GaN(갈륨 나이트라이드)을 사용한 AC 어댑터란

GaN(갈륨 나이트라이드) IC를 탑재한 차세대 반도체라고 불리는 AC 어댑터, 스위칭 전원에 대해 해설한 페이지입니다. Unifive가 개발한 USB-PD 어댑터에 채용하고 있습니다.

차세대 반도체, GaN 탑재 AC 어댑터란

GaN이란 무엇인가?

최근 양판점에서도 자주 보이는 GaN PD 탑재 USB AC 어댑터의 “GaN”은 갈륨나이트라이드(GaN)를 의미하며, 파워 일렉트로닉스 분야에 혁신적인 변화를 이끌고 있는 차세대 소재로 주목받고 있습니다. 수십 년간 실리콘을 기반으로 한 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)이 전력을 변환하는 역할을 담당해 현대의 일상생활에서 필수적인 존재가 되어 왔습니다. 그러나 이 실리콘 MOSFET은 이론적인 한계에 도달하고 있어, 현재의 기술로는 더 이상의 개선이 어려운 상황에 이르고 있습니다.

게다가 최근에는 전력 밀도나 전력 효율에 대한 요구가 높아졌고, 선진국을 중심으로 환경 오염을 억제하기 위한 다양한 규제가 도입되면서 실리콘은 이러한 환경 변화를 수용하기 어려운 성분을 가진 소재입니다. 이에 비해 갈륨나이트라이드는 에너지 시스템의 효율, 성능, 전력 밀도 향상에 대한 요구를 충족시킬 수 있는 특성을 갖춘 소재로, 실리콘을 대체할 차세대 파워 스위칭 기술의 핵심으로 확산되고 있습니다.

그렇다면, 갈륨나이트라이드란?

갈륨나이트라이드는 자연계에 존재하지 않는 원소입니다. 일반적으로 보크사이트 광석에서 알루미늄을 제련하거나 섬아연광을 가공하여 아연을 생산할 때 부산물로 생성되며, 이로 인해 추출 및 정제 시 배출되는 이산화탄소의 양이 매우 적습니다. 갈륨은 매년 300톤 이상 생산되고 있으며, 전 세계 매장량은 100만 톤 이상으로 추정됩니다. 가공 시 부산물로 얻을 수 있기 때문에 1kg당 약 300달러로 비교적 저렴하며, 1kg당 약 6만 달러인 금과 비교하면 가격은 약 200분의 1 수준입니다.

또한 환경적인 이점 외에도 Ⅲ/Ⅴ족 2원 직접 천이형 반도체로서 고온에서도 안정적으로 동작하는 하이파워 트랜지스터에 적합한 물질입니다.

GaN의 역사

순수한 갈륨의 녹는점은 불과 30℃로, 사람의 체온에서도 손바닥에서 녹을 수 있습니다. 갈륨나이트라이드가 처음 합성되기까지는 이후 약 65년의 세월이 걸렸으며, 1960년대에 들어서야 GaN의 단결정막을 성장시킬 수 있게 되었습니다. 화합물인 GaN의 융점은 1600℃ 이상으로, 실리콘보다 200℃나 높은 온도를 견딜 수 있습니다.

1972년에는 갈륨나이트라이드에 마그네슘을 도핑한 GaN계 LED가 개발되었습니다. 이 기술은 획기적인 발전으로, 상업화 단계에서 충분한 밝기를 확보하지 못했지만 청자색 발광이 가능한 최초의 LED였습니다.

1990년대 이후 GaN은 발광 다이오드(LED)에 널리 사용되기 시작했으며, 블루레이 디스크의 판독에 사용되는 청색광도 방출합니다. 또한 반도체 파워 디바이스, RF 컴포넌트, 레이저, 포토닉스 등에도 활용되며, 향후에는 센서 기술 분야에서도 GaN이 활용될 것으로 기대되고 있습니다.

