지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있다. 최근에 PMIC 기술은고속스위칭및파워소자, 전력손실최소화, 작은칩크기, 발열처리등에관한전력반도체연구개발로중소형디스플레이 /LED 드라이브 IC, 휴대형기기, 가전기기, 신재생 / 대체에너지, 자동차등에활용되어

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우제 전
6 years ago
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친환경절전형 PMIC 기술산업동향및향후전망 양일석차세대 I-MEMS 팀책임연구원한국전자통신연구원 ysyang@etri.re.kr I.

1 친환경절전형 PMIC 기술산업동향및향후전망 양일석차세대 I-MEMS 팀책임연구원한국전자통신연구원 I. 서론 최근에너지위기와환경규제강화및친환경, 녹색성장등의이슈가대두되어에너지절감과환경보호분야에 IT기술을접목 활용하는그린오션패러다임이부각되는상황에서그린IT 기술과전력IT 기술이융합되면서고효율 / 친환경의경쟁력있는제품개발및그린오션을주도할수있는그린전력반도체기술개발은필수적이다. < 그림 1> 과같이그린오션기술은에너지 / 전력효율화인그린IT에전력IT, 신재생 / 대체에너지및국제환경규제대응이포함된미래생존을좌우할핵심기술분야이다. 그림 1. 그린오션기술시스템의고기능화, 다기능화, 다양한서비스요구사항을충족시키기위하여제한된배터리리소스의효율적인제어및관리기능을하는전력반도체기반 PMIC 가매우중 요하게부각되고있고, 각애플리케이션에필요한전압을각각의디스크리트로해결하던것을원칩화하여각각의소자를원칩화함으로써얻어지는공간절약의이점과코스트다운으로배터리기반의모바일정보기기에서 PMIC 는핵심부품으로인식되고있다. 또한최근에는교토의정서등의지구온난화방지노력과글로벌환경규제의확대로친환경절전형부품 / 시스템개발이절실히요구되는실정에서시스템전체의에너지효율및 CO2배출에직접적인영향을미치는그린전력반도체기반친환경절전형 PMIC 기술개발은선택이아닌필수적이다. PMIC 는전력용디스크리트파워소자모듈과고전압파워회로, 저전압디지털회로, 고전압및저전압아날로그회로로구성된파워제어모듈로 2칩혹은 1칩으로구성되어전자기기에들어오는전력을그전자기기에맞게전력을변환, 분배, 충전및제어하는역할을하여일반반도체에비해서고내압화, 고신뢰성화등이요구된다. PMIC기술에서는고전압대전류전력반도체소자기술, 전력반도체집적화공정기술과고전압파워회로, 저전압디지털회로및고전압 / 저전압아날로그회로기술이핵심기술이다. PMIC 는배터리의과충전및과방전용 PTC 회로, 배터리, 유선전원등의전원소스관리, 시스템고효율전원변환효율관리및공급용레귤레이터파워제어회로및여러개의레귤레이터파워제어회로들과 MCU 를내장한집적화된 PMIC 까지포함한다. 에너지를절약하고제품을축소하기위하여전력공급장치나전력변환장치에사용되는 PMIC 기술은전력을시스템에맞게배분하는제어와변환기능을가진반도체로단순히전력을조절하고전달하는역할에서에너 January

< 그림 2> 는집적화된 PMIC 및활용범위를보여준다. 모두 Non-Isolated DC-DC 컨버터와 AC-DC 컨버터를사 용한다. 그림 3. Maxim 사 PMIC 제품군 그림 2. 집적화된 PMIC 및활용범위 II. 친환경절전형 PMIC 기술동향 1.

