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포커스 // SiC, GaN 화합물 소재 사용한 전력반도체의 시장 동향

편집부 기자
입력 2024.12.12 00:00

SiC, GaN 화합물 소재 사용한 전력반도체의 시장 동향

고효율 전력반도체의 수요 증가세 계속될 것

전기차의 보급 확대와 더 많은 전력을 필요로 하는 첨단 애플리케이션의 등장으로 인해 전력을 변환, 변압, 분배 및 제어하는 전력반도체의 중요성이 점차 커지고 있다. 이러한 상황 속에서 기존 실리콘(Si)을 사용한 전력반도체에서 새로운 화합물 소재인 SiC, GaN을 사용한 전력반도체의 필요성이 대두되고 있다.

정리 편집부

참조 SEMI 외

전력반도체의 제품 형태 (출처: Infineon)

전력반도체는 전기 신호를 조절하고 변환하는 소자로, 고전류와 고전압을 효율적으로 처리할 수 있는 특성을 가지고 있다. SiC(실리콘 카바이드/탄화규소), GaN(갈륨나이트라이드/질화갈륨) 같은 신소재를 활용한 전력반도체는 기존 실리콘 기반 반도체보다 뛰어난 전력 처리능력과 열 저항성을 제공한다. 이 기술은 전기차 배터리 관리, 고효율 가전, 태양광 발전 시스템 등에서 핵심적인 역할을 하고 있다.

전력반도체는 우리 일상에 직접적으로 많은 영향을 미치고 있다. 예를 들어 전기차를 소유하고 있는 경우, 배터리 충전시간 단축과 주행거리 증가를 체감할 수 있다. 또한 가정용 태양광 시스템을 사용하는 경우, 전력반도체 덕분에 더 효율적으로 태양광 에너지를 변환해 사용할 수 있다. 이 외에도 고효율 가전제품에서 전력 소비를 줄이기 위해 전력반도체가 활용되고 있다.

새로운 화합물 소재의 반도체 수요 증가

첨단 애플리케이션의 기능이 날로 고도화되면서 요구하는 전력도 점차 증가하고 있다. 전기차의 보급도 확대되고 있으며, AI와 같은 첨단 반도체와 이를 뒷받침하는 데이터센터는 더 많은 전력을 요구하고 있다. 그만큼 효율적으로 전력을 관리해야 할 뿐만 아니라, 전력반도체가 뿜어내는 높은 온도와 전압을 견딜 수 있는 반도체가 필요한 상황이다. 이처럼 실리콘(Si) 소재로 만든 전력반도체는 첨단 애플리케이션의 요구사항에 부합되기 어려워 새로운 화합물 소재의 전력반도체 수요가 증가하고 있다.

SiC와 GaN 전력반도체의 경우, 밴드갭이 약 3배 이상이기 때문에 고전압, 고주파, 고온의 환경에서도 안정적인 작동이 가능하다. 특히 높은 온도를 견디도록 큰 부피의 방열 시스템을 장착해야 했던 실리콘 전력반도체와 달리 공간 활용 면에서 높은 이점을 보인다.

이러한 이유로 인해 올해 80%가 넘는 점유율을 차지할 것으로 보이는 Si 전력반도체의 점유율은 2028년에는 70% 아래로 떨어질 것으로 보인다. 대신 SiC 전력반도체는 약 25.5%, GaN 전력반도체는 6%의 점유율을 갖게 될 것으로 전망된다.

▶ SiC 전력반도체

탄소와 규소가 결합된 SiC 소재는 다이아몬드 다음으로 단단해 개발 초기에는 가공의 어려움이 있었다. 그러나 현재는 기술 발전으로 6인치, 8인치 사이즈의 SiC 웨이퍼가 개발되기 시작했다. SiC는 Si 대비 전력손실이 30% 적은 동시에 절연파괴전계(반도체 성질을 유지할 수 있는 최대전압)가 10배 높아 효율적인 전력관리와 고전압 환경이 필요한 신재생에너지 발전설비 및 전기 자동차에 주로 사용된다.

신재생에너지에서도 SiC의 활약이 기대된다. 태양광 발전의 경우 태양광 소자가 발전한 직류전기를 교류전기로 변환한 후에야 가정에 전송하는 게 가능한데, 이때 직류를 교류로 변환하는데 고온과 고압에 잘 견디는 SiC가 유용할 것으로 전망된다.

▶ GaN 전력반도체

빠른 전자이동이 가능한 특성으로 급속 충전기에 많이 사용되고 있으며, 5G 등 차세대 통신 분야에 주로 사용되고 있다. 앞으로 전기차 충전 시스템, 데이터센터, ESS 등에도 활용될 전망이다. GaN 전력반도체는 SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 소자를 양산할 수 있다는 점에서 가격 경쟁력을 갖추고 있다.

