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고전압 GaN은 미래를 어떻게 변화시킬 것인가?

디지털 수요가 폭발적으로 늘어나는 데도 많은 발전소를 새로 짓지 않아도 되는 세상을 상상해 보자. 그러면서도 산업용, 엔터프라이즈 컴퓨팅, 통신, 재생 에너지 시스템을 훨씬 더 빠르고 훨씬 더 효율적으로 가동할 수 있는 세상을 상상해 보았는가?

이러한 세상은 곧 열리게 될 것이다.

TI는 질화갈륨(GaN)이라는 혁신 기술을 기반으로 한 드라이버 통합 고전압 솔루션인 LMG3410을 출시했다. 이 제품으로 혁신적인 마인드를 가진 설계자들이 기존의 실리콘 기반 기술을 사용하던 것과 비교해서 더 작고 효율적이면서도, 성능이 우수한 애플리케이션을 설계할 수 있게 되었다.

TI의 고전압 신기술 개발부문 그룹 이사, 스티브 톰(Steve Tom)은 “질화갈륨은 자동차에 비유하자면 수퍼차지 엔진과 같다. 이 기술로 시스템을 더 빠르고, 더 강하고, 더 효율적이게 할 수 있다. 또한 드라이버, 패키지, 여타 부품들을 통합하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다”고 말했다.

이 혜택은 소비자 개개인에게 돌아갈 것이다. 스마트폰을 쓰거나, 온라인 주문을 할 때, 소셜 미디어를 확인하거나, 온라인 계정으로 사진을 업로드할 때마다 수천 대의 서버들로 이루어진 거대한 데이터 센터로 연결하게 된다. 이러한 서버와 데이터 센터를 가동하기 위해서는 어마어마한 양의 전기가 필요하다. 그리고 우리의 삶이 갈수록 연결성이 높아지고 전력 소모적인 디지털 기기들에 대한 의존도가 높아짐에 따라서 이렇게 필요로 하는 전기 요구량은 날로 더 높아지고 있다. 그러므로 이러한 수요를 충족하려면 전기를 생산하기 위해 더 많은 발전소를 세워야만 한다.

TI의 GaN 개발 팀의 시스템 및 애플리케이션 엔지니어, 에릭 파라치(Eric Faraci)는 “전자 기술에 대한 의존도가 높아지고, 사물인터넷(IoT)이 확산되고, 세상의 모든 것이 갈수록 더 연결되면서 더 많은 전력을 소비할 것이다. 전력 소비가 늘어남에 따라 더 많은 대규모 발전소를 건립해야 할 것이다. 하지만 질화갈륨 같은 기술을 사용하면 전력 발전 용량을 늘리지 않아도 될 정도로 효율을 끌어올릴 수 있다”고 말했다.

이로써 훨씬 더 친환경적인 삶을 살 수 있을 것이다.

“우리는 에너지 소비를 줄일 필요가 있다. 전세계적으로 전기 소비의 증가 추세는 결코 지속가능하지 않다”고 스티브 이사는 말했다.

TI는 상상을 멈추지 않고, 오늘 한 상상을 내일 현실로 실현하고자 노력하고 있다.

더 적은 열 발생
GaN은 갈륨과 질소라고 하는 두 가지 원소를 결합해서 만들어진 매우 빠른 반도체 소재이다. 이 두 원소를 결합함으로써 실리콘을 사용할 때보다 전자들이 훨씬 더 자유롭게 이동할 수 있다. 실리콘은 수 세대에 걸쳐서 전자공학의 토대 중의 토대를 이루고 있는 소재이다.

휴대전화에서 고급 산업용 장비와 서버까지 모든 시스템에서 회로는 수백만 개의 미세한 스위치를 켜고 끄는 방식으로 작동한다. 이러한 스위치가 전환할 때마다 열을 발생시킨다.

열은 시스템의 성능을 제한한다. 예를 들어서 노트북의 전원장치가 뜨거워지는 것은 내부 회로 상의 스위치들을 통해서 전자들이 이동하면서 열을 발생시키기 때문이다. 이렇게 되면 효율이 떨어진다.

질화갈륨은 보다 우수하고 효율적인 반도체 소재로 훨씬 적은 열을 발생하여 보다 적은 공간에 더 많은 스위치를 집적할 수 있다.

이번에 출시된 이 드라이버 통합 600V GaN 전력 스테이지 스위치는 절연형 고전압 산업용, 통신, 엔터프라이즈 컴퓨터, 재생 에너지 애플리케이션에 적합하다. LMG3410의 주요 기능은 다음과 같다:

  • 최신 실리콘 PFC(power-factor correction) 컨버터에 비해서 전력 밀도를 두 배로 높인다.
  • 디스크리트 GaN 솔루션에 비해서 전력 손실, 전압 스트레스, EMI(electromagnetic interference)를 감소시킨다.
  • 새로운 토폴로지가 가능하다.