2 지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있다. 최근에 PMIC 기술은고속스위칭및파워소자, 전력손실최소화, 작은칩크기, 발열처리등에관한전력반도체연구개발로중소형디스플레이 /LED 드라이브 IC, 휴대형기기, 가전기기, 신재생 / 대체에너지, 자동차등에활용되어각종시스템 / 부품의성능을향상시키는동시에절전기능을강화하여기업의비용절감이가능한친환경절전형 PMIC 기술이요구되고있다. < 그림 2> 는집적화된 PMIC 및활용범위를보여준다. 모두 Non-Isolated DC-DC 컨버터와 AC-DC 컨버터를사 용한다. 그림 3. Maxim 사 PMIC 제품군 그림 2. 집적화된 PMIC 및활용범위 II. 친환경절전형 PMIC 기술동향 1. PMIC 회로기술동향 PMIC 회로기술의주목적은한정적인배터리전원을다양한부하변동에능동적으로대처하여배터리전원을효율적으로관리하여배터리수명을연장하는것이고, 최근에는주변의온도, 열, 진동, 압전등환경에서발생하는에너지를수확및저장하여사용하는에너지하베스팅및태양광, 풍력등의신재생용에너지전력반도체회로기술에대한연구가활발히진행되고있다. < 그림 3> 과같이 PMIC 제품군은각업체마다조금씩다르나일반적으로 AC-DC 컨버터, Isolated DC-DC 컨버터, Non-Isolated DC-DC 컨버터, Power Driver, Voltage Regulator 등으로크게나눌수있다. Non-Isolated DC-DC 컨버터는 Buck, Boost, Buck-Boost 컨버터로구성되어있고, Isolated DC-DC 컨버터는트랜스포머를사용한 Flyback 컨버터등으로구성되어있다. 모바일정보기기에서는거의 PMIC 기술에서입출력전압조정기레귤레이터는필수회로로선형과스위칭모드레귤레이터로나눌수있다. 선형레귤레이터회로에서효율은출력전압 / 입력전압으로고정되어있어효율이상대적으로낮고출력전력도낮은응용분야에사용되고대표적인선형레귤레이터는 LDO이다. 스위칭모드레귤레이터회로는에너지를낮은저항을가진스위치로전달하여 Step down, Step up, Inverter 로동작할수있고, 효율도높아대부분의 PMIC 에서많이사용되고있으나노이즈나리플에매우약하다. 일반적으로스위칭모드레귤레이터란에너지를입력단에서출력단으로전달하기위하여에너지저장소자로인덕터 (Inductor) 나커패시터 (Capacitor) 혹은트랜스포머 (Transformer) 를사용하는회로를말하며인덕터, 커패시터및트랜스포머사양이전력반도체회로기술에서는매우중요한설계변수중에하나이다. 또한파워스위칭소자의동작주파수와전력제어및관리방식도중요한설계변수이다. 전력제어및관리방식으로는펄스폭모듈레이션 (PWM) 이가장널리사용되고있고이방식은부하변동에따라서전압혹은전류를모니터링하여파워스위칭소자의온오프비인듀티사이클을조절하여출력전압혹은전류를조절하는방식이다. 최근에는부하가적을때출력전압혹은전류를사용하지않아서저전력동작이가능한여러가지방법의저전력모드회로기술에대한연구가활발히진행되고있다. PMIC 기술은디스크리트개별부품에서집적화된 PMIC 라는통합솔루션으로발전하나설계상의불가피함이나적용애플리케이션의특성에따라개별디스크리트의수요도꾸준할것으로전망된다. 갈수록복잡해지는애플리케이션의 17 IT SoC Magazine

증가와단말기에추가되는기능들에대응하기위해서는고효율 PMIC 집적화는점차적으로심화될전망이다. 고효율집적화된 PMIC 는한 IC 안에여러종류의파워제어회로들과디지털회로가통합하기때문에간섭이나노이즈성분이커질수있고많은파워들이작은면적에모이기때문에열문제가발생할수있어서효율을높이기위해집적화된 PMIC 내에서의전력손실을최소로발생하게하는회로기술개발이요구되고있다.

집적화된 PMIC 기술에서각 PMIC 사이의안정적인데이터교환을위해 SMBUS 혹은 PMBUS 인터페이스가필요하다.

