녹색 기술 지배를 위한 질화갈륨과 탄화규소의 싸움

Aug 10, 2023

어느 쪽이 이기든 수십억 톤의 온실가스를 줄일 것입니다.

질화갈륨 반도체 웨이퍼는 저자인 Umesh Mishra를 잘 반영합니다.

첨단 반도체 가능 기후 변화를 막기 위한 투쟁에 변화를 가져올 만큼 온실가스 배출을 줄이겠습니까? 대답은 '그렇다'입니다. 실제로 그러한 변화가 잘 진행되고 있습니다.

2001년경부터 화합물 반도체 갈륨 질화물은 조명 분야에서 인류 역사상 가장 빠른 기술 변화를 불러일으켰습니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)의 연구에 따르면 불과 20년 만에 질화갈륨 기반 발광 다이오드가 차지하는 세계 조명 시장의 점유율은 0%에서 50% 이상으로 높아졌습니다. 리서치 회사인 모르도르 인텔리전스(Mordor Intelligence)는 최근 전 세계적으로 LED 조명이 향후 7년 동안 조명에 사용되는 전력을 30~40% 절감할 것이라고 예측했습니다. 유엔환경계획(UNEP)에 따르면 전 세계적으로 조명은 전기 사용량의 약 20%, 이산화탄소 배출량의 6%를 차지합니다.

각 웨이퍼에는 수백 개의 최첨단 전력 트랜지스터가 포함되어 있습니다.Peter Adams

이 혁명은 거의 끝나지 않았습니다. 실제로 더 높은 수준으로 도약하려고 합니다. 조명 산업을 변화시킨 바로 그 반도체 기술인 질화 갈륨(GaN)은 현재 주목받고 있는 전력 전자 분야의 혁명의 일부이기도 합니다. 이는 전력 전자 분야의 거대하고 중요한 범주에서 실리콘 기반 전자 장치를 대체하기 시작한 두 개의 반도체(다른 하나는 실리콘 카바이드(SiC)) 중 하나입니다.

GaN 및 SiC 장치는 대체하는 실리콘 구성 요소보다 더 나은 성능과 효율성을 제공합니다. 전 세계에는 셀 수 없을 정도로 수십억 개의 이러한 장치가 있으며 그 중 다수는 매일 몇 시간 동안 작동하므로 에너지 절약 효과가 상당할 것입니다. GaN 및 SiC 전력 전자 장치의 부상은 궁극적으로 백열등 및 기타 기존 조명을 GaN LED로 대체하는 것보다 지구의 기후에 더 큰 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

교류를 직류로 또는 그 반대로 변환해야 하는 거의 모든 곳에서 낭비되는 와트가 줄어듭니다. 이러한 변환은 휴대폰이나 노트북의 벽면 충전기, 전기 자동차에 전력을 공급하는 훨씬 더 큰 충전기 및 인버터 등에서 발생합니다. 그리고 다른 실리콘 거점도 새로운 반도체로 넘어가면서 비슷한 비용 절감 효과가 있을 것입니다. 무선 기지국 증폭기는 이러한 신흥 반도체가 확실히 뛰어난 애플리케이션으로 성장하고 있는 분야 중 하나입니다. 기후 변화를 완화하려는 노력의 일환으로 전력 소비의 낭비를 제거하는 것이 쉬운 열매이며, 이러한 반도체를 통해 우리는 이를 수확할 것입니다.

이는 기술 역사에서 익숙한 패턴의 새로운 사례입니다. 즉, 두 가지 경쟁 혁신이 동시에 결실을 맺는 것입니다. 이 모든 것이 어떻게 흔들릴까요? SiC는 어떤 애플리케이션에서 우위를 점하게 되며, GaN은 어떤 애플리케이션에서 우위를 점하게 될까요? 이 두 반도체의 상대적인 강점을 자세히 살펴보면 몇 가지 확실한 단서를 얻을 수 있습니다.

반도체 자체에 대해 알아보기 전에 먼저 반도체가 필요한 이유를 생각해 보겠습니다. 우선, 전력 변환은 어디에나 있습니다. 그리고 이는 스마트폰, 태블릿, 노트북 및 수많은 기타 장치를 유지하는 작은 벽면 충전기 그 이상입니다.

전력 변환은 사용 가능한 형태에서 제품이 해당 기능을 수행하는 데 필요한 형태로 전기를 변경하는 프로세스입니다. 일부 에너지는 변환 과정에서 항상 손실되며 이러한 제품 중 일부는 지속적으로 작동하기 때문에 엄청난 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 생각해 보십시오: 캘리포니아 주의 경제적 생산량이 급증했음에도 불구하고 캘리포니아주의 전기 소비량은 1980년부터 기본적으로 변동이 없었습니다. 수요가 정체된 가장 중요한 이유 중 하나는 해당 기간 동안 냉장고와 에어컨의 효율이 엄청나게 증가했기 때문입니다. 이러한 개선의 가장 큰 단일 요인은 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 및 기타 전력 전자 장치를 기반으로 한 가변 속도 드라이브를 사용하여 효율성을 크게 높인 것입니다.