SiC, GaN 등…전자기기 에너지 효율 개선으로 고품질 기해
컴퓨터, 가전, 조명, 자동차 등 모든 전자제품의 핵심 부품
한국, 세계 20위권 밖, “국내 수요 95% 해외의존, 분발 필요”
[애플경제 진석원 기자]
미래 산업의 경쟁력은 전력 반도체가 에너지 손실을 얼마나 감소시킬 수 있는가에 달렸다고 해도 과언이 아니다. 하지만 기존 전력 반도체는 전기차, 5G, 신재생 에너지 등 차세대 산업에서 한계를 드러내고 있다. 그런 가운데 최근 전력 반도체 시장을 뒤바꿀 수도 있는 차세대 전력 반도체인 SiC(실리콘카바이드)반도체와 GaN(갈륨나이트라이드)반도체가 빠르게 보급되고 있어 눈길을 끈다.
전력 반도체는 데이터를 처리하거나 저장하는 일반 반도체와 달리, 전자기기에 들어오는 전력을 제어하고 에너지 효율을 개선하는 반도체다. 컴퓨터, 가전, 조명, 자동차 등 모든 전자제품에서 핵심 부품으로 사용된다. 기존 전력 반도체는 실리콘(Si) 단일 소재가 사용되었다. 하지만 최근엔 탄소와 규소의 화합물인 SiC, 갈륨과 질소의 화합물인 GaN 등, 화합물 기반 반도체가 전력 효율이 좋고 내구성이 뛰어나 세대 교체가 이루어지고 있다.
Si는 전력반도체로 쓰이긴 하지만, 고전압, 고주파, 고열에 취약하다. 전력반도체가 주로 쓰이는 전기차, 신재생 에너지 등은 고전압과 고열의 환경이다. 그 때문에 이러한 환경을 견딜 수 있는 화합물 반도체의 필요성이 강조되어왔다. Si와 탄소를 결합한 SiC와 GaN이 결합력이 매우 강하고 안정적인 화합물 반도체로 주목을 끄는 이유다.
최근 무역진흥공사(KOTRA) 해외시장 조사 자료에 따르면 반도체 재료 자체를 비교하면 SiC의 성능지수는 기존 실리콘 Si보다 440배, GaN은 1,130배 높다. 이전 실리콘 기반 소자에 비해 전자의 이동 속도가 5~10배 이상 빠르고 전력 소모량은 10배 이상 적다. 전력 소모가 적기 때문에도 발열량도 낮아진다. 하지만 제조 비용이 비싸기 때문에 지금까지는 주로 방산업, 우주 산업 등 특수 분야에서만 이용되었다.
새로 대안으로 떠오른 SiC는 실리콘과 탄소를 일대일로 결합해 만든다. 다이아몬드 다음으로 단단하기 때문에 반도체로 이용하려면 약 2,400 ℃의 초고온에서 단결정을 만든 후 이를 절단할 수 있는 웨이퍼를 제작해야 한다. 그 만큼 기술적인 난이도가 높다. 하지만 SiC 반도체는 같은 두께의 기존 실리콘 반도체에 비해 약 10배 이상의 전압과 5배의 고열을 견딜 수 있다. 때문에 고전압이 쓰이는 전기차에 매우 적합하다. 가격은 Si보다 2배 이상이지만 주행거리를 10% 이상 늘릴 수 있고, 충전 시간을 효과적으로 줄일 수 있어 핵심 부품으로 활용될 전망이다.
이미 전기차에서는 SiC의 도입이 이루어지고 있고 빠르게 시장도 확대되고 있다. 도요타 자동차는 2014년부터 SiC 전력 반도체를 사용한 하이브리드 자동차를 시범 운용 중에 있다. 하이브리드나 전기차 모터용 인버터에 SiC 전력 반도체를 사용하면 고내열, 고속 스위칭, 고온 동작 등의 장점으로 인버터의 효율을 크게 높일 수 있다. 동시에 소음을 줄이고 작고 가볍게 만들 수 있어 공간 절약에도 용이하다.
