전력반도체 시장에서 질화갈륨(GaN) 기술이 고효율·고속 스위칭 특성을 기반으로 다양한 산업으로 확산되고 있다. 디지털 전력 시스템과 AI 인프라 확대로 전력 효율 개선 요구가 커지는 가운데, 회로 설계 환경에서는 GaN 소자의 구조와 활용 방식에 대한 비교 분석도 이어지고 있다.

인피니언(Infineon Technologies)이 발표한 eBook ‘GaN power semiconductors’에 따르면 GaN 전력반도체가 에너지 수요 증가와 탄소중립 목표 간 간극을 줄이는 데 활용될 수 있는 기술로 제시됐다.

GaN은 기존 실리콘 대비 높은 스위칭 속도와 효율을 제공하며 다양한 응용 분야 확대 기반을 확보하고 있는 것으로 전해졌다.

■ 구조별 성능 특성과 설계 고려사항

GaN 전력트랜지스터는 구동 방식에 따라 ‘e-mode(인핸스먼트 모드)’와 ‘d-mode(디플리션 모드)’로 구분된다.

두 구조는 기본적으로 GaN/AlGaN 기반 HEMT 구조를 공유하지만, 게이트 구성과 동작 방식에서 차이를 보인다.

특히 d-mode는 기본적으로 정상 상태에서 도통되는 특성을 가지며, 이를 차단형으로 만들기 위해 실리콘 MOSFET과 결합한 캐스코드 구조가 사용된다.

반면 e-mode는 p-GaN층을 활용해 차단형 동작을 구현하는 방식이다.

성능 비교에서는 단일 파라미터가 아닌 전체 시스템 관점의 평가 필요성이 제기된다.

자료에 따르면 특정 성능 지표(FOM)만으로는 실제 동작 환경을 충분히 반영하기 어렵고, 스너버 회로 추가 여부나 열 특성 등 회로 구성 요소 전체를 고려해야 하는 것으로 제시됐다.

또한 일부 d-mode 캐스코드 구조는 외부 RC 스너버 회로가 요구되며, 이는 효율과 회로 복잡도에 영향을 줄 수 있는 요소로 언급됐다.

■ 고속 스위칭과 열 관리 기술 중요성

GaN 소자는 높은 스위칭 속도와 낮은 기생 손실을 특징으로 하며, 전력 시스템 설계에서 효율 개선에 기여하는 요소로 평가된다.

다만 이러한 특성은 레이아웃, 기생 인덕턴스, 열 관리 설계에 대한 민감도를 함께 높이는 것으로 나타났다.

이에 따라 설계 단계에서 전기적·열적 특성을 동시에 반영하는 시뮬레이션 기술의 필요성이 강조되고 있다.

예를 들어 모델링 수준에 따라 단순 전기 모델부터 전열 결합 해석까지 다양한 시뮬레이션이 가능하며, 이를 통해 스위칭 손실과 열 분포를 사전에 분석할 수 있는 것으로 설명된다.

■ 응용 분야 확대와 시장 성장

GaN 전력반도체는 소비자 기기부터 산업·자동차·데이터센터까지 적용 범위가 확대되고 있다.

시장 측면에서는 2020년 약 4,580만 달러에서 2025년 약 4억720만 달러 규모로 성장한 것으로 집계됐다.

주요 적용 분야는 △USB-C 충전기 △로보틱스 △가전 △태양광 및 에너지저장장치(ESS) △전기차 충전 시스템 △통신 인프라 △AI 데이터센터 등으로 구분된다.

특히 AI 데이터센터의 경우 전력 소모 증가에 대응하기 위해 고효율 전력 변환 기술이 요구되며, GaN은 높은 전력 밀도와 낮은 손실 특성을 기반으로 적용 가능성이 제기된다.

또한 전기차 분야에서는 온보드 충전기(OBC)와 DC-DC 컨버터에서 효율 향상과 소형화 요구에 부합하는 기술로 언급됐다.

■ 시스템 중심 기술로 전환

업계에서는 GaN 기술 경쟁이 단일 소자 성능을 넘어 시스템 통합 수준으로 이동하는 흐름이 나타나고 있다.

자료에 따르면 패키징, 제조 공정, 다중 소싱 등 산업 생태계 전반에서 협력이 중요해지는 것으로 분석됐다.

또한 시뮬레이션 기반 설계 방식 확산과 함께 GaN은 단순 부품을 넘어 전력 시스템 설계를 좌우하는 핵심 요소로 자리잡고 있는 것으로 평가된다.

이와 함께 가격 경쟁력 확보와 생산 공정 확대 여부가 향후 시장 확산의 주요 변수로 남을 것으로 예상된다.