▲사진 제공: ETRI

국내 연구진이 군수용 고(高)에너지 기폭장치, 전기자동차 등에 활용되는 고전압 스위치용 전력반도체를 개발했다. 순수 국산기술로 이뤄낸 성과로 전력반도체 기술 자립화에 큰 도움이 될 전망이다.

국가과학기술연구회(NST) 융합연구단 사업의 일환으로 설립된 DMC 융합연구단(주관기관 ETRI)은 펄스파워 분야 고전압 스위치용 1,400V 및 2,500V급 실리콘 MCT 전력반도체 기술을 국내 최초로 개발했다고 밝혔다.

펄스파워는 낮은 전력으로 일정 시간 전기에너지를 저장·압축했다가 매우 짧은 시간 동안 대량의 에너지를 폭발적으로 내뿜는 기술이다.

주로 레일건, 군함, 전투기, 미사일 등 국방 분야와 전자가속기, 가스·수처리, 플라즈마 발생기, 레이저 시스템 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있다. 펄스파워의 높은 순간 전류를 제어하는 장치가 고전압 스위치다.

MCT 전력반도체는 고전압 스위치의 핵심부품이지만, 현재 1,400V급 MCT 전력반도체는 외국 독점생산에 수출입제한품목으로 지정되어있다.

DMC융합연구단은 국내 최초로 1,400V급·2,500V급 MCT 전력반도체를 개발해 국방 부품용 반도체 국산화에 성공했다.

연구진이 개발한 MCT는 각각 1,600V와 3,000V 이상의 높은 전압을 견딜 수 있다. 3kA 이상의 펄스전류와 40kA/㎲ 이상의 전류상승기울기 성능으로 외국에서 독점생산하고 있는 제품과 대등한 성능을 자랑한다. 펄스파워용 전력반도체의 필수 성능요소다.

또한, 연구진은 개발한 MCT 전력반도체를 활용해 민수용의 800V급 프리차지 릴레이와 정전기방전 시험 발생기 시제품도 함께 개발했다.

프리차지 릴레이는 전기자동차, 에너지저장장치 등 고전압 배터리 시스템이 적용된 모든 전기·전자제품의 전력 방출량을 안정적으로 제어하는 필수 부품이다. 

정전기방전 시험 발생기 역시 전자제품 정전기 내성 평가를 위해 순간적으로 높은 전류를 방출하기 위한 제어 부품이 요구된다.

프리차지 릴레이에 MCT 전력반도체를 적용하면 기존 기계식 스위치·릴레이가 갖는 짧은 수명과 잡음 등의 문제를 해결할 것으로 기대된다.

IGBT, SiC MOSFET 등 다른 전력반도체와 비교할 때 시스템 구성이 매우 간단하며 칩 크기도 1/3 수준에 불과해 경제성도 우수하다. 

또한, 연구진이 개발한 정전기방전 시험 발생기용 릴레이는 전세계적인 환경 이슈로 사용이 제한되고 있는 기존 수은 릴레이의 한계를 극복할 수 있다.

즉, 본 기술은 국방용 펄스파워 분야 핵심부품으로 사용될 뿐 아니라 민수용 전력 부품으로도 활용도가 굉장히 높은 셈이다.

MCT 전력반도체 소자의 설계 및 제작과 고전압 반도체 릴레이 시제품을 모두 국내 연구진의 기술로 이뤄내 그 의미는 더 크다.

연구진은 수년간 쌓은 MCT 소자 설계 기술, 제작 공정 기술, 성능 평가 기술 및 MCT를 활용한 반도체 릴레이 설계 기술, 모듈 제작 기술, 시험평가 기술 등을 통해 본 성과를 창출할 수 있었다고 전했다.

DMC 융합연구단 박건식 박사는“실리콘 반도체 개발 노하우를 보유하고 있는 ETRI 반도체실험실과 NST 융합연구단사업을 계기로 국내 연구기관들의 우수 설비 및 연구 역량 융합을 통해 고전압 MCT 전력반도체 기술을 확보했다. 본 기술이 국방분야 뿐만 아니라 민수분야의 다양한 전력부품 개발에 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

연구진은 본 기술을 응용해 4,000V 이상의 고전압 스위치, 양방향 고전압 스위치 등과 이를 활용한 응용부품을 개발하는 후속 연구를 진행할 예정이다. 

또한, 펄스파워용 고전압 스위치 기술을 더욱 높이고, 산업체로의 기술이전, 연구소기업 추진 등을 통해 상용화를 위한 지원에 나설 예정이다. 

본 성과는 국가과학기술연구회 융합연구단‘국방 무기체계용 핵심 반도체 부품 자립화 플랫폼 개발’사업으로 이뤄졌다. 

ETRI를 비롯해 한국기계연구원, 나노종합기술원 등이 참여하고 있다. 정부출연연구원 및 민간보유 우수기술을 활용, 국방 무기체계용 핵심 반도체 기술을 연구한 값진 융합연구 산물이다.