“GaN은 더 나은 신제품이라고 할 수 있다. 스위치의 밀도를 현저히 높일 수 있다면, 또 저항을 낮추고 더 빠르게 움직이게 할 수 있다면, 특정한 크기로 더 높은 성능을 달성할 수 있다. 열을 제거해야 하는 필요성을 줄일 수 있기 때문이다. GaN을 사용함으로써 지금까지 전자공학의 한계가 되었던 모든 것들을 할 수 있다”고 스티브 이사는 말했다.

통합 솔루션
GaN 솔루션으로 고전압 애플리케이션에 큰 변화를 가져오게 되었다. 하지만 GaN을 사용한 시스템 설계가 보편화됨에 따라서 고급 오디오 증폭기, 드론, 전기차, 조명, 컴퓨팅, 태양광 패널, 자동차용 이미징 기술 같은 저전압 애플리케이션으로까지 사용이 확대될 수 있다. 궁극적으로는 벽 콘센트 전원에 연결하는 어떤 것이든 GaN을 활용할 수 있을 것이다.

“GaN을 활용할 수 있는 애플리케이션은 매우 다양하다. 드론을 예로 들어보자. 오늘날 드론은 주로 취미용 애플리케이션에 머물고 있으나, GaN을 사용하면 많은 상업용 및 산업용 애플리케이션이 등장하는 것을 볼 수 있을 것”이라고 스티브 이사는 밝혔다.

그러기 위한 핵심은 배터리 수명이다. 오늘날 대부분의 드론은 공중에 머물 수 있는 시간이 대략 20분이다. 이 시간이 지나면 전력이 떨어지므로 돌아와서 재충전을 해야 한다.

스티브 이사는 “GaN을 사용하여 거둘 수 있는 또 다른 중요한 이점은, 더 빠르게 스위칭할 수 있고 더 높은 효율로 구동할 수 있으므로 필요한 소자 부품, 자기 소자, 인덕터, 커패시터를 줄일 수 있다는 것이다. 그러므로 부피와 무게 둘 다 줄일 수 있다. 이는 다시 드론의 비행 시간에 직접적으로 영향을 미칠 것”이라고 말했다.

또한 GaN 스위치와 드라이버를 통합함으로써 이러한 애플리케이션을 훨씬 더 효율적으로 실행할 수 있다. 뿐만 아니고 이러한 애플리케이션으로 뛰어난 성능을 최대한 실현할 수 있도록 전체적인 에코시스템을 지원한다. 또한 이 디바이스는 온도, 단락 회로, 다양한 전압 조건에 대한 보호 기능들을 포함하고 있다.

TI의 첨단 기술 마케팅 책임자 마수드 베헤스티(Masoud Beheshti)는 “TI는 전체적인 시스템이라는 관점에서 바라본다. 이로써 고객들이 되도록이면 쉽게 자사 시스템으로 디바이스를 설계해 넣을 수 있도록 한다. 또한 자사의 다른 디바이스들과 결합해서 포괄적인 솔루션을 제공해, 고객들이 제품을 더 빠른 시간 안에 개발하고 문제를 더 빠르고 효율적으로 해결할 수 있도록 돕는다”고 말했다.

장애물을 없애다
LMG3410은 TI 최초의 GaN 스위치를 포함한 IC 제품이다. 이들 디바이스는 실리콘 호환 웨이퍼 제조 설비에서 제조되며 수십 년에 걸쳐서 축적된 프로세스 기술 전문성을 활용해서 완벽하게 검증되었다.

TI의 고전압 전원 솔루션 부사장, 스티브 램부스(Steve Lambouses)는 “3백만 시간 넘게 신뢰성 테스트를 거친 LMG3410은 전력 설계자들에게 GaN의 신뢰성에 확신을 줄 수 있으며, 이전에는 생각할 수 없었던 방식의 전력 아키텍처 및 시스템 설계의 발판을 마련할 것이다. TI의 제조 역량과 축적된 시스템 설계 전문성을 바탕으로 한 이 새로운 전력 스테이지 솔루션은 GaN 시장이 한 걸음 진보하는 일대 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이로써 설계자들이 이러한 디바이스를 자신의 애플리케이션에 사용하기를 꺼려하게 만들었던 장애물을 없애게 되었다.

“이 점 때문에 제조를 통제하기 위해서 많은 애를 써왔다. 이 때문에 신뢰성 테스트에 많은 시간을 쏟아 부었던 것이다. 이와 함께 또 이 디바이스의 성능을 극대화할 수 있는 동반 제품들을 개발했다”고 스티브 이사는 말했다.

“GaN은 엄청난 성능적 잠재력을 가지고 있으며, TI는 설계자들이 이 기술을 사용해서 자사 애플리케이션을 한 차원 끌어올리도록 돕고자 한다.”

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