글로벌 시장조사기관 ‘마켓 앤 마켓’(Market and Market)에서 작년에 발표한 SiC 시장조사보고서에 의하면, 자동차 산업 부문에서 글로벌 SiC 시장 규모는 2018~2020년 사이에 연평균 47.3%씩이나 성장했다. 2026년까지 연평균 29%로 월등한 성장률을 보일 것으로 전망된다. 특히 SiC가 크게 활용되는 전기차 모터 드라이브 시장은 2021~2026년 예측기간 동안 시장 규모가 무려 연평균 40% 성장할 것으로 예상돼 SiC의 시장 전망을 밝게 하고 있다. SiC는 주로 전력반도체의 형태로만 개발되고 있는데, 아직은 세계 전력반도체 생산 기업 20위권 내에 국내 기업은 없는 것으로 나타났다.
GaN은 질소와 갈륨의 화합물이다. 전자의 이동성이 높고 전압에 강하다. 열전도 또한 우수하여 높은 스위칭 주파수 효율성이 필요한 전력이나, 라디오 주파수(RF)소자에 이상적이다. GaN은 SiC와 마찬가지로 여러 이점이 있지만 특히 비용 절감에 있어 SiC보다 우수할 것으로 평가받는다. SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 만들 수 있기 때문에 성능과 가격 면에서 모두 우수하다.
GaN은 LED에도 널리 활용되고 있다. 전체 LED의 약 80%가 GaN 기반이다. 청색 LED를 만드는데 필수 재료로 사용되고 있다. 또한 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC)등 고출력 무선 주파수 기기에도 적용되고 있다. 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터나, 자동차용 직류 전압 변환 장치 등에 사용되고 있다. 가장 보편화 된 제품으로는 USB C타입 어댑터나 충전기가 있다. 기업들은 GaN을 사용한 충전기 제품을 빠른 충전 속도와 낮은 발열을 강점으로 마케팅에 나서고 있다.
현재 세계 전력 반도체 시장을 이끄는 주요 기업은 인피니온, T1, Cree(Wolfspeed), NXP, STMicro 등 글로벌 비메모리 반도체 기업들이 있다. 주요 기업들은 Si 뿐 아니라 SiC, GaN 등 차세대 전력반도체 개발에서도 앞서 있다. Si 공정에서 SiC 공정으로의 전환이 GaN에 비해 수월하기 때문에 주로 SiC를 활용한 제품들의 개발이 진행 중이다. 미국의 대표적인 반도체 제조장비 업체인 ‘Applied Materials’는 최근 우수한 성능의 SiC 반도체를 효율적으로 제조하는, ‘Mirra Durum CMP’ 시스템과 ‘VIISta 900 3D 고온 이온 주입 시스템’과 같은 첨단 시스템을 갖추고 있다.
그러나 Si 전력 반도체 시장에서 국내 기업들의 존재감은 미미하다. 신한금융투자의 기업 분석에 따르면 국내 수요의 95%를 해외 전력 반도체에 의존하고 있다. 대표적으로 현대자동차만 해도 전력 반도체의 대부분을 인피니온 등 해외기업들로부터 수입하고, 국내 조달은 5% 수준에 불과하다.
전문가들은 그러나 “국내 전력 반도체 산업도 차세대 전력 반도체인 SiC와 GaN을 활용한 시장이 빠르게 커지면서 역시 성장세를 보이고 있다”고 진단하면서 “화합물 반도체는 기능면에서 Si 반도체보다 월등히 뛰어나지만 제작 비용이 높아 원가를 낮출 수 있는 기술을 개발할 필요가 있다.”고 주문한다. 실제로 글로벌 선도 기업들은 6인치, 8인치 화합물 반도체 생산능력을 확보하기 위한 기술을 개발 중에 있으나 국내 기업들은 아직 4인치 수준에 머무르고 있다. 이에 산업통상자원부는 지난해 ‘차세대 전력 반도체 기술개발 및 생산역량 확충 방안’을 통해 2025년까지 300억원을 투입한다고 밝힌 바 있어 주목된다.