3 증가와단말기에추가되는기능들에대응하기위해서는고효율 PMIC 집적화는점차적으로심화될전망이다. 고효율집적화된 PMIC 는한 IC 안에여러종류의파워제어회로들과디지털회로가통합하기때문에간섭이나노이즈성분이커질수있고많은파워들이작은면적에모이기때문에열문제가발생할수있어서효율을높이기위해집적화된 PMIC 내에서의전력손실을최소로발생하게하는회로기술개발이요구되고있다. 특히휴대용기기에서의디자인은더욱작아진폼팩터안에서이뤄지기때문에세계유수의 PMIC 업체들은고에너지효율솔루션을위한지속적노력을하고있다. National Semiconductor 사와 ARM사에서는 ARM 코아와 Power-Wise 기술을결합한 Intelligent Energy 관리칩을양산하고있다. 집적화된 PMIC 기술에서각 PMIC 사이의안정적인데이터교환을위해 SMBUS 혹은 PMBUS 인터페이스가필요하다. 최근모바일정보기기의경우주전원이배터리이기때문에배터리의 DC전압을가지고기기에서필요로하는다양한 DC 전압을만들어주는기능을수행하는전력변환기와모바일기기의사용효율뿐만아니라배터리의수명및사용자의안전을위한보호회로와그외에배터리용량감지회로, 배터리인증, 배터리셀밸런싱등의기능을포함하고있는배터리관리 IC(BMIC) 기능이하나의칩으로구현되는스마트 PMIC(SPMIC) 기술이요구되고있다. 휴대기기용고효율전력관리 IC 기술은고성능, 다기능휴대기기의다양한서비스충족을위한전력관리기능이매우중요하여 PMIC 와 BMIC 기능을단일칩화하는추세로발전하고있으며현재는 BMIC 의일부기능만추가된 PMIC 제품을양산하고있다. < 그림 4> 와같이시스템에서요구하는다양한전압을제공하기위해다수의벅컨버터, 부스트컨버터, LDO, 배터리충전기, 백라이트구동회로뿐만아니라효율적인전원관리를할수있도록 MCU 및 I2C 인터페이스를내장하는등하나의 PMIC 가시스템전체의전원을관리할수있는통합솔루션형태로개발되고있다. 차량용 PMIC 기술은자동차의지능화, 편리화요구에부응하여전장의부품이증가는추세이며고신뢰성 PMIC 기술을요구하며친환경절전형 HEV용고속 / 고효율배터리팩및배터리관리용 PMIC 회로기술과다양한종류의모터구동에필요한고전압 / 대전류파워스위칭소자, 파워스위칭구동회로와모터구동회로가내장파워모듈이개발되고있다. < 그림 5> 는자동차용 PMIC 핵심부품과응용분야를보 여준다. 미국, 일본, 유럽의우수한산업체차세대용의특히 HEV, PHEV, EV, 태양광용의고압, 대전류용의산업용전력스위치및파워모듈을대량생산하고있다. 그림 4. TI사의집적화된 PMIC 파워구조그림 5. 자동차용 PMIC 응용분야에너지절감및친환경기술로부각되고있는친환경 LED 용 PMIC 기술은일반조명및 LED 백라이트용 LED 컨트롤러 IC 제품이양산되고있으며일반조명용 LED PMIC 는콘트롤러와 DC-DC 컨버터가내장된고기능사양으로발전하고있다. LED 조명용컨트롤러 IC 회로는직렬로연결된 LED 를구동하기위한고전압을생성하는부스트컨버터, LED 백라이트의밝기를조정하기위한전류원, LED 백라이 January

