차세대 전력반도체는 실리콘 웨이퍼라는 기초 소재 대신 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 갈륨옥사이드(Ga2O3) 등 3대 신소재 웨이퍼로 제작된 전력반도체입니다. 신소재로 전력반도체를 제작할 경우 전력효율과 내구성이 뛰어나 주목 받고 있습니다.
* 정격전력 : 각각의 기기를 안전하게 사용할 수 있는 전력의 최대 한도
차세대 전력반도체 사용 분야, 이러한 차세대 전력반도체는 다양한 상황에서 사용되고 있습니다. 기존의 전력반도체는 실리콘 웨이퍼를 기초 소재로 사용했는데, 이러한 실리콘 소재는 전류를 갑자기 증가시키면 견디지 못해 발열이나 전력 손실을 유발한다는 한계가 있었습니다. 그러나 차세대 전력 반도체를 사용하게 되자 신재생 에너지 분야와 전기 자동차 분야의 한계를 극복하고 전력 효율을 높일 수 있게 되었습니다.
실리콘 카바이드를 사용한 전력반도체는 전기자동차, 태양광 등 신재생에너지의 인버터로서 사용되며 질화 갈륨을 이용한 전력반도체는 고속 동작 및 소형화가 가능하기 때문에 고속충전 시스템에 사용할 수 있습니다. 갈륨옥사이드를 이용한 전력반도체는 상용화 전단계이지만 신재생에너지의 인버터, 통신 등에 사용이 가능합니다.
전기차에도 차세대 전력반도체가 사용되며, 차세대 전력반도체를 기반으로 초고효율·고전력 밀도 전력변환장치 기술로 냉각장치를 간소화하고 변환장치를 경량화하여 에너지를 절약하고 주행거리를 향상시킬 수 있습니다.
▲차세대 전력반도체의 장점=차세대 전력반도체인 실리콘카바이드, 질화갈륨, 갈륨옥사이드 3대 신소재 웨이퍼는 소재마다 각각 장점이 존재합니다.실리콘 카바이드 소재의 경우 고전압, 대전류 응용에 유리하며 태양광 인버터, EV, 모터 드라이브 분야에 적용이 연구되고 있으며 질화 갈륨 소재의 경우 저전압 응용 분야에 강점이 있어 전원 공급 장치 분야에서 사용이 가능합니다. 또한 실리콘 카바이드와 질화 갈륨의 경우 기존 실리콘 전력 반도체보다 최대 10%이상 효율을 개선할 수 있습니다. 갈륨 옥사이드 소재의 경우 실리콘 카바이드와 질화 갈륨보다 제조 원가가 최대 30%정도로 낮고, 우수한 물성을 가지고 있으며, 전력 변환 효율이 높다는 장점이 있습니다. 이러한 장점들로 인해 국내뿐만 아니라 해외에서도 활발한 기술개발을 하고 있습니다.현재 미국, 중국, 일본 등 주요 국가에서도 차세대 전력반도체에 대한 적극적인 지원정책을 추진하고 있습니다. 한국에서도 산업부를 중심으로 2017년부터 차세대 전력반도체 기술 개발을 지원하고 있으며, 국내 기업의 글로벌 시장 진출 및 성장을 위해 새로운 R&D 사업을 기획하고 있다고 할 정도로 차세대 전력반도체에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 신재생에너지 발전 증가로 차세대 전력반도체 연구가 활발해져 수요가 더 늘어날 것으로 보입니다. 그러나 아직 한국은 차세대 전력 반도체 시장이 성장 단계에 있기 때문에 보다 활발한 연구를 통해 보다 뛰어난 기술력을 갖추고 나아가 전력 생산이 효율적인 신재생 에너지의 발전으로 탄소 중립이 실현되기를 기대하고 있습니다.
* 본 콘텐츠는 한국에너지공단 SNS 기자단의 기사입니다. 한국에너지공단의 공식 입장과 일치하지 않을 수 있습니다.
참고자료 : 전력반도체, 차세대전력반도체 상용화를 앞당기면 <중도일보> 그린뉴딜 핵심부품 '차세대전력반도체' 본격 육성 [조는하의 테크앤스톡] 전기자동차 시장의 핵심반도체로 급부상한 SiC전력반도체 '차세대 스위치'의 수혜주는?전기학회-본보 공동기획_전기기술의 미래보기(5) 차세대 전력반도체와 이를 기반으로 한 최신 전력변환기술 차세대 전력망, 에너지저장시스템
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