전력 반도체의 정의, 활용 사례 및 미래 전망

 전력 반도체라는 것은 어떤 것이며, 미래 전망은 과연 어떨까? 최근의 기후 협약으로 인해, 대부분의 주요 선진국은 각각 배출 탄소를 절감하는 것이 매우 중요한 사항이다. 즉, 에너지 절감이 곧 해당 국가의 산업 경쟁력 확보에 매우 중요하며, 성장을 위한 핵심 근간이 될 만큼 필수적인 사안이 되어가고 있다. 때문에, 질화갈륨 전략 반도체는 이를 해결할 수 있는 차세대/ 미래의 신기술이라고 볼 수 있다. 또한 가전, 자동차, 정보통신, 에너지 등 매우 다양한 분야에서 활용이 가능하기 때문에, 대부분의 글로벌 선진국이 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 차세대 전기/ 전자 산업 분야에서는 소비전력의 저감 외에도, 작은 무게/ 부피/ 크기나 비용 절감도 매우 중요한 요소이며, 질화 갈륨 전력 반도체를 통해 그 해답을 찾을 수 있을 것이라 기대한다. 예를 들면, 우리가 일상에서 매우 흔하게 사용하고, 없어서는 안 될 스마트폰의 경우, 더 작고 가볍게, 그리고 더 오래 사용하고 싶은 일반 소비자의 욕구는 앞으로의 미래에도 지속될 것이다. 또한, 우리가 일사에서 타고 다니는 자동차도 마찬가지이다. 최근에는 자동차를 또 다른 전자 부품이라고 불릴 만큼 여러 가지 다양한 전자 부품이 사용되고 있다. 대부분의 자동차 제조사에 매우 큰 고민 중의 하나는 바로 자동차의 경량화, 소비전력 최소화일 것이 분명하다. 특히, 대용량 배터리를 사용하는 전기 자동차의 경우, 소비전력의 최소화와 배터리 효율/ 자동차 주행 지속 시간의 극대화 및 충전 소요 시간 단축 등이 큰 고민거리 중의 하나일 것이다. 가전제품은 또 어떠한가. 우리는 최근 사람의 손가락보다도 작은 텔레비전을 심심치 않게 볼 수 있다. 전기/ 전자 산업에 종사하는 많은 연구원과 개발자들은 이 전기/ 전자 제품 및 부품의 초고효율, 극저전력, 초소형화, 초고속화 등을 위해 매우 큰 노력을 기울여왔고, 앞으로도 그 노력은 끊이지 않을 것이라고 확신한다. 불과 수년 전까지는 실리콘 기반 전력반도체를 통해 인류는 비약적인 발전을 이루어 왔으며, 그다음의 도약을 위해, 질화갈륨 전력 반도체 연구와 개발에 집중하는 상황이다.
 전력반도체가 의미하는 것은 입력되는 전력을 전환하고 저장하거나 제어하는 전기/ 전자 핵심 부품을 뜻한다. 이는 신호나 정보를 처리하거나 저장하는 시스템 반도체와는 그 맥락을 달리한다. 이 전력 반도체는 주로 우리가 일상생활에서 자주 사용하는 가전제품, 개인용 컴퓨터 등의 전자제품이나, 일반 자동차 등에서 사용되는 인버터/ 컨버터 등에서 많이 활용된다. 그 중, 흔히들 말하는 질화갈륨(GaN) 전력반도체는 미래의 반도체 소자로서 주목받고 있으며, 차세대 고효율 / 저손실/ 초고속 등의 특성을 가지고 있으며, 기존 실리콘 소재의 전력 반도체보다 월등히 좋은 성능이면서, 가격도 낮출 수 있다는 장점이 있다. 다만, 공정성에서는 기존의 실리콘 소재의 전력 반도체 대비 약점을 가지고 있긴 하지만, 이는 일종의 신기술 진입 장벽으로서도 작용할 수 있기 때문에 이를 극복할 경우, 누릴 수 있는 장점이 오히려 더 많아질 수 있을 것이라 생각한다. 특히 전기 자동차의 경우, 적용되는 반도체 수량이 향후 기하급수적으로 많아질 것은 자명한 사실이며, 2030년 이후에는 전기차의 비중이 전체 자동차 시장의 절반 이상 수준까지 높아질 것으로 예상된다. 즉, 내연기관보다 전기차가 더 많아진다는 의미이며, 자동차 시장의 판도가 뒤바뀐다는 것을 뜻하는 동시에, 앞으로 전력반도체의 수요는 한도 끝도 없이 커지리라는 것이라는 것을 뜻한다. 

 전기 자동차에서는 기존의 실리콘 기반 전력 반도체로는 소비자를 만족시킬 만한 출력과 성능을 달성하기 어려울 것으로 예상되며, 이에 따라 질화 갈륨 전력반도체의 수요는 더욱 커질 것으로 예상된다. 아직 질화 갈륨 전력반도체의 적용은 미진하나, 앞으로 더욱 높아질 수밖에 없기 때문에, 이 기술을 선도하는 기업이 향후 전력 반도체의 시장을 석권할 가능성이 매우 크고, 이로 따라 여러 기술 회사가 이에 집중하고 있다. 특히, 최근 전 세계 반도체 품귀 현상으로 인해 여러 자동차 제조사는 반도체가 없어서 자동차를 생산하지 못한 경험을 겪었으며, 자동차용 반도체 확보를 통한 공급망 안정성 확보를 위해 차량용 반도체 확보를 위한 전쟁은 앞으로 더욱 심해질 것은 자명한 사실이다. 또한, 데이터 센터의 경우도 짚어볼 필요가 있다. 최근 전 인류가 코로나로 인해 많은 어려움을 겪었으며, 일상생활이나 직장 생활의 모습도 많은 변화가 있었다. 특히, 직장 생활의 경우, 집에 일하는 재택근무가 많이 보편화되었는데, 더욱 깊이 들여다본다면, 데이터 클라우드의 중요성이 매우 커졌다는 것을 유추할 수 있다. 이는 앞으로 더욱 중요해질 산업 분야이며, 데이터 클라우드를 원활하게 운영하기 위해서는 초고속/ 초고용량의 데이터 센터 구축과 이에 따른 소비전력 최소화 및 전력의 밀집도 개선이 필수적인 문제가 될 것이라고 예측된다. 이 데이터 센터는 고밀도/ 고온의 상황에서 매우 오랜 시간을 안정적으로 작동해야 하며, 소형화 또한 중요한 문제이기 때문에 큰 위험이 따를 수 있기 때문이다. 즉, 앞으로의 전기/ 전자 산업에서 인류의 발전을 이룩하기 위해서는 이 질화 갈륨 전력 반도체 기술의 개발과 발전이 필수적인 요소이며, 향후 어떤 모습으로 발전해 나갈지도 매우 흥미롭게 지켜보도록 하자. 내 스마트폰이 손가락보다 가늘고, 한 번 충전하면 몇 개월간 사용할 수 있다면? 내 전기 자동차가 단 10분만 충전하더라도 수개월 동안 무리 없이 운행할 수 있다면 얼마나 편리할까?