전기전자/정보통신

일렉트로닉스 실장학회지_2021.5 (Vol.24 No.3) (p209)

파워 일렉트로닉스의 동향

특집을 내며
주쿄대학 공학부 전기전자공학과 야마나카 기미히로(山中 公博) 교수

파워 일렉트로닉스는 우리들의 생활에서 크게 활약하고 있다. 주변에 있는 에어컨, TV, 냉장고, 태양광발전, 신칸센, 비행기, 자동차 등이다. 그러나 일반 사람들이 의외로 잘 모르고 있어 유감이다.

파워 일렉트로닉스는 파워를 온/오프하며 에너지를 절약하는 기술이다. 핵심은 ‘전기를 켠 상태로 두지 말고 제대로 끄자’이다. 예를 들면, 모터 제어를 생각해보자. 배터리와 모터의 사이에 저항기를 넣고, 저항 값을 바꿔 모터에 걸리는 전압을 변화시켜 모터 출력을 제어한다.

이때 저항기에서는 모터에 필요하지 않은 전력이 소비되고 있다. 이는 아직 파워 일렉트로닉스가 아니다. 그래서 배터리와 모터 사이에 스위치를 넣어 온/오프를 한다. 온 시간을 길게 하면 모터의 회전은 빨라지고, 짧게 하면 모터 회전은 느려진다(초파 제어). 이것이 에너지 절약이며 파워 일렉트로닉스이다.

또한 회전 중에 몇 개의 스위치를 넣어 타이밍 좋게 온/오프를 하면 배터리(직류)에서 모터로 교류를 흘릴 수 있다(인버터 제어). 이것으로 구조가 간단하고 소형, 경량의 교류 모터를 사용할 수 있다. 이렇게 파워 일렉트로닉스의 회로는 진화했다.

그러나 스위치라고 해도 접촉식의 기계 스위치에서는 온/오프 때마다 불꽃이 튀고, 접촉 마모가 심해 오래 사용할 수 없다. 그래서 접촉 없이 파워 온/오프가 가능한 반도체 즉, 파워 반도체가 등장한다. 파워 반도체는 초소형이며, 스위칭 주파수가 높아 다양한 용도를 생각할 수 있게 되었다.

반도체에는 전류로 온/오프를 구동하는 바이폴라(Bipolar)형과, 전압으로 구동하는 전계효과(Field Effect)형이 있다. 전자는 큰 전류를 온/오프할 수 있지만 구동 전류분만큼 전력 손실이 있다. 후자는 전계 구동으로, 구동 전류가 필요 없어 전력 손실은 적지만 온/오프 가능한 전류는 작다.

그래서 양자의 좋은 점을 결합한 것이 일본의 IGBT이다. Insulated Gate Bipolar Transistor라는 이름대로, 구동 게이트는 절연되어 전류를 흘리지 않는다. 게다가 대전류의 온/오프가 가능한 바이폴라형 하이브리드이다.

이것이 현재의 파워 일렉트로닉스의 키 테크놀로지이며, 전 세계에서 사용되고 있다. 이렇게 파워 반도체는 진화했다. 현재, 파워 일렉트로닉스는 지구온난화 방지에 공헌하기 때문에 중요시되고 있다.

예를 들면, 모빌리티는 내연기관에서 전동화로 진화하며 이산화탄소 배출을 제로로 한다. 파워 반도체 모듈은 최근 십수 년 동안 125℃에서 175℃ 연속 동작으로 진화했다. 고온 동작이 가능하기 때문에 냉각장치는 소형, 경량화되면서 에너지 절약성을 확보했다 이 때, 고온 대응의 디바이스 접합용 납땜은 일본에서 만들어졌다.

또한 파워 반도체는 진화하며, 차세대 재료인 4H-SiC, GaN, β-Ga2O3는 200℃ 이상의 고온 동작이나 고속 스위칭이 기대되고 있다. 후자는 콘덴서나 인덕터의 소형 경량화, 에너지 절약에 기여한다. 그리고 파워가 흐르는 경로의 저항도 Si에 비해 작아 전력 손실 저감에 기여한다.

그러나 이와 같은 고온에서는 모듈 내부의 응력은 높아지면서 기존의 납땜은 녹고, 절연재와 금속은 쉽게 벗겨지게 된다. 그래서 응력 완화 구조의 도입이나 저온 소결이 가능한 금속 나노 재료로 접합부의 고융점화 등, 유망한 재료와 기술이 일본에서 탄생하고 있다. 이렇게 실장 기술도 점점 진화하고 있다.

차세대 반도체는 그 품질에 아직 과제가 남아 있다. 그런 가운데 차세대 제품의 대량 생산이 기대를 받고 있다. 일본의 실장 기술은 점점 정비되고 있다.

이번 파워 일렉트로닉스 특집은 기술혁신과 그 배경을 명확히 하고, 중요한 KNOW WHY를 소개하고 있다. 재미있게 읽었으면 좋겠다. 그리고 일본의 발전을 위해서라도 여러분의 활동에 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠다. 바쁘신 중에도 집필을 허락해 주신 집필진 여러분, 특집 기획과 편집에 힘써주신 많은 분들께 감사드린다.

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