전기차 보급 확대로 인해 전력반도체 중에서도 특히 GaN 전력반도체의 성장이 두드러지고 있다. 2022년 17억9400만 달러였던 GaN 전력반도체 시장규모는 2028년에 89억6백만 달러로 성장할 것으로 전망된다.

DB하이텍 상우캠퍼스 라인 내 모습 (출처: DB하이텍)

SiC 전력반도체 글로벌 공급망

현재 전력반도체 생산의 대부분은 국외에서 진행되고 있다.

Infineon Technologies(독일)는 SiC 및 GaN 기술로 전기차 및 재생에너지 시장의 ‘탑 티어(Top-tier)’ 기업이다. On Semiconductor(미국)는 태양광 전력 시스템 및 에너지저장장치에서 사용되는 전력반도체를 공급한다. ST Microelectronics(프랑스-이탈리아)는 전기차 및 산업용 전력 시스템을 위한 고성능 전력반도체 기술을 개발하고 있다. Wolfspeed(미국)는 SiC 기반 전력반도체 기술로 전기차 시장에서 큰 역할을 하고 있으며, 특히 메르세데스-벤츠 전기차에 SiC 전력반도체를 공급하고 있다.

국내 기업 중에서는 SK실트론, 온세미(ONSEMI), LX세미콘, DB하이텍, LG이노텍, 현대모비스 등이 글로벌 공급망에 포함되어 있다.

글로벌 SiC 전력반도체 서플라이 체인 (출처: Yole Group)

최근 삼성전자는 내년(2025년)부터 8인치 GaN 화합물 전력반도체의 파운드리를 시작하겠다고 공표했다. 지난해 말에는 전력반도체 사업을 키우기 위해 LED 사업팀을 ‘CSS(Compound Semiconductor Solutions) 사업팀’으로 개편하기도 했다. CSS 사업팀은 기존 LED 사업팀에 차세대 전력반도체 사업을 추가, 팀을 새로 정비하며 ‘파워 디바이스팀’ 등 전력반도체 관련 조직을 새로 꾸려 사업 규모를 확대했다.

SK하이닉스는 자회사 SK키파운드리를 통해 GaN 개발에 총력을 기울이고 있다. SK키파운드리는 진작부터 GaN 전력반도체의 시장성과 잠재력에 주목하고 2022년부터 정식 팀을 구성하여 GaN 공정을 개발해 왔다. 최근에는 650V GaN HEMT 소자 특성을 확보했으며, 연내 개발 완료를 목표로 박차를 가하고 있다.

DB하이텍은 2026년까지 SiC 반도체용 공정 개발을 완료하고 양산에 돌입할 계획이라고 밝혔다.

전력반도체 생산에 쓰이는 웨이퍼

지난 6월 5일 부산 전력반도체 특화단지에서 열린 ㈜아이큐랩 착공식

8인치 전력반도체 생산에 주력

현재 SiC 전력반도체는 대부분 6인치 웨이퍼에서 생산되고 있다. 하지만 더 많은 베어 다이(bare die)1)를 생산할 수 있으며 비용을 절감할 수 있도록(8인치 전력반도체는 6인치 대비 생산성이 약 1.8배다) 8인치 웨이퍼를 사용하고자 하는 움직임이 생겨나고 있다.

울프스피드, ST마이크로일렉트로닉스, 온세미, 인피니온, ROHM, 미쯔비시 일렉트릭, 보쉬 등이 8인치 웨이퍼를 사용한 SiC 전력반도체 생산의 변화를 주도하고 있으며, 상위 5개사가 전체 시장의 약 80%를 점유(2022년 기준)하고 있다.

이러한 추세에 따라 부산 전력반도체 소부장 특화단지에 우리나라 최초의 8인치 전력반도체 전용팹이 건립될 예정이다. SiC 전력반도체 설계 및 기술 개발 전문기업인 ㈜아이큐랩은 최근 3년간 20배 이상 성장했으나 자체 공장 미보유로 성장에 한계가 있었다. 이에 총 1천억 원(입지 50억, 설비 950억)을 투자하여 부산에 전기차용 8인치 전력반도체 공장(연 3만장 캐파)을 신설하고, 수도권에 있는 본사도 이전할 계획이다. 이를 통해 아이큐랩은 소자 설계기업에서 전력반도체 종합기업으로의 발돋움을 꾀하고 있다.

차호영 교수 (출처: 홍익대학교)

전기차 캐즘, 전력반도체 시장에 악영향?

