GaN(갈륨 나이트라이드)을 사용한 AC 어댑터란?

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

차세대 반도체, GaN 탑재 AC 어댑터란

GaN이란?

최근 대형 전자매장에서도 자주 볼 수 있는 GaN PD 탑재 USB AC 어댑터의 "GaN"은 갈륨 나이트라이드로, 파워 일렉트로닉스 분야에 혁신적인 변화를 가져오고 있는 주목할 만한 차세대 소재입니다. 수십 년 동안 실리콘 기반의 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 에너지를 전력으로 변환하는 역할을 하며 현대의 일상생활에 필수적인 존재였습니다. 그러나 일반적으로 사용되는 실리콘 MOSFET의 개량 및 전력 효율 향상에는 이론적인 한계가 있으며, 오늘날의 기술로는 더 이상 개선의 여지가 없는 수준에 도달하고 있습니다.

또한 최근에는 전력 밀도와 전력 효율에 대한 요구가 높아지고 있으며, 선진국을 중심으로 환경 오염을 억제하기 위한 다양한 규제가 생겨나는 추세입니다. 이러한 흐름 속에서 실리콘은 친환경적인 대응이 어려운 특성을 가진 소재입니다. 이에 비해 갈륨 나이트라이드는 전력 시스템의 효율, 성능, 전력 밀도 향상에 대한 요구에 부응할 수 있는 특성을 지니고 있어 실리콘을 대체할 차세대 전력 스위칭 기술의 핵심 소재로 점차 확산되고 있습니다.

그렇다면, 갈륨 나이트라이드란?

갈륨 나이트라이드는 자연계에 원소로 존재하지 않습니다. 일반적으로 보크사이트 광석에서 알루미늄을 제련할 때 또는 섬아연광을 가공하여 아연을 제조할 때 부산물로 얻어지므로, 추출 및 정제 시 발생하는 이산화탄소 배출량이 매우 적습니다. 갈륨은 매년 300톤 이상 생산되고 있으며, 전 세계의 매장량은 100만 톤 이상으로 추정됩니다. 가공 시 부산물로 얻어지기 때문에 1kg당 약 300달러로 비교적 저렴하며, 1kg당 약 6만 달러인 금에 비해 가격은 200분의 1에 불과합니다.

또한 환경적인 이점 외에도, III/V족 직접천이형 반도체로서 고온에서도 안정적으로 작동하는 하이파워 트랜지스터에 적합한 물질입니다.

GaN의 역사

순수한 갈륨의 융점은 단 30℃로, 사람의 체온 정도의 손바닥에서도 녹아버립니다. 갈륨 나이트라이드를 최초로 합성하기까지는 그로부터 약 65년의 시간이 걸렸으며, 1960년대에 들어서기 전까지는 갈륨 나이트라이드 단결정막을 성장시키는 것이 불가능했습니다. 화합물인 GaN의 융점은 1600℃ 이상으로, 실리콘의 융점보다 200℃ 정도 더 높습니다.

1972년, 갈륨 나이트라이드에 마그네슘을 도핑한 GaN계 LED가 탄생하였습니다. 이는 획기적인 사건이었습니다. 당시 상용으로 사용할 만큼 밝지는 않았지만, 청자색의 빛을 발광할 수 있는 최초의 LED였기 때문입니다.

1990년대 이후, 갈륨 나이트라이드는 LED에 널리 사용되기 시작하였으며, 블루레이 디스크의 판독에 쓰이는 청색광을 방출합니다. 또한, 반도체 전력 디바이스, RF 컴포넌트, 레이저, 광전자공학 등에도 사용되고 있으며, 앞으로는 센서 기술 분야에서도 GaN의 활용이 기대됩니다.

