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전기차 보급 확대를 위한 숨은 공신 ‘와이드 밴드갭’ 첨단 소재
양대규 기자 | 승인 2018.05.14 17:35

[EPNC=양대규 기자] 전세계가 온실 가스 감축을 위해 애쓰고 있다. 그 중 적극적으로 앞장 서고 있는 대표적인 지역은 유럽연합(EU)이다. EU는 온실 가스 배출을 2050년까지 80% 줄이겠다는 목표를 세우고 있으며, 이를 달성하려면 자동차 분야에서 대대적인 감축이 필요하다. 미국 역시 이러한 노력의 일환으로 기업 평균 연비(Corporate Average Fuel Economy, CAFE) 제도를 마련했다. 다만 현 정부에 들어서는 이 제도의 수치를 재검토하려는 움직임을 보이고 있다. EU와 미국의 감축 계획이 일정대로 진행된다면 자동차 업계는 자신들의 모든 차종에서 더 높은 연비를 달성하도록 더 심한 압박을 받게 될 것으로 예측된다.

이런 것들이 단기적인 목표라면, 장기적으로는 전기차(Electric Vehicles, EV)와 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicles, HEV)의 보급을 확대해 대중화 할 필요가 있다. 블룸버그 신에너지 금융연구소(Bloomberg New Energy Finance)가 실시한 조사에 따르면, 온실 가스 감축 목표를 달성하려면 2040년까지 전기차 출하 대수를 4100만 대로 늘려서 지금보다 크게 늘려야 한다. 이는 전세계 자동차 출하 대수의 35%에 해당한다. 그러나 현재 높은 전기차 보급률을 보유하고 있는 국가는 는 노르웨이, 네덜란드 두 곳뿐이다. 노르웨이의 전기차 보급률은 20%, 네덜란드는 10% 정도 수준이다. 그 밖에 미국, 독일, 중국, 프랑스, 일본, 영국 등 나라들은 선진국이라 하더라도 1.5% 미만에 그치는 수준이다.

이처럼 낮은 전기차 보급률을 끌어올리기 위해서는 전기차의 토대가 되는 기술 분야에서 대대적인 혁신이 필요하다. 현재 전기차는 동급의 내연 구동 자동차에 비해서 가격이 더 비싸다. 이것이 잠재 구매자들을 주저하게 만드는 가장 큰 요인으로 꼽힌다. 전기차의 가격이 더 높을 수밖에 없는 이유는 주로 전력 인버터와 에너지 저장 방식 때문이다. 비싼 가격 외에도 전기차는 편의성 측면에서도 내연 엔진 자동차에 뒤져진다. 예컨대 최대 충전 시 가능한 주행 거리와 충전에 걸리는 시간 등은 개선시켜야 할 부분으로 꼽힌다. 따라서 가격대와 편의성 문제 모두 전력 반도체와 관련되는 부분이다.

좀더 효율적인 전기차를 개발하기 위해서는 인버터를 더 작고 저렴하게 만들어야 한다. 이는 주행 거리를 늘리는 결과로 이어질 것이다. 이런 문제에 대한 해결책으로 질화갈륨(GaN)이나 탄화규소(SiC) 같은 와이드 밴드갭(Wide Bandgap, WBG) 기술이 필요하다. 와이드 밴드갭 기술을 사용하면 실리콘의 근본적인 전력 손실을 최소화할 수 있다. 실리콘과 비교했을 때 이들 소재는 전자 이동도가 더 높고 RDS(on)이 더 낮다. 또한 두 소재 모두 빠르게 스위칭할 수 있으며 더 높은 항복 전압(Breakdown voltage)을 자랑한다.

이런 소재를 사용해 전반적인 전력 효율을 높이게 되면, 또 다른 부수적인 이점을 얻을 수 있다. 특히 열 관리 측면에서, 발열이 감소해 필요한 히트싱크 수를 줄일 수 있고 그에 따라 BOM(Bill Of Materials) 비용을 줄이고 차지하는 공간을 줄일 수 있다.

HEV/EV 개발을 위한 GaN 시스템즈의 GS6650x 시리즈 GaN 기반 트랜지스터

예를 들어 GaN 시스템즈(GaN Systems)의 GS6650x 시리즈 GaN 기반 트랜지스터를 들 수 있다. 이 시리즈의 제품들은 전기차 애플리케이션의 고전압(최대 650V) 시스템에 적합하도록 설계됐다. 이들 트랜지스터 제품은 이 회사 고유의 ‘섬(Island)’ 기술이 적용돼 칩으로부터 수직으로 전류를 인출하기 때문에 버스 바(Bus bar)가 필요 없다. 그만큼 공간과 무게를 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 또한 인덕턴스 손실을 줄이고 더 우수한 FoM(Figure of Merit) 수치를 달성할 수 있기 때문에 포화 전압과 스위칭 손실을 절충할 필요가 없다. 뿐만 아니라 GANPX 패키징 기술을 통해 인덕턴스와 열 저항을 최소화하고 패키징 크기를 줄일 수 있다.

파나소닉(Panasonic)의 X-GaN 전력 트랜지스터도 대표적인 사례 중 하나다. 이들 트랜지스터 제품은 600V 이상의 높은 항복 전압을 특징으로 하고, 소형 폼팩터로 제공되고 최소한의 수동 소자만 필요로 한다.

기존 MOS 기반 실리콘 트랜지스터와 파나소닉 X-GaN 트랜지스터의 폼팩터 비교

이 외에 GeneSiC은 SiC 기술을 적용해서 저손실 동작을 구현한 첨단 IGBT 제품 GA100SIC를 제공한다. 이런 특징이 가능한 것은, SiC 기반 쇼트키 정류기를 사용해 통상적인 실리콘 기반 프리휠링 다이오드(Freewheeling Diode)를 대체함으로써 스위칭 성능을 크게 끌어올렸기 때문이다.

여기서 예시한 제품들은 SiC과 GaN 기술 분야의 현재 발전 수준을 보여준다. 이들 소재를 사용함으로써 전기차 시스템 설계자들은 차세대 전력 인버터를 개발할 때 보다 경쟁력 있는 시스템을 구현할 수 있다.

SiC과 GaN 기술로 제작된 부품들은 차량의 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축함으로써 전기차 시장 활성화에 기여할 것이다. 또 손쉽게 더 높은 전압을 처리하고 더 빠르게 스위칭할 수 있으므로 차세대 HEV/EV 파워트레인을 가능하게 하는 토대를 제공할 것이다. 예컨대, 와이드 밴드갭 화합물 소재는 여러 측면에서 유리한 이점들을 제공할 뿐만 아니라 자동차 업계에 부과되는 온실 가스 감축 요구를 충족하는 데에도 일조하게 될 것이다.

글: 마크 패트릭(Mark Patrick) 마우저 일렉트로닉스

자료제공: 마우저 일렉트로닉스

#전기차 충전#와이드 밴드갭#마우저 일렉트로닉스#EV#PEV#GaN#SiC

양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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