최근 글로벌 환경보호가 중요한 사항이 됨에 따라, CO2 배출 감소와 화석 연료에 의존하지 않는 새로운 에너지 개발과 같은 환경 대책이 절실하게 필요하게 되었다. 에너지 절감 및 친환경 위원회 활동을 하는 Fuji Electric는 이들 문제를 능동적으로 설명하고 있으며, 자체 솔루션 기여를 목표로 움직이고 있다. 이 경우, 전력기기 기술의 핵심부품인 전력 반도체 내의 기술적인 혁신이 절대적으로 필요하다.

글로벌적으로 환경보호에 초점을 두는 노력이 점차적으로 늘어남에 따라, 전력 전자기기 제품에서 중요한 전력용 반도체가 더욱 중요해지고 있다. 6세대 IGBT V-시리즈 기술을 이용하여, Fuji Electric은 기술개발을 진행해왔고, 고온에서 작동이 가능한 고전력 및 대용량 파워모듈을 상용화하였다. 차세대 post-실리콘 기술로서, 밴드갭이 넓은(wide band gap) 반도체 소재 및 향상된 초접합 MOSFET(superjunction MOSFET)를 이용한 디바이스의 발전을 추구하고 있다. 더욱이, MOSFET은 우주항공용 애플리케이션에 맞춰 설계되었고, ‘Kibo’로 알려진 Japanese experimental module에 사용되어 고신뢰성과 저(低) 손실 성능을 인정받았다. 반면 IC류는 낮은 노이즈 및 에너지 절약을 위해 파워서플라이 제어에 사용하도록 설계되었다. 자동차에 사용되는 배기 시스템 압력 센서류와 하이브리드 자동차에 사용되는 제어 IC류가 새롭게 상업화되고 있다.

서문

2009년에 美 오바마 정부는 그린 뉴딜(Green New Deal)을 수립하고, 추진을 발표하였다. 같은 해 9월 UN기후변화 정상회담에서, 일본 총리인 하토야마는 2020년까지 1990년 대비 일본의 온실가스를 25% 절감하는 새로운 중장기적인 목표를 발표했다. 다양한 국가의 지도자에 의해 규정된 새로운 정책 중에서 에너지 및 환경 관련 프로젝트는 가장 큰 주목을 끌었다.
Fuji Electric은 ‘에너지 및 환경’에 초점을 두고 사업구조의 체질을 개선하고 있다. 또한 Fuji Electric은 글로벌 환경을 보호하고 CO2 배출을 감소하는데 중대한 역할을 하는 혁신적인 전력 전자기기 기술 개발 노력에 오랫동안 동참해 왔다. 전력 일렉트로닉 기술은 에너지를 전력으로 변환하는 핵심기술이고, 주요 부품인 전력 반도체는 더욱 더 중요해 지고 있다.
전력 반도체에 요구되는 대표적인 성능 특성은 저(低) 손실, 고속 스위칭, 낮은 노이즈 및 쉬운 사용이다.
본고에서는 Fuji Electric 자체 대표적인 파워모듈, 전력 디스크리트(power discrete), 파워서플라이 IC류 및 자동차용 디바이스와 Fuji Electric에서 개발하고 있는 에너지 절약 및 환경친화적인 전력용 반도체의 현재 상황과 미래를 전망하고 있다.

파워 모듈류

에너지 절감 및 친환경 공약에 따라, IGBT 파워 모듈류는 다양한 현장에서 발전되어 오고 있다. 이들 모듈류의 핵심인 IGBT 칩은 Fuji Electric에서 ‘V-시리즈’ 개발하기 시작한 이래로 6세대로 발전을 거듭해 왔다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 많은 항목들이 IGBT 모듈류에 요구되고 있으나 요구 항목과 성능 특성 사이에 트레이드오프 현상이 존재하고, 모든 항목을 충족시키기 위해 많은 기술적인 한계 극복이 요구되고 있다.



