질화 갈륨

GAN의 동음이의어에 대한 내용은 GAN 문서 참고하십시오.

1. 개요[편집]

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GaN(Gallium nitride), 질소와 갈륨의 화합물. 상온에서는 황색을 띠는 고체이다.

2. 설명[편집]

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청색 LED와 청색 레이저의 주재료로, LED 업계의 성배로 불렸다.
질화 갈륨이 실리콘 보다 우수한 반도체가 될 수 있는 이유는 전자의 밴드갭이 커서 전자결합 에너지가 크기 때문에 청색이나 자외선 발광도 가능하고 전자 이동도도 높아서 저항이 낮고 실리콘 보다 녹는 점이 높아서 고온에도 안정적으로 반도체 성질을 유지할 수 있기 때문이다.[1]

블루레이 기술도 청색 레이저 다이오드 덕에 가능해졌다. 자외선 영역도 발광할 수 있다. 전자의 이동성이 높아 초고주파용 고성능 트랜지스터도 GaN으로 만드는데 예를 들어 최신 AESA 레이더에 쓰이는 T/R 모듈 같은데 쓰인다. GaN 결정은 종래에 많이 쓰이던 GaAs(갈륨 비소) 소자보다 더 고속 동작이 가능하고 고온의 열에도 강해 더 큰 출력을 낼 수 있다. 다만 아직은 GaN 웨이퍼에 면적당 결정 결함 수가 많아 집적도가 높은 IC 회로를 만드는 데는 한계가 있어 고속 스위칭 소자나 고주파 고출력 소자 제품 중심으로 채택되고 있다. GaN 웨이퍼의 가격이 매우 비싸서 GaN 트랜지스터 등 소자는 레이더 같은 고급 고가 장비에 주로 쓰였지만 대량생산 기술이 점차 발전하며 통신장비[2] 등 일반적 고성능 전자제품에도 점차 이용도가 늘고 있다.

3. 전력 전자회로에서의 질화 갈륨[편집]

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2019년 후반부터 중국에서 GaN 소자의 대량양산에 성공했고, 이때문에 기존보다 컴팩트한 전원장치가 나오고 있다. 종래의 스위칭 파워 전원은 주로 금속산화물 전계효과 트랜지스터인 MOSFET 을 스위칭 소자로 썼는데 이를 GaN 소자로 바꾸면 전자 이동 속도가 빨라지고 스위칭 주파수를 대폭 올릴 수 있고 저항도 적어져서 열도 적게 나기 때문에 회로 크기도 줄일 수 있고, 발열이 줄어 변환 효율도 올라가 전체 에너지 소모도 줄일 수 있다.[3] 그래서 GaN 을 이용해 고출력, 고효율이면서도 크기는 40%나 줄이고 USB-PD 충전 규격을 채택한 노트북 및 스마트폰 충전기 제품이 나오고 있다. USB-PD 3.0 규격의 최대 출력인 100W 급 충전기도 나오는 등 고급 충전기 제품으로 빠르게 보급되고 있다. 2020년에는 65W급 GaN 충전기가 3-5만원대에 출시되며 많이 저렴해졌으며, 2023년에는 Toocki, Essager와 같은 중국 기업의 공세로 만원 이하 가격대의 GaN 충전기도 시중에 나오는 추세다. 2021년 삼성전자는 65W 출력의 GaN 충전기를 공식 출시했으며, 애플도 자사 노트북의 정품 충전기로 65W GaN 충전기를 채택할 움직임을 보이는 등 고출력 충전기의 메인 스트림으로 정착하고 있다.

초고주파 스위칭에 적합하므로 일부 테슬라 코일(SSTC)에서도 이 소자를 사용한다. 일반 실리콘 소자보다 고성능의 테슬라 코일을 구현할 수 있다.