와세다 대학에서 시작된 일본 스타트업 파워 다이아몬드 시스템즈(PDS)는 합성 다이아몬드를 이용한 차세대 전력 반도체 제조 분야의 선두주자로 빠르게 부상하고 있습니다. PDS는 반도체 박람회 2025에서 고전압, 고온 환경에 적합하게 설계된 다이아몬드 기반 전력 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)을 공개하며 주목을 받았습니다. 특히, PDS는 자체 통합 평가 시스템을 통해 이 기술을 시연하고 패키지형 소자의 성공적인 작동을 검증했는데, 이는 패키지형 다이아몬드 반도체의 성능을 공개적으로 검증한 최초의 사례입니다.
이 다이아몬드 파워 MOSFET은 수백 볼트의 전압을 견딜 수 있도록 정밀하게 설계되어 실리콘(시)이나 탄화규소(SiC) 소재의 유사 제품보다 훨씬 뛰어난 내구성과 효율성을 자랑합니다. PDS는 이러한 소자가 궁극적으로 열 스트레스, 방사선, 전력 밀도와 관련하여 설계상의 어려움이 큰 전기 자동차(전기차), 항공우주 플랫폼, 통신 위성 등의 분야에 활용될 것으로 기대하고 있습니다. 이 기술은 아직 연구 개발 단계에 있지만, PDS는 잠재적인 산업 파트너와 협력하여 2030년대까지 상용화를 달성하고자 합니다.
PDS의 야망은 국내 시장을 훨씬 넘어섭니다. 2025년 7월, 이 스타트업은 일본 우주항공연구개발기구(자크사)와 실제 우주 환경에서 다이아몬드 파워 MOSFET을 테스트하기 위한 공동 연구 협력을 발표했습니다. 이 협력은 행성 및 위성 운용에서 흔히 발생하는 강렬한 방사선, 진공, 열 순환 조건 하에서 이러한 소자의 내구성을 검증하는 것을 목표로 합니다. 지상 성능 및 신뢰성 테스트는 2025 회계연도(2025년 4월~2026년 3월)에 시작될 예정입니다. 이 단계에서는 부품을 궤도 시험 플랫폼이나 심우주 임무에 보내기 전에 소자의 기계적 및 전자적 안정성을 평가할 것입니다.
다이아몬드는 반도체 기판으로서 수많은 고유한 장점을 지니고 있습니다. 알려진 고체 중 가장 높은 열전도율을 자랑하며, 뛰어난 방사선 저항성과 넓은 밴드갭을 가지고 있어 고전압 응용 분야에 이상적인 소재입니다. 이러한 특성 덕분에 다이아몬드 기반 소자는 탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN)보다 높은 온도와 전압에서 작동할 수 있어, 미래 항공우주, 방위산업 및 고성능 전기 자동차 분야에서 전력 전자 기술을 혁신적으로 변화시킬 잠재력을 지니고 있습니다.
현재까지 PDS의 시제품은 기록적인 전력 밀도를 달성하여 반도체 혁신의 최전선에 자리매김했습니다. 양산까지는 아직 몇 년이 더 걸리겠지만, PDS는 다이아몬드의 물리적 이점, 수직 통합형 소자 설계, 그리고 여러 연구 기관과의 협력을 바탕으로 향후 10년 동안 초고성능 전력 반도체 분야의 선두 주자가 될 것으로 기대됩니다.
PDS에서 생산하는 것과 같은 다이아몬드 기반 전력 반도체는 주도의 조명에 영향을 미칠 수 있지만, 그 영향은 주로 간접적이고 시스템 수준에 국한됩니다. 가장 큰 영향은 열 관리, 드라이버 효율, 신뢰성 및 특정 까다로운 환경 조건에 대한 응용 분야에서 나타납니다.
시스템 수준 효율성 및 소형화
다이아몬드 파워 MOSFET은 손실이 적으면서 높은 전압을 스위칭할 수 있어 가로등, 경기장 조명, 정원등과 같은 고출력 주도의 조명기구용 드라이버의 에어컨-DC 및 DC-DC 변환 효율을 향상시킵니다.
드라이버 효율이 향상되면 폐열이 줄어들어 방열판 크기를 줄이거나 조명기구를 더욱 컴팩트하게 설계하거나 주어진 전력 예산 내에서 조명기구당 더 높은 루멘을 구현할 수 있습니다.
열 관리 및 수명
다이아몬드의 뛰어난 열전도율은 활성 반도체로서뿐만 아니라 주도의 모듈 및 드라이버 보드의 방열재로서도 가치를 지닙니다.
고출력 LED에 다이아몬드 기판이나 회로 기판을 사용하면 접합부 온도가 낮아져 부품 수명이 크게 연장되는 것으로 입증되었습니다. 접합부 온도는 고출력 주도의 시스템에서 중요한 고장 원인입니다.
혹독한 환경 및 특수 조명
다이아몬드 전자 장치 및 잠재적인 다이아몬드 LED는 고온, 고압, 방사선 또는 부식성 화학 물질과 같은 극한 환경(예: 산업 플랜트, 지하 시설, 항공 우주, 원자력 발전소)에 적합합니다.
주도의 산업의 경우, 이는 열악한 환경용 조명기구, 중요한 임무 수행에 필수적인 신호등, 그리고 기존 주도의 또는 드라이버의 빠른 노화를 방지하기 위한 전용 계측 또는 자외선/살균 광원과 같은 틈새 제품 라인으로 이어집니다.
질화갈륨 및 고출력 LED와의 통합
다이아몬드 박막과 질화갈륨을 결합한 연구에 따르면, 칩에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 확산 및 방출함으로써 고출력 LED의 열 성능을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
제조업체는 다이아몬드 기판에 다이아몬드 전력 소자와 GaN LED를 캡슐화함으로써 신뢰성을 희생하지 않고 구동 전류와 전력 밀도를 더욱 높여 더욱 밝고 견고한 고출력 패키지를 구현할 수 있습니다.