4 트의로컬디밍, 또는글로벌디밍을제어하기위한디밍제어기, LED의단락또는개방을감지하는기능이내장된원칩화된 LED 컨트롤러 IC 로발전하고있다. 현재 LED는온도에따라서출력하는빛의색온도가변화하면사용시간, 사용환경에따른열화가발생하여빛의세기와색온도의변화를수반하기때문에향후에는 LED의온도, 열화를보상하는회로개발이요구된다. 현재까지는이동기기와노트북 PC, 모니터에서사용되는 LED 백라이트를위한드라이버위주로개발되었으나향후에는대화면 TV용 LED 백라이트드라이버 IC 역시활발히진행될것으로예상된다. 최근에친환경그린 IT 분야의부각으로태양광등의대전력신재생에너지용에너지전력반도체회로기술에대한연구가어느정도의가시적인성과를달성하여일부상용화제품이출시되고있으나주변의열, 진동, 모션등의에너지하베스팅용에너지전력반도체회로기술은초보적인상용화단계에있는상황이다. PMIC 는일반반도체와달리고전압대전류용고신뢰성패키징기술이요구된다. 전기적으로혹은열적으로약화된와이어본드가칩과분리되는현상으로인한칩오동작과고전압대전류파워소자와로직회로들이고집적화되어열적불안정화에의한칩오동작발생등이전력반도체신뢰성문제에이슈가되고있다. 와이어본드의전기적특성을개선할수있는다양한배선방법이개발되고있으며해결방안중에하나로기생인피던스의최소화뿐만아니라열방출특성을크게개선시킬수있는 3D 형태의일괄배선방식에대한연구가진행중에있고 SiP(System in Package) 에빠르게적용되고있다. 또한, 고전압대전류파워소자와로직회로들이고집적화되어열적불안정화에의한칩오동작에의한신뢰성문제해결방안으로한패키징에여러개의칩이있는 SiP 방식이나와이어본딩저항을줄이기위한새로운플릿패키징방식등에대한연구가선행되고있다. PMIC 공정기술은파워공정과일반로직공정을이원화한공정기술에서고전압대전류파워소자는 DMOS(Doublediffused drain MOS), 고속아날로그소자및회로는 Bipolar, 일반로직소자및회로는 CMOS로구현하여파워소자와일반로직소자가원칩화가능한 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS) MOS 공정으로발전하고있다. PMIC 기술개발방향은적용하려는시스템에따라조금씩다르나전반적인추세는서브마이크론 BCDMOS공정개발을통한고집적화및유사기능을중심으로다양한기능을통합해가는임베디드방식으로발전하고있다. 2. PMIC 업체동향 STM 일렉트로닉스, NXP, TI, National Semiconductor, Maxim, Analog Devices, Linear Technology, Infineon, Fairchild, 비셰이인터테크놀러지, 산요, 히타치, 도시바등유수한미 국, 일본, 유럽반도체회사들이 PMIC 용디스크리트전력스 위치소자 / 드라이버, 스위칭 Regulator & Converter, PMIC, 집적화된 PMIC, Motor 구동용 PMIC, Display & Lighting 용 PMIC, PC 용 PMIC 등다양한종류의 PMIC 관련제품들을양 산하고있다. < 표 1> 은미국, 일본, 유럽등국외주요전력 반도체업체별주요기술현황을보여준다. 국내전력반도체산업은현대 / 기아차자동차에서삼성등 과협력하여차량용반도체를개발중이고실리콘웍스, 실 리콘마이터스등 Fabless 설계전문업체들과매그나칩반도 체와동부하이텍등파운드리서비스전문업체를중심으로 DDI 와단순한기능의정보단말기용 PMIC 전력반도체제품 을양산하고있다. 넥스콘테크놀러지와파워로직스등에서 는휴대단말용 2 차리튬전지 BMIC 를보드형태로양산하며 HEV 용 BMS 를연구중이며전력반도체 IC 의대부분은수입 에의존하여대일및대미무역역조가속화에기여하고있 다. 현재국내전력반도체시장은 90% 이상을일본과미국 수입에의존하고있어서친환경절전형전력반도체기술개 발이시급히요구되고있다. < 표 2> 는국내주요전력반도체 업체별주요기술현황을보여준다. 표 1. 국외주요전력반도체업체별주요기술및동향 해외업체 Freescale Infineon Technologies Texas Instrument 주요기술및동향 2004 년미국모토롤라로부터반도체사업부가분사해설립된전세계반도체업계 10 위수준의기업으로자동차용반도체분야에서는업계 1 위를이어감 프리스케일코리아는 2007 년부터전력효율이뛰어난아날로그및전원관리제품군을확대 세계 1 위자동차반도체공급회사로파워트레인시스템에주력할예정 강력한시장노하우와검증된솔루션으로국내시장을적극공략예정 2008 년세계전력반도체시장 1 위를차지하고 13.2 억달러매출액 (9.7% 점유율 ) 달성 자동차안전관련전자제품이인피니언의집중분야 에너지효율성, 통신, 보안등반도체와시스템솔루션을제공 TO(Transistor Outline) 패키지상태에서최대 30% 까지파워손실을줄일수있음 2007 년까지시장의 15% 를점유하면서줄곧 1 위고수 전체적인시스템코스트를낮추면서성능을높이는통합솔루션을제공하는쪽으로진행중 공정이나 IC 자체에내부의회로구조를개선하는방향으로진행 최근고전류대전력 MOSFET 사업에참여 19 IT SoC Magazine

