드의 과제에 대해 결정(結晶)을 가로 방향으로 성장시킴으로써 극복할 수 있었다.
 

-- 세로형 디바이스의 특성을 평가 --
이번 공동 연구에서는 오브레이가 내압을 쉽게 높일 수 있는 세로형 파워 디바이스로의 응용에 필요한 도전성 있는 다이아몬드 기판을 개발한다. 우선 p형(정공 전도형) 다이아몬드 기판 실현을 목표로 불순물 첨가(도핑) 기술 등의 개발을 추진하고 있다.

또한, 미라이즈가 세로형의 p형 파워 디바이스를 시작(試作), 그 특성을 검증한다. 고내압(高耐壓)을 가능하게 하는 등, 다이아몬드의 특징이 살아있는 디바이스 구조를 찾는 것이 목적이다.

공동 연구에서는 “우선은 기초적인 요소 기술을 개발. 다이오드의 시작 단계에서 실현될 가능성이 있지만, 트랜지스터 제작은 그 후(3년 간의 공동 연구 기간 종료 후)가 될 것으로 전망된다”(시노시마 집행임원)라고 한다. 양 사는 공동 연구 기간 종료 후에도 연구개발 지속을 위한 협의를 진행하고 있다.

-- 10년 이내의 실용화를 목표로 --
실용화 시기에 대해 미라이즈는 “탄화규소는 (실용화까지) 대략 20년 정도 걸렸다. 다이아몬드는 어떻게든 그 절반 정도 안에  실현할 수 있었으면 한다”(시노시마 집행임원)라고 한다. 이를 위해서는 기판의 대구경화 및 품질 향상과 함께 코스트 절감이 요구된다.

미라이즈의 시노시마 집행임원은 “향후에는 탄화규소에 가까운 수준까지 가격 인하가 요구될 것이다”라고 말한다. 배터리 탑재 용량을 줄이는 등, 시스템 전체의 코스트를 낮출 수 있을 경우 기판이나 디바이스 코스트의 허용 범위는 확대될 가능성이 있지만, 현재의 10분의 1 이하라고 하는 대폭적인 저비용화가 필요할 것으로 보인다.

다이아몬드제 파워 디바이스는 대학 등의 연구에서 회로 레벨의 실증도 추진되기 시작했다. 사가(佐賀)대학은 4월, 다이아몬드제 파워 디바이스를 이용한 파워 회로를 개발했다고 발표했다.

스위칭 시간이 10나노초(ns) 미만의 고속 스위칭 동작을 확인한 것 외에도 190시간의 장시간 연속 동작에서도 특성 열화가 나타나지 않았다고 한다. 사가대학은 다이아몬드제 파워 디바이스의 연구개발을 견인하고 있는 존재로, 오브레이와도 공동 연구를 진행해왔다.

다이아몬드는 높은 내압이나 열전도성 외에도 뛰어난 특징들을 가지고 있어 센서 등 폭넓은 응용이 전망되는 재료이기도 하다. 방사선에 의한 오동작 우려가 작은 것도 그 중 하나로, 오브레이 다이아몬드 연구소의 김성우 소장은 “피폭량 측정 등 의료 분야에서도 유망하다”라고 말한다.

한편, 다이아몬드가 탄화규소와 같은 파워 디바이스 재료로 자리잡을 수 있을지는 미지수인 부분이 크다. 산업 응용까지 20년은 걸릴 것으로 전망되고 있다. “다이오드는 실현할 수 있어도, MOSFET(트랜지스터)의 실현은 꽤 어렵지 않을까?

또한 다이아몬드제 파워 디바이스 뿐만 아니라, 그것을 탑재하는 기판의 재료와 냉각 구조 등 신규 개발도 필요해 여기에도 시간이 걸릴 것이다”(파워 일렉트로닉스 분야의 연구자)라는 목소리도 있다. 응용기술에 강점을 가진 산업계의 노하우도 반영된 돌파구가 요구된다.

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