GaN(질화갈륨)을 사용한 AC 어댑터란

차세대 반도체로 불리는 GaN(질화갈륨) IC를 탑재한 AC 어댑터, 스위칭 전원에 대해 설명한 페이지입니다.UNIFIVE가 개발한 USB-PD 어댑터에 채용하고 있습니다.

차세대 반도체, GaN 탑재 AC 어댑터란

GaN이란?

최근 양판점에서도 자주 볼 수 있는 GaN PD 탑재 USB AC 어댑터에서 말하는 "GaN"은 질화갈륨을 의미하며, 파워 일렉트로닉스 분야에 혁신적인 변화를 가져오고 있는 주목받는 차세대 소재입니다. 수십 년 동안 실리콘 기반 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 에너지를 전력으로 변환하는 역할을 하며 현대 일상생활에 없어서는 안 될 존재였습니다. 그러나 기존의 실리콘 MOSFET의 개선과 전력 효율 향상에는 이론적인 한계가 있으며, 현대 기술로는 더 이상 개선의 여지가 거의 없는 수준에 도달하고 있습니다.

또한 최근에는 전력 밀도와 전력 효율에 대한 요구가 높아지고 있으며, 선진국을 중심으로 환경 오염을 억제하기 위한 다양한 규제가 시행되고 있는 추세입니다. 이러한 환경 중시 흐름 속에서 실리콘은 대응이 어려운 특성을 가진 소재입니다. 이에 비해 질화갈륨은 전력 시스템의 효율, 성능, 전력 밀도 향상에 대한 요구에 대응할 수 있는 특성을 지닌 소재로, 실리콘을 대체할 차세대 파워 스위칭 기술의 핵심으로 확산되고 있습니다.

그렇다면 질화갈륨이란?

질화갈륨은 자연계에 원소 형태로 존재하지 않습니다. 일반적으로 보크사이트 광석에서 알루미늄을 제련할 때나 섬아연광을 가공해 아연을 제조할 때 부산물로 얻어지기 때문에, 추출 및 정제 과정에서의 이산화탄소 배출량이 매우 적습니다. 갈륨은 매년 300톤 이상 생산되며, 전 세계 매장량은 100만 톤 이상으로 추정됩니다. 가공 과정의 부산물로 생성되기 때문에 1kg당 약 300달러로 비교적 저렴하며, 1kg당 약 6만 달러인 금과 비교하면 가격은 약 1/200 수준입니다.

또한 환경적 장점 외에도, III/V족 직접 천이형 2원 화합물 반도체로서 고온에서도 정상 동작이 가능한 하이파워 트랜지스터에 적합한 물질입니다.

GaN의 역사

순수한 갈륨의 융점은 약 30℃로, 사람의 체온에서도 손바닥 위에서 녹아버립니다. 질화갈륨이 처음 합성되기까지는 이후 약 65년이 더 필요했으며, 1960년대에 들어서야 질화갈륨 단결정막을 성장시킬 수 있었습니다. 화합물인 GaN의 융점은 1,600℃ 이상으로, 실리콘보다 약 200℃ 더 높습니다.

1972년, 질화갈륨에 마그네슘을 도핑한 GaN계 LED가 탄생했습니다. 이는 획기적인 사건이었습니다. 초기에는 상업적으로 충분한 밝기는 아니었지만, 청자색 발광이 가능한 최초의 LED였기 때문입니다.

1990년대 이후 질화갈륨은 발광 다이오드(LED)에 널리 사용되기 시작했습니다. 질화갈륨은 블루레이 디스크 판독에 사용되는 청색광을 방출합니다. 또한 질화갈륨은 반도체 파워 디바이스, RF 컴포넌트, 레이저, 포토닉스 등에도 사용되고 있습니다. 앞으로는 센서 기술 분야에서도 GaN이 활용될 것으로 기대됩니다.