6세대 IGBT 모듈 ‘V-시리즈’에서 확보한 특성은 이론적인 한계에 근접하게 되었고, 방열 손실은 감소시켰다. 또한 친환경적인 관점에서 설계 및 제작되었다. 예를 들어 ‘V-시리즈’는 무연 소재를 사용함으로써 RoHS 법안을 준수한다. 패키지 구조는 노이즈를 현저하게 줄여주고, 더불어 사이즈 소형화 및 경량화를 동시에 실현하였다. 게다가, 175℃에 가까운 고온에서 작동이 가능하다.
600V, 1,200V 및 1,700V IGBT 모듈 시리즈와 IPM(intelligent power modules)은 이러한 월등한 V-시리즈 IGBT를 이용하여 상용화 한 제품들이다.
Fuji Electric은 하이브리드 자동차용의 IGBT 모듈과 IPM을 이전부터 개발해 왔다. 하이브리드 자동차용 핵심 부품으로써, Fuji Electric은 또한 이전부터 plated IGBT와 양면 쿨링 구조로 패키지 내에 하우징된 FWD(free wheeling diode) 칩을 개발해 왔다. 이 IGBT는 일반용 IGBT 대비 거의 2배에 달하는 전류밀도를 이룬다. FS(field stop) 구조를 향상시킴으로써, 6세대 IGBT V-시리즈 기술과 미세 가공기술을 추가적으로 적용하여 특성의 극적인 개선을 도모하고 있다. 더욱이, 온도 센싱과 전류 센싱 기능은 더 쉽게 사용하도록 칩에 구현하는 빌트-인 되고 있다.
에너지 및 환경 분야의 애플리케이션의 예를 들면, 고전류 하이파워 IGBT 모듈은 풍력 발전기용에 사용되기 시작되었다. 풍력 발전기용을 포함한 애플리케이션의 최신 트렌드의 결과로써, 고전류 및 하이파워 IGBT 모듈의 요구가 강해지고 있는데, 이에 대응하여 Fuji Electric는 1,200V, 1,700V 및 3,300V 하이파워 모듈을 준비했다. EconoPACK+와 같은 HPM(high power module)을 포함한 표준 패키지 그룹의 넓은 이종이 어셈블리되고 있으며, 고객들의 요구에 의해 발전되고 있다.
RB-IGBT(reverse blocking IGBT) and RC-IGBT(reverse conduction IGBT)의 새로운 IGBT 타입으로 Fuji Electric에 의해 발전되고 있다. 실제로, RB-IGBT용 차세대 애플리케이션으로, 기대치가 높은 매트릭스 컨버터 분야와 새로운 3세대 인버터 분야로 예상되고 있다.

차세대 전력 모듈류

6세대 IGBT V-시리즈의 특성은 실리콘의 이론적 한계에 근접하였다. 이를 극복할 수 있는 새로운 재료 노력이 지속되고 있다. 탄화 규소(SiC)와 질화 갈륨(GaN)는 차세대 파워디바이스 내의 실리콘을 대체로 사용될 수 있는 재료의 후보군으로 손에 꼽히고 있다.
재질 특성이 파워 디바이스 내 적용에 매우 적합하기 때문에 SiC 재질의 연구 및 발전은 오랫동안 진행되어 왔고, 최근에 실제 애플리케이션에 고려되기 시작했다. SiC 재료는 자체 크리스털 성장과 이와 관련 프로세스 테크놀로지의 어려움 때문에 매우 비싸다. 그러나 기술적 솔루션의 진화가 눈에 보일 정도로 급성장하고 있다. 머지않은 시일 내에 비용 문제 또한 해결될 것으로 기대되고 있다.
게다가 블루 다이오드에 탁월하게 작동하는 GaN 또한 파워 디바이스에 적당한 재질로 판명되었고 차세대 파워 디바이스에 적용하는 후보 재료가 되었다. 파워 디바이스 재료로 적용하는 짧은 역사를 가졌음에도 불구하고, 실리콘 웨이퍼 상에서 제조될 수 있는 GaN을 위한 결정적인 요소는 그 비싸지 않은 비용의 이점을 활용할 수 있는 여부에 달려 있다.
SiC 및 GaN 모두 향후 파워 디바이스의 재료로 적용 가능한 후보들이다. Fuji Electric와 AIST(Advanced Industrial Science and Technology)는 SiC 재료의 접합 연구를 진행했다. 또한 Fuji Electric과 Furukawa Electric社는 GaN 연구를 위해 차세대 파워 디바이스 기술 연구협회를 설립하였고, 차세대 파워 모듈에 결과를 결합할 계획이다.

