질화갈륨 (GaN), 차세대 반도체 소재 등장!
안녕하세요 오늘의 성장입니다.
반도체는 실리콘을 소재로 만들어집니다. 실리콘은 우수한 소재 특성으로 인하여 고도로 정밀한 반도체를 만들어 왔으며, 반도체로 인하여 인류 문명의 패러다임이 바뀌었습니다. 그러나 실리콘 기반의 반도체도 한계가 보이기 시작했습니다. 차세대 반도체 소재로 거론되고 있는 것은 질화갈륨(GaN)입니다. 질화갈륨은 전자의 손실이 적어 높은 주파수, 고온, 고전압 환경에서도 에너지 효율이 높습니다. 또한 신호처리 속도가 실리콘 보다도 빠르기 때문에 에너지 저장공간이 불필요하여 소형화가 가능합니다.
오늘의 성장 글 : 순서
1. 반도체로 인류 문명을 바꾸어 온 실리콘
2. 차세대 반도체 소재로서의 질화갈륨 특징
3. 질화갈륨 반도체의 활용범위
4. 차세대 반도체 시장 전망
1. 반도체로 인류 문명을 바꾸어 온 실리콘
글로벌 일류기업인 구글, 마이크로소프트, 애플, 아마존 등 IT를 기반으로 하는 기업들은 대부분 실리콘밸리에 위치하고 있습니다. 실리콘 밸리는 반도체의 소재가 실리콘으로 만들어졌기 때문에 붙여진 이름입니다.
반도체는 1950년대 트렌지스터의 발명으로부터 시작했습니다. 실리콘의 우수한 소재 특성으로 인하여 고 정밀 반도체를 만들 수 있었고 지난 70년간 반도체의 발전으로 인류 문명을 바꾸어 놓았습니다. 컴퓨터, 스마트폰, 자동차 등 우리 생활에 밀접하게 파고들어 새로운 문화를 형성토록 한 모든 제품들이 반도체(실리콘)를 기반으로 하고 있습니다.
반도체 기술은 첨단의 첨단을 거듭하며 발전해 왔으나, 이제 실리콘 기반 반도체의 성능은 한계에 가까워지고 있습니다. 한 가지 예를 들자면 실리콘은 고 전압 환경에서 전력 손실이 커 에너지 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.
2. 차세대 반도체 소재로서의 질화갈륨 특징
질화갈륨(GaN)이란? 갈륨과 질소를 결합한 화합물입니다. 단단한 육각형 구조의 결정체로 형성되어 있어 반도체를 만드는 소재로 이용 가능합니다. 최근 질화갈륨 기반의 반도체에 대한 연구가 활발해지고 있으며 이미 TSMC와 같은 일류 반도체 기업은 질화갈륨을 이용한 반도체를 주문(위탁생산)하고 있습니다.
질화갈륨은 소재 특성상 열에 강합니다. 또한 실리콘에 비해 전력손실이 적기 때문에 저전력으로 운용이 가능하며, 전력 효율성이 매우 뛰어난 특징이 있습니다. 질화갈륨은 전자의 손실이 적어 높은 주파수, 전압, 온도에서도 낮은 전력손실로 작동이 가능합니다. 실리콘 반도체보다 에너지손실이 75% 정도 감소할 정도로 효율이 좋습니다.
실리콘에 비하여 중요한 차이가 하나 더 있습니다. 실리콘에 비하여 신호전달 속도가 수십 메가헤르츠(MHz)로 매우 빠르기 때문에 정보처리 속도가 매우 빠릅니다. 빠른 신호전달 속도로 인하여 에너지를 저장해 둘 별도의 공간이 불필요합니다. 이는 실리콘 반도체보다도 더욱 소형화가 가능해짐을 의미합니다.
3. 질화갈륨 반도체의 활용범위
GaN을 이용한 반도체는 효율이 좋고, 높은 주파수와 전압, 온도에서도 운용 가능하며, 신호처리 속도라 빠르고 소형화가 가능합니다. 현재에도 이 반도체는 사용화되어 활용되고 있습니다. 자율주행 기술의 핵심부품인 LiDAR, 전기자동차의 배터리 충전 등에 이미 활용되어 우수성이 입증되고 있습니다.
또한 장래에는 통신망 운용시에도 활용할 수 있습니다. 높은 주파수를 견딜 수 있기 때문에 운용 가능한 주파수 범위가 넓습니다. 또한 신호처리 속도가 빠르고 소형화가 가능하기 때문에 소형 기지국을 설치하더라도 높은 효율을 낼 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.
4. 차세대 반도체 시장 전망
한 글로벌 조사기관에 따르면 GaN 을 이용한 반도체 시장은 2021년 1.2억 달러에서 2027년 20억 달러로 6년간 약 17배 성장할 것으로 전망하고 있습니다.
연평균 성장률은 59% 정도로 예측되고 있으며, 특히 전기자동차가 상용화되고 시장 침투율이 향상될수록 차세대 반도체 시장규모도 함께 성장할 것으로 판단되고 있습니다.
현재 GaN 반도체 를 최대규모로 공급하고 있는 업체는 미국의 나비타스 세미컨덕터(Navitas Semiconductor, NVTS)입니다. 이 업체는 아마존, LG, TSMC 등의 우량업체에 반도체를 공급하고 있습니다. 최근 리서치에 따르면 나비타스는 전 세계 GaN 반도체의 29%를 점유하고 있는 것으로 나타났습니다.
그러나 GaN을 이용한 반도체는 제작 공정이 까다롭고 높은 수준의 기술을 요구합니다. 아직은 개발 초기단계에 있어 더욱 성능이 개량된 반도체를 개발하기 위해서는 누적된 연구개발 노력이 필요합니다.
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