최근 일본의 Power Diamond Systems(PDS)는 다이아몬드 MOSFET을 사용하여 6.78MHz 고주파 영역에서 E급 증폭기 회로의 전력 변환을 성공적으로 구현했다고 공식 발표했다.
PDS는 이것이 다이아몬드 반도체를 이용해 전력 변환 회로를 구현한 “세계 최초”의 사례이며, 작동 주파수가 기존에 보고된 다이아몬드 전력 변환 사례보다 10배 이상 높다고 밝혔다.
현재 이 평가 보드는 CEATEC 2026에서 무선 전원 공급 시스템 보드의 일부로 전시되었습니다.
알려진 바에 따르면, PDS의 기술 발전은 하루아침에 이루어진 것이 아니다. 와세다 대학에서 분사된 이 스타트업은 지난 1년 동안 꾸준한 속도로 소자 검증부터 회로 시연에 이르기까지 여러 핵심 단계를 성공적으로 완료했다.
2026년 3월, PDS는 자사의 다이아몬드 MOSFET에서 550V의 항복 전압과 0.82A의 드레인 전류를 동시에 달성했으며, 동일한 소자에서 200V/1A의 스위칭 동작을 성공적으로 수행했다고 발표했다.
이 연구 결과는 3월 10일 『Applied Physics Express』에 게재되었으며, 논문에서는 소자 설계를 상세히 설명하고 있다. 게이트 필드 플레이트 구조를 도입하여 게이트 가장자리의 전기장 집중을 억제하는 동시에 소자의 유효 면적을 확대함으로써, 여러 소자를 병렬로 연결하지 않고도 암페어급 전류 용량을 실현했다.
이중 펄스 테스트 결과, 200V 전원 공급 및 1A 드레인 전류 조건에서 소자의 상승 시간과 하강 시간은 각각 56ns와 15ns로 나타났다.
불과 한 달여 뒤인 2026년 5월, PDS는 와세다 대학, 규슈 공업대학과 공동으로 IEEE APEC 회의에서 《First Demonstration of Buck Converter using Diamond MOSFET》라는 제목의 논문을 발표하며, 다이아몬드 MOSFET 기반의 벅 컨버터 작동 결과를 최초로 보고했다.
알려진 바에 따르면, 연구팀은 2차원 정공형 다이아몬드 MOSFET과 실리콘 MOSFET을 조합해 캐스케이드 구조를 구성하여 상시 차단형 작동 모드를 구현했으며, 구축한 비동기식 벅 컨버터는 48V 입력에서 안정적인 강압 출력을 실현했고, 200kHz~400kHz 스위칭 주파수 범위에서 연속 작동 검증을 완료했으며, 프로토타입 시스템의 효율은 90%를 초과했다.
550V 소자에서 400kHz 변환기를 거쳐, 10월의 6.78MHz E급 증폭기에 이르기까지. PDS는 불과 7개월 만에 “소자 사용 가능”에서 “회로 작동 가능”, 그리고 “주파수 향상”에 이르는 완전한 발전 과정을 완수했다.
이背後의 응용 동인은 매우 명확합니다. 차세대 무선 전력 공급 시스템(드론, 물리적 AI 로봇)은 회로 소자의 소형화와 전력 밀도 향상을 위해 수 MHz급의 스위칭 속도가 필요하지만, 기존의 수백 kHz급 다이아몬드 DC-DC 변환기는 이러한 요구를 충족시킬 수 없습니다.
더 중요한 점은, PDS의 기술 발전과 Diamond Foundry(DF)의 다이아몬드 트랜지스터 분야 전략을 함께 살펴보면, 두 회사가 완전히 상이한 기술 철학을 대변하고 있음을 알 수 있다는 것이다.
DF는 스탠퍼드 대학교와 협력하여 주로 표면 전이 도핑 기반의 순수 다이아몬드 MOSFET에 주력하고 있다. 이 기술의 핵심은 단결정 다이아몬드 표면이 수소 원자 층으로 종단 처리되면 전자 친화력이 음의 값으로 변하고, 전자가 다이아몬드의 밸런스 밴드에서 표면의 수용체 종으로 이동하여 표면 몇 나노미터 내에 고밀도 2차원 정공 기체(2DHG)를 형성함으로써, 체 결정 내에 치환 도핑 원자를 도입할 필요 없이 p형 전도성을 생성한다는 점입니다.
현재 DF 공식 웹사이트는 자사 소자가 “3nm 첨단 공정 실리콘의 서브스레숄드 스윙과 일치한다”고 주장하며, “도핑 없음”을 통해 이온 주입으로 인한 격자 결함과 캐리어 산란을 방지한다고 강조하고 있다.
이에 비해 PDS는 다른 길을 택했다. PDS는 소자 작동 조건에서 수소 단자의 표면 내구성 문제를 해결하기 위해 단순한 수소 단자가 아닌 산화실리콘 단자(C-Si-O)를 채택했다.
더 중요한 점은, PDS가 소스/드레인 영역에 중보르온 도핑층을 도입하여 접촉 저항을 낮췄다는 것인데, 이는 DF의 “도핑 없음” 이념과 정면으로 대립한다.
따라서 PDS의 공학적 접근 방식은 실용적이고 목표 지향적이다. 전계판 구조는 전계 집중을 억제하고, 대면적화를 통해 암페어급 전류를 실현하며, 캐스케이드 구조를 통해 상시 차단형 작동을 구현한다.
이는 “물리적으로 가장 깨끗한” 방안을 추구하기보다는 “공학적으로 가장 먼저 실현 가능한” 방안을 추구합니다.
따라서 두 방식의 차이는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
DF는 “다이아몬드 트랜지스터가 왜 아직 충분하지 않은가”라고 묻으며, 실리콘 기반 반도체 분야에서 축적된 성숙한 분석 프레임워크를 활용해 다이아몬드 2DHG 소자의 물리적 한계를 파악하려 하고 있다. 반면 PDS는 “다이아몬드 트랜지스터가 현재 무엇을 할 수 있는가”라고 묻고, 시연 가능한 시스템급 솔루션을 통해 소자 최적화를 주도하며, 실제 적용 사례를 통해 기술 발전을 촉진하고 있다.
두 접근 방식은 완전히 다른 경로에서 출발했지만, 동일한 결론에 도달했다. 즉, 다이아몬드 트랜지스터의 성능 한계는 다이아몬드 본체 재료에 있는 것이 아니라, 다이아몬드와 외부 환경이 접촉하는 ‘그 한 층’에 있다는 것이다.
DF는 계면 트랩을 최대 병목 현상으로 확인했으며, PDS의 성능 향상 역시 표면 단자와 소스/드레인 접점의 공학적 최적화에서 직접 비롯되었다.
이는 국내 다이아몬드 소자 연구에 직접적인 시사점을 준다. 체재의 순도 경쟁에 계속 매달리기보다는, 자원을 표면 처리, 단자 구조, 접점 공학 등 이러한 ‘계면 단계’에 집중하는 편이 낫다.
따라서 6.78MHz 전력 변환 시연의 의의는 주파수 자체가 얼마나 높은지에 있는 것이 아니라, 다이아몬드 MOSFET가 시스템급 회로에서 처음으로 고주파 전력 변환 능력을 입증했다는 점에 있다. 이는 다이아몬드가 ‘방열 소재’에서 ‘전력 반도체 소자의 주 소재’로 도약하고 있음을 의미한다
