안녕하세요 녹차맛커피입니다. 신소재분야는 제 전공과 거리가 있으므로 간단하게 작성하겠습니다.
실리콘에 대하여
지난 60년간, 반도체는 규소(Si)와 산소(O)로 이루어진 실리콘이 주도해왔습니다.
실리콘은 산화성이 적고 고온고압에서 안정적입니다. 전기도 잘 통하지 않으며 무색무취입니다. 신체 보형물로 사용될 정도로 신체에 무해합니다. 또한 모래에서 추출하기 때문에 원재료를 쉽게 수급이 가능합니다.
즉, 반응성이 적고 전도성이 낮아 물질적으로 안정적인데 수급 또한 원활합니다. (정제가 간단하다는것은 아닙니다.)
3차 산업을 지나 4차 산업에 접어들면서, 실리콘은 디지털에서 빠질 수 없는 소재가 되었습니다. 디지털 소자는 반도체로 이루어져 있으며 현재 사용되는 대부분의 반도체 소자는 실리콘으로 이루어져 있기 때문입니다.
실리콘이 반도체 소자에 사용되는 과정을 간단하게 설명드리겠습니다.
실리콘을 얇게 가공하여 웨이퍼를 만듦니다. 웨이퍼가 절연상태가 되도록 산화막을 입히고 회로를 그려 넣습니다. 그려진 회로 위에 도핑을 하여 전기가 통하는 이온물질을 씌웁니다. 이렇게 실리콘 소자가 완성됩니다.
(실제로는 훨씬 많은 공정을 필요로 합니다.)
통신, 정보처리, 데이터저장, 전력전자 등 모든분야에서 실리콘이 사용되었습니다. 그러나 요즘, 일부 영역에서 질화갈륨이 실리콘의 영역을 대체하고 있습니다.
질화갈륨에 대하여
질화갈륨의 특성을 먼저 살펴 보겠습니다.
질화갈륨은 전도대와 비전도대간 에너지 차이가 큽니다. 쉽게 말해서, 전기가 통하지 않을 때는 높은 전압을 버티며 전기가 통할 때는 많은 전류를 보냅니다.
또한 빠른 신호전환이 가능하고 적은 에너지 손실률을 보입니다. 즉 전력소비를 크게 줄일 수 있습니다.
게다가 실리콘보다 고온고압에서 사용 가능합니다.
이러한 장점으로 고주파용 통신, 극한 환경 반도체, 고속 소형 충전기에 사용됩니다.
현재는 빠른 신호전환이 가능하고 적은 에너지 손실률을 보인다는 장점을 살려 소형 고속충전기 및 5G 통신장치에서 상용화가 되었습니다.
Baseus사는 휴대용 충전기의 스위칭 회로에 질화갈륨을 사용하여 부피를 크게 줄이고 발열을 최소화하였습니다.
기존 충전기보다 훨씬 가볍고 크기가 작습니다.
국내의 RFHIC와 같은 몇몇 회사들은 질화갈륨을 이용한 5G 소자를 삼성전자에 납품하고 있습니다.
5G는 사용되는 주파수가 큽니다. 질화갈륨의 빠른 신호전환이 가능하다는 장점은 고주파수를 사용하는 5G와 궁합이 좋습니다.
질화갈륨의 미래
4차산업시대로 접어들면서 IoT가 떠오르면서 5G 및 RF통신의 중요도가 높아지고 있으며,
각종 전자기기의 배터리 용량이 커지고 있고 전기차 보급유율이 높아지면서 고속 충전기의 수요가 커지고 있습니다.
질화갈륨이 실리콘의 대체제로 부상한지는 오래되었지만, 웨이퍼의 순도가 낮고, 잘 깨진다는 단점이 있어 상용화가 더뎠습니다. 현재는 대부분의 단점이 보완되었다고 합니다. 빠른시일내에 단가가 낮아지고 보급율이 높아지어서 4차산업시대의 새로운 패러다임을 열어주었으면 좋겠습니다.
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