5 STMicroelectronics National Semiconductor Maxim Fairchild 효율성및전력밀도의향상과대기전력감소에대한요구증가에부응하는턴키솔루션을제공 아이서플라이 2006 년보고기준으로파워컨버전부분세계 1 위공급 고객사의긴밀한교류와전략적제휴로 ASIC SoC 기술을개발하며가장최신의제품을공급 2009 년최대 2mohm 의낮은온저항을구현하여 30V 표면실장소자를출시 MDmesh V 라는새로운 650V 기술은고전압파워공정기술 전력관리제품군인파워와이즈 (PowerWise) 를통해엔지니어들에게손쉬운디자인툴제공 전력반도체시장의주요분야인전력관리반도체에주력 최대 100V 의고전압소자및 95% 이상효율의스위칭레귤레이터제공 스위치커패시터및조명관리 IC 는동종업계에서가장작은크기의솔루션임 LDO 제품군은노이즈가낮고전원신호제거율이높은특징 모바일정보기기에필요한파워기술대부분보유 전력변환효율이높은저전력시스템개발에주력 최근출시한듀얼스위치모드전원공급컨트롤러는 90% 대의효율을나타냄 아날로그정밀도를향상시킬수있는 BiCDMOS 공정보유 파워후발주자로디스크리트제품에주력함 IT 산업핵심분야의다양한고객에게전력관리, 배전, 정류, 소비전력최소화등의솔루션을제공 페어차일드코리아는국내전력기술발전을위해지식경제부주관의 고전압전력 IGBT 기술및소자개발 사업을이끌고있음 페어차일드코리아는 2009 년 2 월소형기기의배터리수명을연장해주는듀얼 N- 채널및단일 N- 채널 MOSFET 을각각출시 그림 6. 세계전력반도체시장전망 출처 : isuppli III. 친환경절전형 PMIC 시장동향및향후전망 표 2. 국내주요전력반도체업체별주요기술및동향 국내업체 동부하이텍 매그나칩반도체 LS 산전 실리콘마이터스 주요기술및동향 반도체위탁생산 ( 파운드리 ) 외에직접시스템반도체를제조해판매하는사업에진출 LDC TV 의색상을조절하는 LDI(LCD Driver IC) 칩 2 종을자체개발ㆍ생산 2008 년미국 ADI 와일본산켄에수탁가공형태로아날로그반도체를공급함 LDI 는기존칩보다크기를 30% 이상, 제조공정을 25% 이상단축 0.35um 급 BCDMOS 공정기술을활용해다양한회로를하나의칩에서구현 0.18um 및 0.35um abcd(advanced Bipolar CMOS-DMOS) 공정기술개발완료 2008 년홍콩의반도체유통전문회사인이아이엘 (EIL) 과전력반도체제품에대한유통계약체결 2009 년 LCD TV 의광원인백라이트유닛 (BLU) 에쓰이는 40V 급 MOSFET 5 종출시 주요전력반도체업체가 6 인치웨이퍼를사용하고있는데비해 8 인치웨이퍼를사용 0.18um abcd 공정은모바일핸드셋용전력반도체에적합하며, 0.35um abcd 공정은높은전압과파워특성을갖는 LCD TV, 노트북용 LED 구동칩에적용됨 2005 년말부터산업자원부, 반도체연구조합과함께추진해온 분산발전및산업용인버터응용을위한전력반도체기술개발 국책과제를통해전력반도체모듈사업에본격적으로뛰어듬 2009 년 3 월에서오는 2012 년까지그린비즈니스분야에 2000 억원이상을투자한다고발표하고, 이를통해그린비즈니스분야매출을 2012 년 7000 억원, 2015 년 2 조 1000 억원으로늘릴계획 전력반도체모듈사업은산업현장에서쓰이는수백 kw 급전력을사용목적에맞게끔직류 - 교류간변환해주는장치로, IGBT 를이용한전력모듈을소형화시킨제품임 그린카전장품, 전력반도체모듈, 연료전지, 발광다이오드 (LED), 에너지저감건물분야를집중육성 2009 년디스플레이용 PMIC 첫상용화를시작으로본격진출 디스플레이용 PMIC 는동부하이텍의 0.35um 급복합고전압소자공정기술을적용, 생산됨 자동차, 백색가전, 디스플레이, LED 등다양한응용분야에적용할수있는 PMIC, BMIC, DDI 등관련전력반도체시장은매년꾸준히성장하고있으며미국, 일본, EU 업체들이전세계시장의 90% 이상을점유하고있으며국내시장의 90% 이상이외국에서수입된제품이차지하고있다. 현재전력반도체시장은미국, 일본, EU 등의몇개의메이저업체만이전세계시장의 50% 를점유하고있으며나머지 50% 시장은중소업체들이차지하고있어서시장을독점하는회사가없다. 갈수록첨단안전장치와편의장치등이자동차분야에접목됨에따라다양한차량전자장치를제어하기위한차량용전력반도체기술이미래경쟁력을좌우하는핵심요소기술로위치하고있다. 센서를제외한세계차량용반도체시장은연평균성장률 9.7% 로 2010년 187억불, 2014년 276억불규모이고, 차량에서반도체가차지하는비율은 2010년 24%, 2012년 62%, 2015년 103% 로예상된다. 센서를제외한국내차량용반도체시장은 2010년 10.2억불, 2014년 13억불로전망된다. < 그림 7> 은센서를제외한세계차량용반도체시장전망이고 < 그림 8> 은센서를제외한국내차량용반도체시장전망을보여준다. January

