GaN(갈륨 나이트라이드)을 사용한 AC 어댑터란

차세대 반도체로 불리는 GaN(갈륨 나이트라이드) IC를 탑재한 AC 어댑터, 스위칭 전원에 대해 해설한 페이지입니다。UNIFIVE가 개발한 USB-PD 어댑터에 채택하고 있습니다。

차세대 반도체, GaN 탑재 AC 어댑터란

GaN이란 무엇인가?

최근 양판점에서도 자주 볼 수 있는 GaN PD 탑재 USB AC 어댑터. 그 "GaN"은 질화갈륨을 의미하며, 파워 일렉트로닉스 분야에 혁신적인 변화를 가져오고 있는 주목받는 차세대 소재입니다. 수십 년 동안 실리콘 기반의 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 에너지를 전력으로 변환하는 역할을 하며 현대인의 일상에 없어서는 안 되는 존재가 되어 왔습니다. 그러나 일반적이던 실리콘 MOSFET의 개선 및 전력 효율 향상에는 이론적 한계가 있어, 현대 기술로는 더 이상 발전이 어려운 수준에 도달하고 있습니다.

더욱이, 최근에는 전력 밀도와 에너지 효율에 대한 요구가 높아지고 있으며, 선진국을 중심으로 환경 오염 억제를 위한 다양한 규제가 시작되는 추세입니다. 이러한 흐름에서 실리콘은 해당 환경 친화적 요구에 대응하기 어려운 특성을 가진 소재입니다. 이에 비해 질화갈륨은 전력 시스템의 효율, 성능, 전력 밀도 향상의 요구에 적합한 특성을 가진 소재로서 실리콘을 대체할 차세대 전력 스위칭 기술의 핵심으로 주목받고 있습니다.

그렇다면 질화갈륨이란?

질화갈륨은 자연계에 원소 상태로 존재하지 않습니다. 일반적으로는 보크사이트 광석에서 알루미늄을 제련하거나, 섬아연광에서 아연을 추출하는 과정에서 부산물로 얻어집니다. 이로 인해 추출 및 정제 시 이산화탄소 배출량이 매우 적습니다. 갈륨은 매년 300톤 이상 생산되며, 전 세계에 매장된 양은 100만 톤 이상으로 추정됩니다. 부산물로 얻어질 수 있어 1kg당 약 300달러로 비교적 저렴하며, 1kg당 약 6만 달러인 금과 비교해 가격은 약 1/200 수준입니다.

또한 환경적 장점 외에도, 질화갈륨은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 직접 천이형 반도체로 고온에서도 정상 작동이 가능한 고전력 트랜지스터에 적합한 물질입니다.

GaN의 역사

순수한 갈륨의 융점은 단 30℃로 사람의 체온 정도에서도 손바닥에서 녹아버립니다. 질화갈륨이 처음으로 합성되기까지는 그 후 65년 정도의 시간이 더 필요했으며, 1960년대에 들어서기 전까지는 GaN 단결정 박막의 성장은 불가능했습니다. 화합물인 GaN의 융점은 1600℃를 초과하며 실리콘의 융점보다 200℃나 높습니다.

1972년, 갈륨에 마그네슘을 도핑한 GaN 계열 LED가 탄생하였습니다. 이는 획기적인 사건이었습니다. 초기에는 상업적으로 충분한 밝기를 제공하지 못했지만, 청자색 발광이 가능한 최초의 LED였기 때문입니다.

1990년대 이후 질화갈륨은 LED에 널리 사용되기 시작했습니다. 질화갈륨은 블루레이 디스크의 판독에 사용되는 청색광도 방출합니다. 또한 반도체 파워 디바이스, RF 컴포넌트, 레이저, 포토닉스 등에도 사용되고 있으며, 미래에는 센서 기술 분야에도 GaN이 활용될 것으로 예상되고 있습니다.

2006년에는 유기금속기상증착법(MOCVD)을 통해 표준 실리콘 웨이퍼의 AIN 층 위에 GaN 박막을 성장시킨 인핸스먼트 모드 GaN 트랜지스터(GaN FET)의 제조가 시작되었습니다. AIN 층은 기판과 GaN 사이의 버퍼 역할을 합니다. 이러한 신기술을 통해 질화갈륨 트랜지스터는 실리콘과 같은 기존 공장에서 거의 같은 공정으로 제조할 수 있게 되었습니다. 기존 공정을 사용할 수 있음으로써 실리콘과 같이 저비용으로 생산 가능하게 되었고, 성능이 크게 향상된 소형 트랜지스터 도입에 대한 장벽을 낮췄습니다.

