더 가볍고, 더 컴팩트하며, 더 강력하다. 포르쉐가 질화갈륨 기술을 적용한 세계 최초의 양산형 하이엔드 자동차 오디오 시스템을 시장에 선보인다.
질화갈륨(GaN)은 기존 실리콘보다 훨씬 뛰어난 효율성과 전력 밀도를 구현하는 반도체 소재로, 전자 시스템이 더 작고 가벼운 패키지에서도 더 높은 성능을 발휘할 수 있게 해준다.
“포르쉐다운 사운드에는 강력한 베이스가 필수다”
포르쉐 바이작 개발센터에서 오디오 시스템 혁신을 담당하는 슈테펜 부로쉬는 “강력한 베이스 기반은 고객들이 포르쉐에 기대하는 감성적 경험의 일부”라며 “우리 시스템의 여유로운 출력은 자신감 있고 다이내믹한 사운드 재생을 가능하게 하며, 이는 우리 스포츠카의 캐릭터와도 완벽하게 어울린다”라고 말했다.
이어 그는 “포르쉐에서 사운드는 순수한 감성에 관한 것이다. GaN을 활용함으로써 우리는 이 경험을 한층 더 향상시킬 수 있다. 고객들은 부메스터® 하이엔드 사운드 시스템의 뛰어난 음질을 즐기는 동시에 최첨단 엔지니어링도 함께 경험할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 프로젝트를 통해 개발된 혁신 기술을 보호하기 위해, 포르쉐는 이미 여러 건의 특허를 출원한 상태다.
양산을 위한 새로운 반도체 기술
질화갈륨은 1990년대 청색 발광다이오드(LED)에서 처음 폭넓게 활용되기 시작한 혁신적인 반도체 소재다. 오늘날 GaN 칩은 스마트폰·태블릿용 소형·경량 USB 충전기부터 우주 위성에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다.
흔히 트랜지스터로 불리는 GaN 기반 반도체 스위치는 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 하며, 소재의 특성 덕분에 비교 가능한 실리콘 기반 트랜지스터보다 스위칭 손실이 훨씬 낮다. 이로 인한 발열 감소는 전압 변환의 효율성을 높이는 동시에, 콘덴서와 인덕터 같은 전자 부품을 더 컴팩트하고 가볍게 설계할 수 있는 기회도 만들어준다.
히트싱크 20% 가벼워지고, CO₂ 배출도 줄어
부메스터® 3D 하이엔드 서라운드 사운드 시스템에도 같은 원리가 적용된다. 기존 실리콘 기반 반도체 대비 GaN 반도체가 제공하는 훨씬 더 효율적인 전력 변환 덕분에, 에너지 손실이 줄고 발열도 감소한다.
그 결과 냉각 요구량이 대폭 줄어들며 히트싱크는 약 20% 더 가볍게 만들 수 있고, 수동 부품들도 더 작게 만들 수 있다. 이를 통해 앰프는 전반적으로 더 가볍고 더 컴팩트해진다. 여기에 더해 환경적 이점도 있다. 에너지 집약적인 생산 과정을 거치는 히트싱크용 알루미늄 사용량이 줄어들면서, 앰프 생산 과정에서 발생할 수 있는 CO₂ 배출을 줄이는 데도 도움이 된다.
2023년 아이디어서 시작해 2024년 본격 개발
포르쉐가 스포츠카의 까다로운 조건 속에서 질화갈륨의 장점을 활용하겠다는 아이디어를 떠올린 것은 2023년 중반이었다. 2024년 봄부터, 포르쉐의 오디오·반도체·지속가능성 전문가로 구성된 팀이 슈투트가르트 대학의 견고한 전력 반도체 시스템 연구소와 협력해 GaN 기반 서브우퍼 앰프의 첫 번째 프로토타입을 개발했다.
포르쉐가 이끄는 GaN 혁신
포르쉐의 전략적 반도체 관리를 담당하는 라르스 호이켄 박사는 “우리는 효율적인 전압 변환이라는 근본적인 기술적 과제에 집중했다. 스포츠카에서 효율성과 무게는 결정적인 요소”라고 말했다.
이어 그는 “포르쉐가 직접 혁신을 능동적으로 이끌어간다는 사실 자체가, 우리가 기술 리더로서의 역할을 어떻게 바라보는지를 보여주는 대표적인 사례”라고 설명했다. 선도적인 글로벌 칩 제조사 및 오디오 개발 파트너와 긴밀히 협업한 끝에, 팀은 마침내 양산 가능한 서브우퍼 앰프를 만들어내는 데 성공했다.
호이켄 박사는 “잠재력은 엄청나며, 이는 이제 시작일 뿐이다. GaN은 전력이 변환되는 모든 곳에 이상적이다”라며 “포르쉐 스포츠카에서는 다양한 활용 분야가 가능할 것으로 보이며, 우리는 이를 더 자세히 조사하고 있다. 예를 들어 이 반도체는 고전압 시스템의 전력 변환에도 사용될 수 있다. 이는 특히 전기 스포츠카의 고전압 시스템에 GaN을 매력적인 선택지로 만든다”라고 말했다. 이어 그는 “품질과 실질적인 고객 혜택이 우리의 모든 고려사항의 핵심”이라고 강조했다. 부로쉬도 “우리는 특히 자동차 오디오 분야에서 추가적인 기회를 보고 있으며, 이미 다음 적용 분야를 정의해나가고 있다”라고 덧붙였다.