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TI “전력 밀도를 두 배로 높이고자 한다면 GaN이 유일한 해답”

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[헬로티]


“효율을 3% 혹은 4% 향상시키는 것은 다른 방법으로도 얼마든지 할 수 있지만 전력 밀도를 두 배로 높이고자 한다면 GaN이 유일한 해답이다” 

- 마수드 베헤스티(Masoud Beheshti) TI의 제품 매니저


텍사스인스트루먼트(Texas Instruments)는 GaN(질화갈륨 나이트라이드) 기술 개발에 적극적인 기업 중 하나다. 최근 TI는 지난 10년간 GaN 기술 개발에 집중한 결과 최근 GaN 솔루션을 순차적으로 출시하면서 포트폴리오를 확장하고 있다. TI는 GaN-on-silicon(실리콘) 공정으로 제조함으로써 가격 경쟁력을 확보했다. 


▲GaN의 이점


TI의 GaN 기술 개발 단계 

TI는 2010년 GaN 개발에 본격적으로 뛰어들었고, 2018년 지멘스와 공동으로 GaN를 사용한 10kW 클라우드 지원 그리드 링크를 최초로 시연했다. 이 기술은 당시 2000시간의 신뢰성 테스트를 완료했고, 2020년에는 신뢰성 테스트를 3000시간으로 확대함으로써 GaN 기술을 입증 받았다. 


이를 발판으로 현재 TI는 150MΩ, 70MΩ, 50MΩ 등 GaN FET 전력 제품군 포트폴리오를 대량으로 생산할 수 있게 됐다. 최근에는 자체 대류 냉각 900-V와 5-kW 양방향 AC/DC 플랫폼 시연에 성공하면서 자동차, 그리드 스토리지, 태양 에너지와 같은 새로운 애플리케이션으로GaN을 확장하고 있다. 


TI의 GaN 기반의 900-V와 5-kW 양방향 컨버터 데모는 다음과 같은 기능을 입증했다. ▲냉각팬 없이 최대 효율 99.2% 제공 ▲자연 대류 기능을 갖춘 5kW급 확장 가능한 멀티 레벨 솔루션 ▲기존 IGBT 솔루션보다 300% 높은 전력 밀도 ▲C2000 디지털 컨트롤러를 포함한 TI 솔루션의 종합 ▲버스 전압을 최대 1.4kV 까지 지원한다. 


아리아나 라자비(Arianna Rajabi) TI의 제품 마케팅 엔지니어는 “TI는 이제 GaN 패키징과 테스트까지 완벽하게 거침으로써, 전력 밀도를 무엇보다도 중요시하는 고객사에게 신뢰할 수 있는 새로운 전원 컨버터 솔루션을 제공할 수 있는 기술을 보유하게 됐다”고 말했다.


▲TI의 GaN 기술 로드맵 


다음은 마크 개리(Mark Gary) TI BSR 사업부 부사장과 TI의 GaN 비즈니스 관련 인터뷰 내용이다. 


Q.GaN 개발에 있어서 도전 과제는 무엇이었나? 

GaN 개발에 있어서 지난 5년간 신뢰성을 테스트하는 것이 가장 어려웠다. GaN은 실리콘과 성격이 다른 제품이기 때문에 제품수명을 어떻게 개선해야 할지에 대해 신뢰성 테스트를 많이 진행했었다. 지난 2년 사이에는 GaN 관련 표준(스탠다드)가 발표됐는데, 이를 적용시켜 만드는 과정이 도전과제였다. 그 결과 현재 TI는 GaN 포트폴리오를 다양하게 확장할 수 있었다. 


Q. 전력 밀도 높아지면 열 문제가 높아지게 된다. 어떻게 대응하나? 

5미리 패키징을 사용함으로써 주변 온도에 대한 저항력을 높였다. 또 레지스턴스를 잘 사용함으로써 열에 대한 문제를 극복했다. 


Q. 원가 절감 면에서 GaN 기술 전망 어떠한가? 

GaN이 자체로 소량 생산될 때 비용은 높을 수 있겠지만, 조립 공정이 개선되고 점점 생산량이 증가되면 자연스럽게 단가는 인하될 것이다. GaN을 사용하면 전체 제품 사이즈는 작아지게 되고, 이로 인해 외부 컴포넌트 또한 사이즈가 작아지게 된다. 실리콘과 비교하면 GaN의 생산 비용이 높지만 전체 제품 생산의 총 비용(Total cost)을 봤을 때, GaN도 비용면에서 충분히 유리하다고 생각한다. 시간이 지남에 따라, GaN은 소비자 가전 제품과 같은 다양한 애플리케이션들로 확대될 것이다. 


* 본 기사는 <전자기술 9월호>의 커버스토리 기사의 일부 입니다.

 

① ‘질화갈륨(GaN) 반도체’ 중간점검, 기술 경쟁은 계속된다

② [이슈] GaN 기술을 확보하기 위한 방법: 인수합병 또는 기술협력

③ 반도체 기업, GaN 기술 개발 어디까지 왔나?

④ ST가 GaN RF 산업에서 GaN-on-Si를 선택한 이유 

⑤ TI, GaN와 함께 하는 미래 




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