반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

▲온세미는 수직(Vertical) 구조의 질화갈륨(GaN) 전력반도체를 공개했다.

지능형 전력 및 센싱 기술의 선도 기업인 온세미는 전력 밀도, 효율, 내구성에서 새로운 기준을 제시하는 버티컬 질화갈륨(vGaN) 전력반도체 공개를 발표했다. AI 데이터센터, 전기차, 재생에너지 등 에너지 집약적 산업의 전력 수요가 급증하고 있다. 이러한 상황 속에서 이번 차세대 GaN-on-GaN 전력반도체는 화합물 반도체 내 전류를 수직 방향으로 흐르게 하는 구조를 통해 더 높은 동작 전압과 빠른 스위칭 주파수를 구현한다. 그리고 AI 데이터센터, 전기차, 재생에너지, 항공우주 등 다양한 분야에서 더 작고 가벼우며 효율적인 시스템 설계를 가능하게 한다.

온세미의 vGaN 기술은 AI와 전기화 시대를 대비한 혁신적인 전력반도체 기술로, 효율, 전력 밀도, 내구성 측면에서 새로운 표준을 제시한다. 온세미의 미국 뉴욕주 시러큐스(Syracuse) 팹에서 개발, 제조된 본 기술은 공정, 디바이스 설계, 제조, 시스템 혁신과 관련된 130건 이상의 글로벌 특허를 기반으로 한다. 

온세미 기업 전략 담당 수석 부사장인 디네시 라마나선(Dinesh Ramanathan)은 “버티컬 GaN은 업계의 판도를 바꿀 기술로, 에너지 효율과 혁신 분야에서 온세미의 리더십을 공고히할 것이다. 전기화와 AI가 산업을 재편하는 지금, 효율성은 진보를 정의하는 새로운 기준이 됐다. 버티컬 GaN이 전력 포트폴리오에 추가됨으로써 고객은 최고의 성능을 구현할 수 있으며, 온세미는 에너지 효율과 전력 밀도가 경쟁력의 핵심이 되는 미래를 만들어가고 있다”고 밝혔다. 

전 세계는 이제 에너지가 기술 발전의 한계를 결정짓는 새로운 시대로 접어들고 있다. 전기차, 재생 에너지부터 AI 데이터센터까지 그 전력 소비는 이미 일부 도시의 전력 사용량을 넘어섰으며, 전력 수요가 효율적으로 생산, 공급할 수 있는 능력보다 더 빠르게 증가하고 있는 지금은 단 1와트의 절약조차 중요한 시점이다. 

온세미의 vGaN 기술은 단일 다이에서 1,200V 이상의 고전압을 처리하고, 고주파에서 고전류를 고효율적으로 스위칭할 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 전력 손실을 최대 50%까지 줄이고, 고주파 동작 시 인덕터와 커패시터 등 수동 부품의 크기를 대폭 줄일 수 있다. 또한 기존 수평형 GaN 대비 약 3분의 1 크기로 구현이 가능해 전력 밀도, 열 성능, 신뢰성이 중요한 고출력 응용 분야에 최적화돼 있다.

• AI 데이터센터: 800V DC-DC 컨버터용 전력 밀도 향상과 부품 수 절감으로 랙당 비용 절감
• 전기차: 소형, 경량, 고효율 인버터로 주행거리 확대
• 충전 인프라: 더 빠르고 견고한 고속 충전 솔루션 구현
• 재생에너지: 고전압 처리와 에너지 손실 최소화로 태양광·풍력 인버터 효율 개선
• 에너지저장장치(ESS): 배터리 컨버터, 마이크로그리드를 위한 고효율 양방향 전력변환
• 산업 자동화: 소형·저발열·고효율 모터 드라이브와 로보틱스
• 항공우주: 고성능·고내구성·소형화된 고출력 전력 솔루션 

현재 상용화된 대부분의 GaN 소자는 실리콘(Si)이나 사파이어 등 비 GaN 기판 위에 제작된다. 반면, 온세미의 vGaN은 고전압 디바이스에 최적화된 GaN-on-GaN 기술을 적용해 전류가 칩 표면이 아닌 내부를 수직으로 흐르도록 설계됐다. 이 구조는 더 높은 전력 밀도와 우수한 열 안정성, 극한 환경에서도 견고한 성능을 제공한다. 이러한 장점을 바탕으로 vGaN은 GaN-on-실리콘, GaN-on-사파이어 디바이스를 뛰어넘어 더 높은 전압 처리 능력, 빠른 스위칭 주파수, 탁월한 신뢰성과 내구성을 구현한다. 이를 통해 냉각 요구 사항을 줄이면서 더 작고 가벼우며 고효율의 전력 시스템을 설계할 수 있다.

• 전력 밀도 향상: 더 높은 전압과 전류를 작은 면적에서 처리 가능
• 고효율: 전력 변환 시 손실을 줄여 발열 최소화, 냉각 비용 절감
• 소형화: 고주파 스위칭으로 수동소자(인덕터, 커패시터) 크기 축소