2006년에는 MOCVD(유기금속 화학 기상 증착) 방법을 통해 표준 실리콘 웨이퍼의 AIN층 위에 GaN 박막을 성장시키는, 엔핸스먼트 모드 GaN 트랜지스터(GaN FET의 일종) 제조가 시작되었습니다. AIN층은 기판과 GaN 사이에서 버퍼 역할을 합니다. 이 새로운 방법을 통해 갈륨 나이트라이드 트랜지스터는 실리콘과 같은 기존 공장에서, 거의 동일한 제조 공정으로 생산할 수 있게 되었습니다. 익숙한 공정을 사용함으로써 실리콘처럼 저비용 생산이 가능하게 되었고, 성능을 크게 향상시킨 소형 트랜지스터 도입의 장벽을 낮출 수 있었습니다. 자세히 설명하자면, 모든 반도체 재료에는 밴드갭이라는 것이 존재합니다. 이는 전자가 존재할 수 없는 고체의 에너지 범위를 의미합니다. 쉽게 말해, 밴드갭은 고체 재료가 얼마나 전기를 잘 흐르게 할 수 있는지를 나타냅니다. 실리콘의 밴드갭이 1.12eV인 데 반해, 갈륨 나이트라이드는 3.4eV입니다. 갈륨 나이트라이드의 밴드갭이 넓다는 것은, 실리콘 MOSFET보다 더 높은 전압과 고온을 견딜 수 있다는 것을 의미합니다.

이처럼 넓은 밴드갭 특성 덕분에 갈륨 나이트라이드는 광전자공학의 고출력·고주파 디바이스 분야에서의 응용을 가능하게 합니다. 갈륨 나이트라이드는 GaAs(비소화 갈륨) 트랜지스터보다 월등히 높은 온도와 전압 환경에서도 동작 가능하여, 이미징 및 센싱과 같은 마이크로파 디바이스나 테라헤르츠(Thz) 디바이스의 전력 증폭기로서도 이상적인 소재로 평가받고 있습니다.

GaN의 장점

광전자공학의 고출력·고주파 디바이스에 응용 가능한 재료인 GaN을 AC 어댑터에 채용함으로써 어떤 이점이 있을까요? GaN을 AC 어댑터에 사용함으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 설명드리겠습니다.

일반적으로 GaN은 실리콘 소재와 자주 비교됩니다. 현재 표준인 실리콘 기반 MOSFET은 AC/DC 전원, DC/DC 전원, 모터 제어 장치 등 수십 와트에서 수천 와트에 이르는 전력 응용분야에서 널리 사용되며, 패키징, 온저항(RDS), 정격 전압, 스위칭 속도 등이 지속적으로 개선되어 왔습니다.

하지만 실리콘 기반 반도체의 성능은 장기간 축적된 뛰어난 기술적 진보 덕분에 이론적 한계에 거의 도달하여, 더 이상의 개선이 어려운 상황입니다. 반면, 갈륨 나이트라이드 기반 전력 디바이스는 실리콘보다 더 높은 임계 전계 강도를 지닌 고전자 이동도 트랜지스터입니다. 이 높은 전자 이동도는 GaN이 실리콘 대비 전계 강도가 높다는 의미이며, 온저항과 항복 전압이 동일할 경우, GaN 디바이스는 실리콘 반도체에 비해 소형화가 가능합니다.

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

AC 어댑터에 사용되는 이점은 대략 다음 세 가지로 나눌 수 있습니다.

발열에 대한 효과

GaN 소재는 밴드갭이 넓기 때문에 실리콘보다 높은 열전도율을 가지고 있습니다. 이 특성 덕분에 GaN을 사용한 디바이스는 더 높은 온도에서의 동작과 효율적인 냉각이 가능하며, AC 어댑터를 낮은 온도로 유지하여 열에 의한 손상을 방지할 수 있습니다.

고전력 밀도화에 따른 소형화

스위칭 주파수 및 작동온도가 실리콘 소재 부품보다 높기 때문에 히트싱크를 소형화하거나 팬 제거, 자성부품의 저감 등이 가능합니다. GaN 부품의 스위칭 주파수가 높을수록 전원 회로에 사용되는 인덕터 및 커패시터 사이즈를 줄일 수 있어, AC 어댑터 내부 전자부품의 수를 줄임으로써 케이스 크기 또한 축소할 수 있습니다.

음향 노이즈 저감 및 무선 전력 전송 구현

주파수가 높을수록 모터 구동형 애플리케이션에서의 소음이 줄어듭니다. 또한 고주파 속성을 통해 더 높은 출력의 무선 전력 전송이 가능하여 공간 활용도를 높이고 송신·수신 간 공기 간격도 넓힐 수 있게 됩니다. 현재 전기차 충전 기술에도 이 기술이 연구되고 있는 것으로 알려져 있습니다.

유니파이브가 개발한 GaN 탑재 AC 어댑터

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