자세히 말하면, 모든 반도체 재료에는 밴드갭이라는 것이 존재합니다. 이는 고체 내에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 범위를 나타냅니다. 쉽게 말하면, 밴드갭은 고체 물질이 전기를 얼마나 잘 통과시키느냐를 결정합니다. 실리콘의 밴드갭은 1.12eV인 반면, 질화갈륨의 밴드갭은 3.4eV입니다. 질화갈륨의 밴드갭이 넓다는 것은, 실리콘 MOSFET보다 더 높은 전압 및 고온에 견딜 수 있다는 것을 의미합니다.

이처럼 넓은 밴드갭을 가진 질화갈륨은 광전자공학 분야의 고출력 및 고주파 디바이스에 응용될 수 있습니다. 질화갈륨은 비소화갈륨(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 높은 온도 및 전압에서도 동작할 수 있기 때문에 이미징 및 센싱과 같은 마이크로파 디바이스, 테라헤르츠(THz) 디바이스의 전력 증폭기로도 이상적이라 할 수 있습니다.

GaN의 장점이란?

광전자공학의 고출력 및 고주파 디바이스에 응용이 가능한 소재인 GaN을 AC 어댑터에 채용함으로써 어떤 이점이 있을까요? GaN을 AC 어댑터에 적용하는 데 따른 이점을 설명합니다.

일반적으로 GaN은 실리콘 소재를 쓴 제품과 자주 비교됩니다. 현재 표준으로 자리잡은 실리콘 기반 MOSFET은 AC/DC 전원, DC/DC 전원, 모터 제어 장치 등 수십 와트에서 수천 와트에 이르는 전력 응용 분야의 전원 스위치로 널리 사용되고 있으며, 패키징, 온 저항RDS, 정격 전압, 스위칭 속도 등이 지속적으로 개선되어 왔습니다.

하지만, 실리콘 반도체의 성능은 오랜 기술 발전에 의해 이론적 한계에 도달해 있으며, 더 이상의 개선은 기대하기 어려운 상황입니다. 반면, 질화갈륨을 기반으로 한 파워 디바이스는 실리콘보다 높은 임계전계 강도를 가진 고전자 이동도 트랜지스터입니다. 이 전자 이동도가 높다는 것은 GaN이 실리콘보다 전계 강도가 높다는 의미이며, 또한 온 저항이나 항복 전압이 같을 경우 GaN 디바이스는 실리콘 반도체보다 소형화할 수 있습니다.

GaN FET는 저손실, 고효율 성능에 필수적인 매우 빠른 스위칭 속도와 우수한 역회복 특성을 갖추고 있습니다. 현재는 600/650V 정격 GaN FET가 다수 출시되고 있습니다.

AC 어댑터에 적용할 때의 장점으로는 대략 다음의 세 가지가 있습니다.

발열 개선 효과

GaN 소재는 밴드갭이 넓기 때문에 실리콘에 비해 높은 열전도율을 가집니다. 이 특성은 GaN 디바이스가 더 높은 온도에서 작동할 수 있고 냉각이 효율적이라는 것을 의미하므로, AC 어댑터를 저온 상태로 유지하고 열에 의한 손상을 방지할 수 있습니다.

고전력 밀도화를 통한 소형화

스위칭 주파수나 동작 온도가 실리콘보다 높기 때문에 방열판을 소형화하거나 냉각 팬을 제거하고, 자성 부품을 줄이는 것이 가능해집니다. 또한, GaN 부품의 스위칭 주파수가 높을수록 파워 회로에 사용하는 인덕터 및 콘덴서 등의 부품을 소형화할 수 있어, AC 어댑터 내부에 탑재되는 전자부품 수를 줄이고 그만큼 외형 크기도 작아질 수 있습니다.

오디오 노이즈 저감 및 무선 전력 전송 구현

스위칭 주파수가 높을수록 모터 구동형 애플리케이션에서 발생하는 오디오 노이즈는 적어집니다. 또한 고주파 특성 덕분에 고출력의 무선 전력 전송이 가능해지고 공간적 자유도가 향상되며, 송신과 수신 간의 에어갭을 더욱 넓힐 수 있습니다. 현재는 전기차 충전 기술에도 해당 기술이 연구되고 있습니다.

유니파이브가 개발한 GaN 탑재 AC 어댑터

관련 콘텐츠