전대우(왼쪽) KICET 박사와 문재경 ETRI박사가 개발한 산화갈륨 에피소재와 모스펫(MOSFET) 소자에 관해 논의하고 있다.[ETRI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 일본, 미국 등에서 95% 이상 수입에 의존해왔던 차세대 전력반도체 핵심소재 국산화에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3kV급 산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫, MOSFET) 소자 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 성과는 세계 최초로 시도된 플랫폼형 단일 연구단 프로젝트에서 상용화 기술까지 체계적으로 연계되어 개발된 성공적인 연구개발 사례다.

전력반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 12대 국가전략기술 중 하나다.

이동 및 양자통신, 전기차, 태양광 및 풍력발전, 전력전송, 국방, 우주항공, 양자컴퓨터 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다. 현재 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있다.

이번 차세대 산화갈륨 전력반도체 소재 및 소자 기술의 국산화는 국가 전략기술의 자립화 측면에서 매우 큰 의미가 있다.

연구진이 개발에 성공한 산화갈륨 에피소재 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정이다.

한국세라믹기술원 전대우 박사 연구팀은 세계적으로 대구경 에피소재 양산기술로 기대되는 금속유기화학기상증착법(MOCVD)을 활용해 고품질 베타 산화갈륨 에피소재 성장기술 국산화에 성공했다.

이 기술은 에피소재의 두께를 십억분의 1미터인 나노미터(㎚) 크기에서 1백만분의 1미터인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있다.

연구진이 개발에 추가로 성공한 산화갈륨 소자공정 기술은 에피소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정기술이다.

ETRI 문재경 박사 연구팀은 해외 상용 에피소재가 아닌 KICET 연구팀에서 직접 개발한 에피소재를 사용해 성능이 더 우수한 3kV급 모스펫(MOSFET) 소자를 개발해 낸 셈이다.

연구진은 이번 산화갈륨 에피소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET)소자 기술이기존 전력반도체 보다 1/3~1/5배 수준으로 제조비용을 줄일 수 있어 국산화를 통해 우리나라가 차세대 전력반도체 고부가가치 산업에서 주도권을 확보할 수 있게 되었다고 설명했다.

이번에 개발한 전력반도체 모스펫(MOSFET) 소자 조각.[ETRI 제공]

전력반도체 소자의 성능을 10배 이상 향상시킬 수 있어 기존 전력반도체 대비 소자의 가격 경쟁력까지 20배 이상 높일 수 있다.

향후 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업분야에 적용하면 에너지 절감효과가 커질 것으로 기대된다.

2023년 일본 야노경제연구소 발표에 따르면, 2030년 전 세계 전력반도체 시장은 약 49조 원 규모, 산화갈륨 시장은 1조 7000억원 규모로 성장할 것으로 예측된다.

문재경 ETRI 박사는 “산화갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당길 것”이라며 “세계 최초로 수 kV급 산화갈륨 전력반도체 소자를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.