[특집-전력용 반도체]신소재 이용 고성능 소자 개발 `대세`

　최근 정보기술(IT) 업계에 에너지 절감이 핫이슈로 부상한 가운데 전력용 반도체 회사들이 고효율 제품 만들기에 전력을 다하고 있다. 온오프를 반복하는 스위칭 작동으로 전력을 조절하고 전달하는 전력용 반도체는 전력 소모가 더 많다. 이에 따라 가전 등 제품 에너지를 줄이는 소자 개발이 눈에 띈다.

　트랜치 공정이나 얇은 웨이퍼를 이용하면 소자의 크기를 줄이면서 작동 시나 스위칭 시에 전력 소모가 최소화돼 효율 개선을 꾀할 수 있다. 여기에 최근에는 실리콘보다 물질 특성이 우수한 실리콘 카바이드(SiC)반도체 등 신소재를 이용한 고성능 패키지 개발 노력도 활발하다.

　SiC는 순수 실리콘보다 8배나 높은 전압에서 견딜 수 있으며 전류는 100배까지 흘릴 수 있다. 열전도성도 뛰어나면서 누설 전류가 작아 에너지 절약 성능이 우수하다. 예를 들어 SiC 소재로 만든 D램은 충전된 전하를 100년까지 유지할 수 있다. 펜티엄 마이크로프로세서의 클록 속도를 75㎓까지 올릴 수 있다.

　우리가 일상생활에서 많이 쓰는 휴대폰에서도 전력용 반도체 기술의 진보가 묻어나온다. 초소형, 고성능 기기의 소비자 수요가 늘면서 인쇄회로기판(PCB)의 소형화 및 고성능화가 가능한 설계 기술이 개발됐다. 여기에 전력관리유닛 칩(Power Management Unit ICs) 도입으로 PCB 공간 이용 감소와 비용 절감 등의 효과도 나타났다.

　전력용 반도체는 용량에 따라서도 요구되는 기술 방향이 다르다. 소용량에서는 스마트파워 IC화, 중용량에서는 지능형 모듈화, 중·대용량에선 고전압과 고주파를 위한 저손실 신구조가 제안되고 있다. 특히 중·대용량 소자에서는 음향 노이즈와 고주파에서 작동하면서도 전력 손실이 적은 제품이 요구되고 있다.

　이와 함께 최근 설계 기술의 초점은 프로그램화를 통해 유연성과 정확성이 특징인 디지털 파워 구현이다. 이를 통해 100%의 에너지 한계효율에 도전한다는 것이다. 고파워 밀도의 DC/DC 컨버터 등을 구현하기 위한 효율적인 에너지 솔루션이다.

　설계의 기초는 디지털 컨트롤이 가능한 PoL(Point of Load)이다. 출력부위에 전력을 공급하는 스위칭 부분은 전통적 구동칩을 사용하면서도 제어 회로는 디지털 PWM(Pulse Width Modulated) 컨트롤러를 사용하는 개념이다. 고성능 설계를 위해 임베디드 시스템 솔루션도 사용되고 있다.

또 전자파 문제를 고려한 설계는 이제는 부가적인 공정이 아닌 설계 초기부터 반드시 고려해야 할 개발의 중점사항이 되고 있다. 　

설성인기자 siseol@