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블루레이 기술이 전기차의 성능을 끌어올린다. 질화갈륨은 충전시간을 줄이고 주행거리를 늘린다

2021.08.11

왼쪽에 있는 질화갈륨 전원 전환 트랜지스터는 HEMT(고속 전자 이동 트랜지스터) 종류이고 LED와 레이저 기술을 적용했다. 전력 흐름은 수평 방향이다. 오른쪽에 보이는 오디세이 설계는 오늘날 탄화규소 트랜지스터처럼 전력 흐름이 수직 방향이다

 

최신형 노트북이나 전자기기의 너무나 작은 파워브릭(Power Brick, 전력공급장치. 전원 어댑터) 크기에 감탄했다면, 질화갈륨(GaN)에 감사해야 한다. 신소재 질화갈륨은 1990년대 처음 백색 LED 라이트를 가능하게 하면서 주목받았다. 그리고 이제. 질화갈륨은 전기차 충전속도를 높이고 어떤 배터리를 쓰든 주행거리를 늘려줄 준비가 된 듯하다.

 

질화갈륨은 반도체 물질이다. 부분적으로 전기를 흘려 보내서, 전기 전도체 또는 절연체 성질을 띤다. 반도체 소재는 고체 상태 트랜지스터 ‘스위치’로 사용한다. 전기차에서 모터가 사용하는 교류(AC)와 배터리에 저장하는 직류(DC) 사이의 전기를 변환하고, 전압을 높이거나 낮추는 역할을 한다(예를 들면 레벨2 충전기의 240V를 배터리에 필요한 400V 또는 800V까지 올리거나, 혹은 조명이나 열선 시트에 필요한 12V로 낮춰주는 역할이다).

 

질화갈륨의 특성은 더 높은 전압을 견디는 동시에, 현재 전력 스위치 장치에 사용하는 규소(Si)나 탄화규소(SiC)에 비해 전류 흐름에 대한 저항이 작다는 것이다.

 

 

전류에 대한 낮은 저항은 열 축적을 줄이고 정해진 전류에서 장치를 더 작게 만들 수 있게 해준다. 장치가 작아지면 전환도 빨라진다. 결국 전력 변환 장치의 주파수가 올라가도 크기는 줄어들기 때문에 전원 어댑터도 작아질 수밖에 없다. 질화갈륨에 기반한 전력 변환기의 크기는, 같은 무게의 탄화규소 기반 장치와 비교해 대략 4분의 1로 줄어든다. 고객은 주행거리가 늘어나고 배터리가 작고 싸지는 효과를 누릴 수 있다.

 

텍사스 인스투르먼트는 전력 변환기에 적용하기 위해, LED에 사용하는 것과 같은 질화갈륨 기반 HEMT(High Electron Mobility Transistor, 고속 전자 이동 트랜지스터)를 선택했다. 이런 종류 트랜지스터는 전기가 칩을 가로질러 수평으로 이동하기 때문에 전압을 높게 조절하려면 칩 면적이 늘어날 수도 있다. 설계 자체는 요즘 400V 전기 아키텍처에 아주 잘 대응하는 듯 보인다. 하지만 제조사가 전기차 충전시간을 줄이기 위해 구현하려고 하는 높은 전압을 확실히 다룰 수 있는지는 불분명하다. 

 

기존 탄화규소 칩은 전류가 수직으로 칩을 통과하는데, 근본적으로 공간 효율적인 접근법이다. 현재 뉴욕에 기반을 둔 오디세이 반도체의 질화갈륨 칩이 이 방식을 사용한다. 질화갈륨은 면적이 같은 탄화규소와 비교해 전류 흐름에 대한 저항성이 10배나 낮다. 4인치 웨이퍼라면 탄화규소 트랜지스터와 비교해 질화갈륨 트랜지스터를 10배 더 수용한다는 뜻이다. 그렇다면, 전압 수준이 1000V를 넘어가도 안전하고 확실하게 소재를 확장할 수 있다. 더 높은 전압에서 충전하면서도 열이 적게 발생하고, 에너지 낭비가 줄어들고 충전시간도 단축된다. 

 

오디세이 칩 생산 공정은 탄화규소 공정과 비슷하고 소재도 색다르지 않아서 금상첨화다. 일반적으로 아연과 보크사이트(알루미늄) 광석을 가공할 때 부산물로 떨어져 나온다. 미국 지질조사국(USGS)이 추정한 미국 내 갈륨 매장량은 100만t이 넘는다. 무게당 가격은 갈륨이 규소보다 조금 비쌀지 모르지만, 장치에 필요한 양은 상당히 적다. 전체 비용은 오히려 적게 든다. 

 

텍사스 인스트루먼트나 오디세이 같은 제조업체가 질화갈륨 트랜지스터를 이용해 전기차 충전시간과 주행거리를 얼마나 개선할지 정량화하기에는 아직 이르다. 보쉬와 크리(Cree, Inc. 미국 반도체업체)가 연구한 바에 따르면 규소에서 탄화규소로 바꾸면 주행거리가 대략 5~10% 늘어난다. 질화갈륨은 무게 감소 이점을 고려해 향상 수준이 이와 비슷하거나 더 높아지리라 예상한다. 텍사스 인스트루먼트의 질화갈륨 트랜지스터 기술 시제품은 이미 이용 가능하고, 오디세이는 2021년 3분기에 내놓을 계획이다. 가장 저렴한 배터리 전기차와 내연기관 자동차 사이의 가격과 성능 격차는 더 줄어들 전망이다. 

 

 

 

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CREDIT

EDITOR : 프랭크 마커스PHOTO : 모터트렌드

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