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미쓰비시전기기보_2020.3 권두언 (p1)

특집: 파워 디바이스
[권두언] 환경∙에너지 과제를 배경으로 커지는 파워디바이스에 대한 기대
반도체∙디바이스사업본부 시니어 펠로우 Gourab Majumdar 씨

전세계가 대처해야 하는 문제다. 에너지 소비의 증가와 이산화탄소(CO₂)의 대량 배출이 긴급 사태로 돌입하고 있다. 증가하는 전력 수요에 대응하면서 에너지를 절약하기 위해서는 발전부터 전력 소비까지의 모든 단계에서 에너지 변환∙저장∙이용에 적용되고 있는 모든 기기나 시스템의 에너지 효율을 개선하는 것이 중요하다. 전세계에서 매년 소비되는 1차 에너지의 약 40%는 발전용이다. 이 숫자는 앞으로 25년 동안 50% 이상 증가할 것으로 예측된다.

또한 이들 전력 공급체인 전체에서 어떠한 형태의 에너지 변환 장치를 통해 처리되는 전기 비율은 30년까지 80%에 달할 가능성이 있다. 현재 비율의 약 2배가 될 것으로 추정된다. 때문에 에너지 변환∙저장∙이용에서 발생하는 과제에 대처하는 기능을 갖는 파워일렉트로닉스 및 디바이스 역할이 상당히 중요하며 주목을 받고 있다. 전력망(Power Grid)을 이용한 전력 공급체인의 각 단계에서의 전력제어∙변환에서 에너지 효율을 높일 수 있는 파워일렉트로닉스 기술의 보급이 요구되고 있다.

이로 인해 파워일렉트로닉스 적용 기기나 장치, 그 Key Component인 파워디바이스의 가일층의 기술적 혁신과 진화가 중요해진다. 파워디바이스는 1W 레벨의 소용량 영역부터 수백 MW(메가와트) 영역의 파워일렉트로닉스 적용 시스템에 대응할 수 있도록 오랫동안 다양한 종류로 나뉘어 발전해 왔다. 그 중에서도 최근에 특히 주목을 받고 있는 것이 중∙대용량 파워일렉트로닉스 시스템에 채용되고 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈이나 IPM(Intelligent Power Module)이다.

이들 디바이스 패밀리는 다양한 개량을 통해 시스템의 고효율화, 고성능화, 소형∙경량화, 고신뢰성화 등에 크게 기여해 왔다. 현재, IGBT 모듈이나 IPM은 파워일렉트로닉스 기술이 적용되고 있는 산업용 회전기기제어장치나 전원 설비, 인버터 가전이나 다른 민생 용도, EV(Electric Vehicle)나 HEV(Hybrid EV)를 포함하는 자동차 용도, 관련 인프라 설비 및 전철 용도 등의 다양한 분야에서 채용되고 있다. 이들 응용 분야에서는 파워디바이스에 대한 공통적인 요구인 동작손실저감, 소형∙경량화, 고내구성∙고신뢰성과 더불어 고단락 파괴 용량이나 폭넓은 안전 동작 영역을 유지한 편리성과 파워 밀도 향상에 대한 수요가 있어 매년 요구 수준이 높아지고 있다.

미쓰비시전기에서는 이들 요구에 정확한 솔루션을 적용할 수 있도록 주역인 IGBT 모듈과 IPM의 성능 향상이나 신반도체 재료로서 기대를 받고 있는 SiC(실리콘카바이드) 등 와이드밴드갭(WBG) 재료를 채용하는 최첨단 파워디바이스의 연구 개발 및 실용화를 적극적으로 추진하고 있다. 업계를 계속 견인할 수 있도록 대처하고 있다.

반도체 재료로서 Si(실리콘)를 채용하고 있는 IGBT 칩 기술은 Planar Gate의 셀 구조부터 시작해 트렌치 셀 구조와 ‘CSTBT’를 거쳐, 극한 슬림 웨이퍼 기술 적용으로 고성능화를 추진한 제7세대 CSTBT까지의 실용화에 이르렀으며 차세대로 도입하려 하고 있다. 한편, 극한의 슬림 웨이퍼 기술과 이면 패터닝(Backside Patterning) 기술을 복합화한 새로운 컨셉트의 역도통형 IGBT인 RC-IGBT(Reverse Conducting IGBT), 또는 뛰어난 성능을 가진 RFC(Relaxed Field of Cathode) 원리를 활용한 새로운 다이오드 개발 실용화로 파워일렉트로닉스 장치의 고효율화, 소형화 등 고성능화에 크게 기여하고 있다.

신 WBG 반도체 재료 패밀리 중에는 특히 SiC가 그 뛰어난 물성 특징에서 얻어지는 디바이스의 고온∙고내압화, 고속 스위칭 동작과 같은 이점을 이용함으로써 하이파워 디바이스의 가장 적절한 포스트 실리콘 재료로서 주목을 받고 있다. 당사는 이 분야에서는 업계의 선구자로서 다양한 용도의 최첨단 SiC 디바이스나 모듈의 실용화에 성공하며 발전하고 있다.

이들 새로운 디바이스의 응용으로 전력변환손실의 대폭적인 저감이나 응용 시스템의 비약적인 소형∙경량화의 실현이 가능해졌다. 이를 통해 파워일렉트로닉스 적용 시스템의 보급이나 에너지 변환∙저장∙이용에서의 과제 해결에 크게 기여하며, Si 디바이스의 적용이 곤란한 용도를 새롭게 창조할 가능성을 갖고 있다.

이처럼 파워디바이스의 진화는 앞으로도 계속될 것이다. SiC나 GaN(질화갈륨) 등의 WBG 재료를 사용해 고도의 패키징 솔루션 및 IPM을 플랫폼으로서 IoT(사물인터넷)나 AI(인공지능) 트렌드와의 조화를 도모하는 새로운 기능 및 새로운 디바이스 테크놀로지를 초래할 것으로 기대를 받고 있다.

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