2006년에는 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 통해 표준 실리콘 웨이퍼의 AlN 층 위에 GaN 박막을 성장시킨 인핸스먼트 모드 GaN 트랜지스터(GaN FET라고도 함)의 제조가 시작되었습니다. AlN 층은 기판과 GaN 사이의 버퍼 역할을 합니다. 이 새로운 방법을 통해 질화갈륨 트랜지스터는 실리콘과 동일한 기존 공장에서 거의 동일한 제조 공정으로 생산할 수 있게 되었습니다. 기존 공정을 활용함으로써 실리콘과 마찬가지로 저비용 생산이 가능해졌으며, 성능이 크게 향상된 소형 트랜지스터 도입의 장벽을 낮추는 데 기여했습니다. 자세히 설명하면, 모든 반도체 재료에는 밴드갭이라 불리는 것이 존재합니다. 이는 전자 상태가 존재할 수 없는 고체의 에너지 범위를 의미합니다. 쉽게 말해 밴드갭은 고체 재료가 얼마나 전기를 잘 통하게 하는지를 나타냅니다. 실리콘의 밴드갭이 1.12 eV인 반면, 질화갈륨의 밴드갭은 3.4 eV입니다. 질화갈륨의 밴드갭이 넓다는 것은 실리콘 MOSFET보다 더 높은 전압과 고온을 견딜 수 있음을 의미합니다.

이러한 넓은 밴드갭 특성 덕분에 질화갈륨은 광전자 분야의 고출력·고주파 디바이스에 응용될 수 있습니다. 질화갈륨은 갈륨비소(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 높은 온도와 전압에서도 동작할 수 있어, 이미징 및 센싱과 같은 마이크로파 디바이스나 테라헤르츠(THz) 디바이스의 전력 증폭기로도 이상적이라고 평가받고 있습니다.

GaN의 장점

광전자 분야의 고출력·고주파 디바이스에 응용을 가능하게 한 소재인 GaN을 AC 어댑터에 적용하면 어떤 장점이 있을까요? GaN을 AC 어댑터에 채택했을 때의 장점에 대해 설명하겠습니다.

일반적으로 GaN은 실리콘 소재와 자주 비교됩니다. 현재 표준으로 사용되고 있는 실리콘 기반 MOSFET은 AC/DC 전원, DC/DC 전원, 모터 제어 장치 등 수십 와트에서 수백 와트, 수천 와트에 이르기까지 다양한 전력 응용 분야의 전원 스위치로 폭넓게 사용되어 왔으며, 패키징, 온저항 RDS, 정격 전압, 스위칭 속도 등이 지속적으로 개선되어 왔습니다.

그러나 실리콘 기반 반도체의 성능은 오랜 기술 발전을 통해 이론적 한계에 근접해 있어, 더 이상의 큰 개선은 기대하기 어려운 상황입니다. 반면 질화갈륨 기반 파워 디바이스는 실리콘보다 높은 임계 전계 강도를 가진 고전자 이동도 트랜지스터입니다. 이러한 높은 전자 이동도는 GaN이 실리콘보다 더 높은 전계 강도를 가진다는 것을 의미하며, 온저항과 항복 전압이 동일한 경우 GaN 디바이스는 실리콘 반도체보다 더 소형화할 수 있습니다.

GaN FET는 저손실·고효율 성능에 필수적인 매우 빠른 스위칭 속도와 우수한 역회복 특성을 갖추고 있습니다. 현재 600/650V 정격의 GaN FET가 시장에 다수 출시되어 있습니다.

AC 어댑터에 적용할 때의 장점은 크게 다음 세 가지로 정리할 수 있습니다.

발열 개선 효과

GaN 소재는 밴드갭이 넓어 실리콘보다 높은 열전도율을 가집니다. 이 특성은 GaN 기반 디바이스가 더 높은 온도에서 동작하고 보다 효율적으로 냉각될 수 있게 하며, AC 어댑터를 낮은 온도로 유지해 열로 인한 손상을 방지할 수 있습니다.

고전력 밀도에 따른 소형화

스위칭 주파수와 동작 온도가 실리콘 부품보다 높기 때문에 히트싱크를 소형화하거나 공랭용 팬을 제거하고 자기 부품을 줄일 수 있습니다. GaN 부품의 스위칭 주파수가 높을수록 전원 회로에 사용되는 인덕터와 커패시터의 크기를 줄일 수 있습니다. 즉, AC 어댑터 내부 전자 부품 수가 감소하여 전체 케이스 크기를 줄일 수 있습니다.

음향 노이즈 저감 및 무선 전력 전송 구현

주파수가 높을수록 모터 구동 애플리케이션에서의 음향 노이즈가 감소합니다. 또한 높은 주파수를 통해 더 높은 출력의 무선 전력 전송이 가능해져 공간적 자유도가 향상되고 송신기와 수신기 사이의 에어갭을 더욱 넓힐 수 있습니다. 현재 전기차 충전 기술에도 이 기술이 연구되고 있습니다.

UNIFIVE가 개발한 GaN 탑재 AC 어댑터

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