최근 전력반도체 산업 성장의 키 드라이버(key driver)인 전기차 시장이 주춤하고 있다. 그러나 홍익대학교 전자전기공학부 교수이자 GaN 반도체 팹리스 기업 ‘ChipsK’의 CTO인 차호영 교수는 “전기차의 핵심기술 분야인 ‘전력의 변환과 관리’에서 전력반도체의 역할이 매우 중요하며, 수요 자체가 급증할 것으로 기대한다”며 우려를 일축했다. 다음은 일문일답.

Q. 전력반도체 산업의 미래 전망.

A. 전기차 구성품 중 배터리를 충전하는 충전기, 바퀴를 돌리는 인버터, 다양한 전장 시스템을 구동하는 DC컨버터 등 전기차의 핵심부품을 이루는 것이 전력반도체다. 전기차의 보급이 확대되면서 충전 인프라나 ESS의 발전도 동반될 수밖에 없는데, 이러한 상호작용이 전력반도체 산업에 있어서 긍정적인 역할을 한다.

최근 배터리 화재 등으로 전기차 산업이 ‘캐즘’에 빠져 있는데, 이런 현상은 초기 시장진입에서 대중화까지 나아가는 과정에서 거쳐야 하는 하나의 단계라고 생각한다. 전기차의 성능 개선을 위한 고효율화, 저손실, 열적 안정성 기술 확보 등은 대중화로 넘어가는데 견인차 역할을 할 것이라고 본다.

전력반도체의 역할이 무궁무진한 전기차, 신재생에너지 분야, 나아가서는 실시간 데이터 전송을 해야 하는 IoT나 스마트 가전 분야에서도 전력반도체가 매우 강조되고 있다. 앞으로 전력반도체의 수요는 계속 증가할 것으로 전망된다.

Q. SiC와 GaN 전력반도체 차이?

A. 개발 단계에서 SiC는 수직형 소자로 주로 개발되고 있다. 수직형 소자는 고전압에 적합하다. 전력반도체에서는 수평형보다 수직형이 성능이나 가격 면에서 유리하기 때문에, 주로 1200V 이상 혹은 최소 650V 이상의 애플리케이션을 목표로 하고 있다. 전기차, 신재생에너지, 운송수단, 나아가 전력 송배전 분야까지 확장될 수 있다고 본다.

GaN는 수평형 소자로 연구개발 되고 있으며, 고전압보다는 상대적으로 저전압에 적합하다. 동급에서는 Si나 SiC보다 월등한 성능을 나타낸다. 현재로서는 650V 이하 혹은 최대 1200V까지는 개발이 될 것으로 예상한다. 가전, 급속 충전기, 모바일, 데이터센터, E-mobility 등 다양한 애플리케이션으로 확장될 것으로 보인다.

결론적으로 SiC와 GaN 둘 중 어느 하나만 살아남는 것이 아니라, 두 가지 기술이 공존하면서 시장을 점유하게 될 것이다. 두 개의 애플리케이션이 대부분 나누어져 있고, 중복되는 부분은 Si, SiC, GaN이 ‘가격이냐, 효율이냐’ 에 따라 시장이 나누어질 것으로 전망한다.

Q. 우리나라 전력반도체 서플라이 체인의 글로벌 경쟁력은?

A. 개인적인 식견으로 볼 때, 우리나라는 아직 글로벌 업체 대비 2~3년 정도의 기술격차를 가지고 있다. 그러나 우리의 첨단 제조시설이나 고도화된 공정기술력은 전력반도체 산업 활성화의 중요한 기반이 될 거라고 본다. 나아가 우리나라는 전력반도체 수요 분야인 자동차, 가전 분야에도 강점을 갖고 있기 때문에, 수직계열화된 서플라이 체인에 수요업체까지 더해 선순환 구조로 연결할 수 있는 유리한 환경이다.

또 최근 대기업뿐만 아니라 스타트업이나 중소기업도 새로운 SiC, GaN에 자체투자를 하고 있고, 정부에서도 R&D 예산을 투자하고 있다. 이러한 모든 환경이 긍정적이다. 중장기적인 정책적·경제적 지원을 통해 국내 서플라이 체인의 경쟁력을 높여나가야 한다.

Q. 전력반도체 산업 성장을 위한 도전과제는?

A. 현재 새로운 GaN으로의 전환이 이루어지고 있다. 소자뿐 아니라 모듈이나 시스템 레벨에서의 변화가 필요하다. 모든 과정을 아우를 수 있는 고급 엔지니어가 필요하다. 장기적으로 전문인력을 양성하는 분위기를 형성하는 것이 중요하다.

또한 초고효율화 전력반도체 기술로 발전하기 위해서는 소자, 패키지, 모듈을 융합해서 일체형의 제품으로 만들어야 한다. 그러기 위해서는 현재 각각 나뉘어있는 서플라이 체인 내부 간의 공동개발이나 협력을 통한 혁신기술 개발이 중요하다.