2006년에는 유기금속기상증착법(MOCVD)을 활용하여, 표준 실리콘 웨이퍼의 AIN층 위에 GaN 박막을 성장시킨 강화형 모드 GaN 트랜지스터(GaN FET)가 생산되기 시작했습니다. AIN층은 기판과 GaN 사이에서 완충층 역할을 하며, 이 새로운 방식 덕분에 GaN 트랜지스터는 기존 실리콘 제조 공정을 그대로 활용할 수 있게 되었습니다. 기존의 제조 공정을 사용함으로써 실리콘과 동일한 수준의 저비용 생산이 가능해지고, 성능이 크게 향상된 소형 트랜지스터 제조의 장벽도 낮아지게 됩니다. 자세히 설명하자면, 모든 반도체 재료에는 밴드갭이라는 것이 존재합니다. 이는 고체 내에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 구간을 의미하며, 쉽게 말하면 전기 전도성의 지표입니다. 실리콘의 밴드갭이 1.12 eV인 데 반해, 갈륨나이트라이드는 3.4 eV로 더 큽니다. 밴드갭이 넓은 GaN은 실리콘 MOSFET보다 더 높은 전압과 고온에 견딜 수 있다는 의미입니다.

이처럼 넓은 밴드갭을 갖춘 GaN은 광전자 공학 분야의 고출력, 고주파 디바이스 응용을 가능하게 하고 있습니다. 갈륨나이트라이드는 비소화갈륨(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 높은 온도·전압에서도 작동이 가능해, 이미징 및 센싱 기술이 활용되는 마이크로파 디바이스, 테라헤르츠(Thz) 디바이스 전력 증폭기로도 이상적인 소재라고 평가됩니다.

GaN의 장점이란

광자공학의 고출력/고주파 디바이스에 적용 가능한 GaN을 AC 어댑터에 활용하면 어떤 장점이 있을까요? 여기서는 GaN을 AC 어댑터에 적용할 때의 이점에 대해 설명합니다.

일반적으로 GaN은 실리콘을 기반으로 한 소재와 비교됩니다. 현재 표준으로 쓰이고 있는 실리콘 기반 MOSFET은 AC/DC 전원, DC/DC 전원, 모터 제어 장치 등 수십 와트에서 수천 와트까지 폭넓게 사용되고 있으며 패키징, 온저항(RDS), 정격전압, 스위칭 속도 등이 지속적으로 개선되어 왔습니다.

하지만 실리콘 기반 반도체의 성능은 오랜 기술 발전에 따라 이론적으로 한계에 근접해 있으며, 더 이상의 개선은 어려운 상태입니다. 반면, 갈륨나이트라이드를 기반으로 한 전력 디바이스는 고전자 이동도 트랜지스터로 실리콘보다 더 높은 임계 전계 강도를 갖습니다. 이 높은 전자 이동도는 GaN이 실리콘보다 높은 전계 강도를 갖는다는 것을 나타내며, 온저항과 항복전압이 동일한 경우 GaN 디바이스는 실리콘 반도체보다 소형화 가능합니다.

GaN FET는 저손실, 고효율 특성에 필수적인 매우 빠른 스위칭 속도와 뛰어난 역회복 특성을 갖고 있습니다. 현재 600/650V 정격의 GaN FET는 다양한 시장에서 유통되고 있습니다.

AC 어댑터에 적용할 경우 다음 세 가지 주요 장점이 있습니다.

발열에 대한 효과

GaN 재료는 넓은 밴드갭을 갖고 있어 실리콘보다 더 높은 열전도율을 지닙니다. 이 특성은 GaN 장치를 보다 고온 환경에서 작동 가능하게 하고 효율적인 냉각을 가능하게 하여, AC 어댑터를 더 낮은 온도로 유지하고 열로 인한 손상을 방지할 수 있습니다.

고전력 밀도를 통한 소형화

스위칭 주파수나 동작 온도가 실리콘 부품보다 높기 때문에, 히트싱크를 작게 하거나 냉각 팬을 생략하고, 자기 부품의 소형화도 가능합니다. GaN 부품의 스위칭 주파수는 높을수록 전원 회로 내 인덕터나 커패시터의 사이즈를 소형화할 수 있으며, 이로 인해 AC 어댑터 내부의 부품 수를 줄여 외형 크기를 작게 만들 수 있게 됩니다.

음향 노이즈 저감 및 무선 전력 전송 실현

주파수가 높을수록 모터 구동형 애플리케이션에서의 음향 노이즈가 감소됩니다. 또한 고주파화를 통해 더 높은 출력의 무선전력 전송이 가능해져, 공간에서의 자유도를 높이고 송신과 수신 간의 에어갭을 더욱 넓힐 수 있습니다. 최근에는 전기차용 전력 전송 기술에도 이 기술이 연구되고 있는 것으로 보입니다.

Unifive에서 개발한 GaN 탑재 AC 어댑터

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