전력 디스크리트

고전류 MOSFET로써, Fuji Electric는 새롭게 개발한 ‘Super Junction MOSFET(SJ-MOSFET)’을 보유하고 있다. 2008년에 Fuji Electric는 낮은 노이즈를 구현하고, 저손실과 스위칭 성능 간의 트레이드오프 관계를 향상시키고, 디바이스 내의 더 높은 효율을 증진시키는 평판 MOSFET로써 업계 최저 수준의 Ron·A를 지닌 ‘SuperFAP-E3S 600V Series’를 개발했다. 최근에 MOSFET의 주요 애플리케이션인 스위칭 파워서플라이 분야에서 더 높은 효율을 구현하려는 노력이 가속화되고 있다. International Energy Star Program과 같은 국제적인 에너지 절약 규제를 실현하기 위해서이다. 실제로 92% 혹은 그 이상의 파워서플라이 효율은 IT 업계에서 필수적인 인터넷 데이터 센터에서 사용되는 것과 같은 대용량 서버가 요구된다. 이 고효율을 실현하기 위해, MOSFET는 또한 더 낮은 손실 특성을 가지고 있어야 하며, 그래서 Fuji Electric는 새로운 낮은 온-저항의 SJ-MOSFET를 개발했다. SJ-MOSFET는 산업계에서 가장 낮은 수준의 Ron·A를 보유하고 있으며 이전 ‘SuperFAP-E3S Series’의 1/4 수준에 달하는 저항을 구현한다. 그림 2에서 보는 바와 같이 파워서플라이의 파워 팩터 증진회로를 적용했을 때, 손실은 거의 14% 감소되고, 향상은 초창기 제품 상업화의 목표를 향해 가속화되고 있다.



Fuji Electric는 또한 인공위성과 같은 우주항공 애플리케이션용의 매우 신뢰할 수 있는 MOSFET를 상업화하였다. 1994년에 Fuji Electric의 초창기 우주항공용 디바이스가 적용되었고 일본에서 독점적으로 내장된 초기 로켓의 성공적인 발사에 기여했다. 이후의 연구와 발전 경과를 통합하고 경험을 활용하여 현재 우주항공용 MOSFET의 라인업은 낮은 온-저항을 실현하고, 외부 우주에서 이온 방사선과 고에너지 입자에 대한 내성 요구라는 이전의 난관을 극복했다. 게다가 이들 MOSFET는 국제우주정거장의 일본실험모듈(Japanese Experimental Module of the International Space Station)인 ‘Kibo’에 장착되었고, 2008년에 궤도를 돌고 있는 이래로 잘 작동하고 있다. 향후에 Fuji Electric은 해외우주항공 업계까지 애플리케이션 범위를 확대할 계획이다.
한편, Fuji Electric는 초저 IR 성능의 SBD(Schottky Barrier Diode)를 개발했다. 태양광발전(photovoltaic power generation)과 같은 고온 환경에서의 사용이 적합하다. 역방향 누설전류(reverse leakage current) IR은 최대 175℃의 접합 온도에서 보증된 작동을 가능하게 하는 전통적인 SBD의 그것보다 1/10 정도 감소되었다.
앞서 언급한 바와 같이 써드 파티와의 접합 발전을 통해서 Fuji Electric는 실리콘-기반 디바이스의 현 세대와 비교해 극적으로 더 낮아진 손실을 실현하기 위해 SiC 및 GaN을 사용한 차세대 디바이스의 발전을 가속하고 있다.

파워서플라이 제어 IC류

에너지 절약과 파워서플라이 스위칭 내의 더 낮아진 노이즈를 실현에 도움을 주기 위해 그리고 디바이스의 비용을 더 낮추기 위해, Fuji Electric은 파워서플라이 제어 IC류용 제어 방법을 독립적으로 개발하였고, 적용하였다. TV, PC와 프린터와 같은 제품들은 장시간 대기상태로 남아 있는 전기 콘센트에 지속적으로 플러그-인 된다. 대기 상태 동안의 자체 전력 소비가 에너지 절약을 위해서 감소되어야만 한다. 미국환경보호국(U.S. Environmental Protection Agency)에 의해 제기된 EPA 5.0 표준에서는 심지어 경부하(輕負荷, Light-Load) 동작 및 대기 시간 동안도 평균 효율로 규정했다. Fuji Electric은 EPA 5.0 표준에 따르는 전류 모드 PWM 제어 IC의 ‘FA5592 시리즈’를 개발했다.



