​전자부품연구원, 전기차 핵심부품 '고효율 SiC파워소자 실장용 신공법' 개발

Si대비 전력변환손실을 70%저감할 수 있는 SiC소자 대중화 앞당겨

SiC 전력변환모듈이 장착된 도요타 전기자동차 및 연료전지버스 [사진 = 전자부품연구원]

전자부품연구원(KETI)는 은(Ag)을 활용해 에너지 고효율화를 위한 핵심기술로 부상하고 있는 실리콘카바이드(SiC)파워반도체 실장용 고상접합기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

전자부품연구원에 따르면 실리콘카바이드(SiC)반도체는 갈륨나이트라이드(GaN) 등과 함께 광대역갭 반도체(WBG, Wide Bandgap)로서 기존 실리콘(Si)반도체 소자 대비 안정적인 고온동작, 높은 열전도도, 낮은 저항과 높은 내전압 특성을 지닌다.

이에 따라 WBG반도체는 방열구조를 간소화할 수 있으며, 전력변환모듈의 집적화(Si반도체 대비 넓이는 1/300, 두께는 1/8 감소)는 물론, 전력변환 시 발생되는 에너지손실도 줄일 수 있다. 일반적으로 전력변환 시, SiC반도체의 에너지 손실은 Si반도체 대비 70%이상 줄어들며, SiC파워반도체로 만든 인버터의 경우 에너지효율이 1~2%이상 높다.

이 같은 이유로 최근 WBG소자의 본격적인 상용화를 위한 연구에 탄력이 붙고 있다.

핵심은 실장소재와 실장공법이다. 300℃이상 고온 동작 시, 기존 Si파워반도체에 적용된 실장소재 접합재료가 액체로 변할 수 있기 때문이다.

현재 고융점 솔더를 이용한 솔더링, 저융점 접합소재를 이용한 천이(遷移)액상접합, 고융점 재료를 이용한 소결접합 등의 연구가 진행되고 있는데, 솔더링의 경우 납(Pb)에 의한 환경적 이슈가, 천이액상접합의 경우 긴 공정시간이 단점이다. 현재까지는 소결접합 관련연구가 가장 각광을 받고 있으나, 공정에 필요한 높은 온도와 가압으로 발생하는 결함은 여전히 상용화의 걸림돌로 지적되고 있다.
 

Defect-free 무가압 저온 고상접합기술이 적용된 SiC 전력변환모듈 시제품 [사진 = 전자부품연구원]

하지만 이번 KETI 오철민, 홍원식 박사 연구팀이 개발한 고상접합기술은 결함이 발생하는 근본원인을 제거했다.

일반적인 고상접합(소결 등)에 적용되는 가압력을 가하지 않으면서, 반도체 소자 및 모듈에 열적 변형을 줄일 수 있는 저온으로 진행되기 때문에, 생산제품마다 각기 다른 가압용 구조물이 불필요할 뿐만 아니라, 반도체의 전기/열 저항을 높일 수 있는 보이드와 같은 실장소재 내부결함이 없어 신뢰성이 높다.

더불어 Ag 소재 고유의 고융점, 고열전도도, 고전기전도도 등 재료특성으로 인해, SiC의 안정적인 고온동작이 가능하며 기존 접합소재보다 열저항도 30% 이상 낮아 방열특성 또한 우수하다.

오 박사는 "WBG공정기술개발은 전기차 및 신재생에너지 시대에 에너지효율 향상을 위한 시대적 요구"라며 "이번에 개발된 무가압 저온공정을 통해 SiC반도체의 성능이 접합부를 거쳐 그대로 모듈에 전달될 수 있기 때문에 향후 전기자동차, 로봇, 스마트공장 등 보다 엄격한 내구성을 요구하는 전력변환모듈에 적용이 기대된다"고 말했다.

한편 이번 기술은 산업통상자원부 에너지기술개발사업지원으로 제엠제코, 한국과학기술원과 공동으로 개발했으며 최근 과학기술정보통신부에서 선정하는 2018년 국가 R&D 100대 우수 과제에 선정됐다.