6 해왔으며향후에도지속적이고안정적으로성장할것으로전망되고전력IT가자동차, 가전등타산업간의융복합으로타산업의고도화를촉진하여전력반도체는고부가치시장창출에기여할것으로전망된다. 이에고효율 / 친환경의경쟁력있는제품개발및녹색성장을주도할수있는전력반도체기반의친환경절전형 PMIC 기술개발에대한지속적인투자가필요하다 그림 7. 센서를제외한세계차량용반도체시장전망 출처 : Strategy Analytics 그림 8. 센서를제외한국내차량용반도체시장전망출처 : Strategy Analytics 2009 Ⅳ. 결론 전력반도체기반의친환경절전형 PMIC 기술은에너지를절약하고제품을축소하기위하여전력공급장치나전력변환장치에응용되어단순히전력을조절하고전달하는역할에서에너지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있고, 최근에너지위기와환경규제강화및친환경, 녹색성장등의이슈가대두되면서친환경절전형부품 / 소재개발에대한연구가많이요구되는상황이다. 또한전력반도체는고집적화및에너지고효율이요구되고있으며, 전력반도체시장은지금까지매년전체반도체시장의약 10% 정도를차지하는시장규모로꾸준히성장 참고자료 [1] [2] [3] [4] [5] [6] www2.imec.be [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] 전력용반도체의최신기술동향및발전전망, 전자부품, 2009 [20] 차량용전장부품시장및기술분석, ETRI 정책보고서, IT SoC Magazine

Microsoft Word - 2.양일석_특집_.doc

Microsoft Word - 2.양일석_특집_.doc 친환경절전형전력반도체기술 Green Power Electronics Technology 융합기술시대의 ICT 부품연구동향특집 양일석 (Y.S. Yang) 김종대 (J.D. Kim) 장문규 (M.G. Jang) 차세대 I-MEMS 팀책임연구원 NT융합부품연구부부장차세대 I-MEMS 팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 친환경절전형전력반도체기술동향 Ⅲ. 친환경절전형전력반도체시장동향