그림 3에서 보는 바와 같이 FA5592는 경부하 동작 동안 부하 비율이 60% 미만일 때 스위칭 빈도를 줄임으로써 효율이 현저하게 향상되었다. 게다가 스위칭 빈도 분배 기능이 빌트-인됨에 따라 더 낮아진 노이즈를 실현하였고, 내부 스타트업 회로는 최대 750V에서 동작을 보장한다. FA5592는 파워서플라이 전압에서 거대한 부동(浮動)이 존재한 나라 혹은 지역에서 사용될 수 있다.
상대적으로 대용량 파워서플라이의 경우, ‘FA5604/FA5605’ 다기능 전압 모드 PWM 제어 IC류와 ‘FA5610/FA5611’ 저(低) 노이즈 지속 전류 모드 PFC 제어 IC류가 개발되었고, 고성능과 SOP8 핀 패키지 내의 소형 사이즈 모두를 실현한다. 실제로 FA5610N은 입력필터 간소화를 가능하게 하는 감쇄빈도분포 기능으로 고전력 팩터와 저(低) 노이즈를 구현한다.
파워서플라이 제어 IC 분야에서, 고효율, 에너지 절약, 소형 사이즈, 낮은 디바이스 비용 등과 같이 점차적으로 엄격해진 요구를 충족시키기 위해 Fuji Electric는 독특한 제어 방법의 연구 및 개발을 지속하고 있다.

오토모티브 디바이스

오토모티브 디바이스로써 IPS(intelligent power switches), 배기 압력 센서 그리고 ‘Fi009’ 하이브리드 자동차 IGBT 드라이브 IC가 Fuji Electric에 의해 개발되었다.

배기 시스템 센서
오토모티브 배기가스 규제안이 2009년 이후부터 매우 강력하게 시행되고 있다. 일본의 PNLTR(Post New Long-term Regulations)와 유럽의 자동차 배출가스 규제기준(Euro 6 emissions standard)의 시행이 눈에 다가 왔다. 결과적으로 배기가스 중에 포함되어 있는 질소산화물의 발생량을 현저히 감소시키는 고성능, 고효율의 환경친화적인 자동차 부품인 배기가스 재순환 시스템(EGR. Exhaust Gas Recirculation systems)이 사용되기 시작했다. 전통적인 흡입 시스템 압력 센서가 적용된 CMOS 싱글-칩 테크놀로지 기반의 새롭게 개발된 배기 시스템 압력센서는 극적으로 향상된 부식 저항을 실현하는 새로운 구조를 활용했다. 이 기술의 기반으로, 제품 발전이 중공업과 같은 애플리케이션의 주 목적으로 지속되고 있다.

하이브리드 자동차용 IGBT ‘Fi009’
자동차의 주행조건에 따라 부하 분산 최적화를 위해 가솔린 엔진과 전기 모터 모두를 사용하여 높은 연료-효율을 요구하는 하이브리드 자동차가 급격하게 증가하고 있다. IGBT는 하이브리드 자동차 내의 모터를 구동하는 인버터 시스템에 적용되는 주요 디바이스이다. 이 IGBT를 구동하는 제어 IC는 인버터 시스템의 고 신뢰성을 보장하기 위해 IGBT를 보호하는 중요한 기능을 가지고 있다. 새롭게 개발된 제어 IC는 과열과 과전류에 대한 보호 기능을 가지고 있다. Fuji Electric에서 제작된 IGBT 내부 온도 및 전류 센서로부터 시그널을 수신한다. 
본고에서 소개된 제품군과 더불어, Fuji Electric의 오토모티브 디바이스 군에는 싱글칩 점화 장치와 Fuji Electric만의 독특한 기술이 사용된 다른 제품군들이 포함되어 있다.

마무리

최근 글로벌 환경보호가 중요한 사항이 됨에 따라, CO2 배출 감소와 화석 연료에 의존하지 않는 새로운 에너지 개발과 같은 환경 대책이 절실하게 필요하게 되었다. 에너지 절감 및 친환경 위원회 활동을 하는 Fuji Electric는 이들 문제를 능동적으로 설명하고 있으며, 자체 솔루션 기여를 목표로 움직이고 있다. 이 경우, 전력기기 기술의 핵심부품인 전력 반도체 내의 기술적인 혁신이 절대적으로 필요하다.
본고에서 설명한 바대로, Fuji Electric는 특화된 전력 반도체 제품군 개발에 노력하고 있으며 저손실, 더욱 진화된 다기능, 사이즈 소형화, 신뢰성 향상 그리고 저 노이즈를 실현하기 위해 혁신적인 기술을 적용하고 있다. 고객 관점에서의 제품 개발을 목표로 기술적인 발전을 지속하려는 노력을 앞으로도 기울일 방침이다.