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 Ⅳ. 결론 에너지를절약하고제품을축소하기위하여전력공급장치나전력변환장치에사용되는전력반도체는전력용파워스위칭소자와제어 IC로구성되어전력을시스템에맞게배분하는제어와변환기능을가진반도체로단순히전력을조절하고전달하는역할에서에너지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있고, 교토의정서등의지구온난화방지노력과글로벌환경규제의확대로친환경절전형부품 / 시스템개발이절실히요구되는실정이다. 이에따라, 본고에서는스마트환경, 그린에너지, 예방진단등미래인간생활대응을통해신기술및신시장을창출하는신성장동력분야인저전력, 고효율, 저발열, 저소음등환경친화적으로동작하여에너지효율및 CO 2 배출에직접적인영향을미치는친환경절전형전력반도체기술동향에대해논의하고자한다. C 2009 한국전자통신연구원 11
Ⅰ. 서론 생존을좌우할핵심기술분야이다 [3]-[5]. 전력반도체는전력용파워스위칭소자와제어 IC 로구성되어전자기기에들어오는전력을그전자기기에맞게전력을변환, 분배및관리하는역할을하고, 일반반도체에비해서고내압화, 고신뢰성화등이요구되며, 컴퓨팅, 통신, 가전, 산전및자동차등오늘날중추적인전자애플리케이션에적용되며, 최근에는휴대폰, 노트북 PC와같은모바일기기의증가와전기자동차의개발과맞물려전력반도체에대한수요가급증하고있다. 최근에전력반도체는고속스위칭, 전력손실최소화, 작은칩크기, 발열처리등에관한연구개발로디스플레이 /LED 드라이브 IC, 휴대형기기, 가전기기, 신재생 / 대체에너지, 자동차등에사용되는각종부품의친환경화및에너지절감화에크게기여하고, IT 기기의성능을향상시키는동시에절전기능을강화하여기업의비용절감이가능한친환경절전형전력반도체기술개발이요구되고있다 [1],[2]. ( 그림 1) 은전력반도체기술및활용범위를보여준다. 최근에너지위기와환경규제강화및친환경, 녹색성장등의이슈가대두되어에너지절감과환경보호분야에 IT 기술을접목ㆍ활용하는그린오션패러다임이부각되는상황에서그린 IT 기술과전력 IT 기술이융합되면서고효율 / 친환경의경쟁력있는제품개발및그린오션을주도할수있는그린전력반도체기술개발은선택이아닌필수적이다. 그린오션은에너지 / 전력효율화인그린 IT에전력 IT, 신재생 / 대체에너지및국제환경규제대응이포함된미래 Ⅱ. 친환경절전형전력반도체기술동향 친환경절전형전력반도체의핵심기술인전력반도체소자, 공정및회로기술동향에대해언급한다. 1. 전력반도체소자기술동향 전력반도체소자는일반적인반도체소자에비해서고내압, 대전류, 고내열화된것이특징으로특히전력용파워스위칭소자는전력변환시스템이핵심요소로이상적인전력용파워스위칭소자는스위치가오프시견딜수있는항복전압이크고스위치가온시허용전류가크고온저항이작으며스위치구동전력이적고스위칭시간이짧아야한다. 대표적인전력용파워스위칭소자로는단방향파워스위칭소자인파워정류다이오드, 양방향파워스위칭소자인파워 MOSFET, 파워바이폴라 (BJT), 절연게이트양극성트랜지스터 (IGBT), 사이리스터, 게이트턴오프사이리스터 (GTO), 트라이액 (triac) 등이있다. ( 그림 2) 와같이현재전력용량이소용량이며스위칭속도가빠른응용분야에는파워 MOSFET소자가가장많이사용되고, 전력용량이중용량이며스위칭속도가중간응용분야에는 MOSFET 와바이폴라의장점만가지는 IGBT 소자가가장많이사용되고있다. kw 25 고전압고전류 메모리 전력변환 전력제어 전력변환전력제어 프로세서 아날로그 디지털 에너지효율제고신뢰성 / 안전성 친환경및절전형전력반도체부품구현 그린자동차 휴대용기기 ( 그림 1) 전력반도체기술및활용범위 LED Drive IC 친환경부품 신재생에너지 Power 10 1.0 0.1 GTO 고주파수 IGBT BJT MOSFET 1 70kHz 1MHz Frequency ( 그림 2) 전력반도체소자응용범위 [6] 12 C 2009 한국전자통신연구원 12
양일석외 / 친환경절전형전력반도체기술 전력반도체소자기술은전력소자의온저항과항복전압사이의최상의 trade-off 를얻고소자의특성을저하시키지않으면서소자크기를축소하는것이매우큰이슈이다. 이를해결하기위한연구가미국, 일본등선진국위주로활발히이루어지고있다. 전력반도체소자는상대적으로온저항이큰플래너 (planar) 구조와상대적으로온저항이낮은수직 (vertical) 구조로크게나눌수있고, 최근에는전력반도체소자를내장하는응용분야확대로열발산문제가적은온저항이낮은수직구조의전력반도체소자연구및개발이활발히이루어지고있다. ( 그림 3) 은여러전력반도체소자의온저항대항복전압을보여준다. 20~900V 항복전압을가지는파워 MOSFET 소자기술은플래너게이트구조에서트렌치 (trench) 게이트구조와슈퍼접합 (super junction) MOSFET으로동일한항복전압을유지하면서온저항을낮추는경향으로발전하고있다. 400~1500V 항복전압을가지는절연게이트양극성트랜지스터 (IGBT) 소자기술은플래너게이트구조에서트렌치게이트구조, NPT 구조에서 field stop IGBT로발전하고있다. 파워 MOSFET 소자는높은고전압고전류동작때문에일반 MOSFET 와달리 DMOS 구조를가진다. DMOS는 LDMOS, VDMOS, TDMOS로크게 Specific On-resistance (ohm-mm 2 ) 1 100m 10m 1m 0.1m 100 Si-SJMOSFET SiC transistors GaN-HFET Si-limit This work Fuji Ele. Toshiba Cree(DMOS) Infineon Rohm(DMOS) GaN-limit Philips Toshiba( 07) Rutgers Sanken( 07) Univ.(SIT) USCC( 06) UCSB( 06) Densoh AIST(SIT) 1k Breakdown voltage (V) 6H-SiC-limit Matsushita( 07) Kansai Ele.Pow. (DMOS) SiCED(SIT) 4H-SiClimit ( 그림 3) 전력반도체소자의온저항대항복전압 [7] 10k 나눌수있고, 동작전압에따라다양한 DMOS 제품들이양산되고있다. 인버터와같이모터제어에사용되는전력반도체의경우빠른스위칭특성보다는확대된안정동작영역 (SOA) 과낮은도통전압강하 (Vcesat) 가요구되며, 또한사용전류가높을경우에는안정된병렬운전특성을위해서온도상승에따라 Vcesat 이상승하는 positive temperature coefficient 특성을갖고, short circuit SOA가뛰어난 NPT IGBT가 600V 이상의영역에서주류를형성하고있으며, 현재 600V, 1200V 모두에서전력 IGBT 의기술을선도하는업체는독일의 Infineon 으로 NPT 기술을기반으로한 field stop 기술과 short circuit rated trench gate 기술을접목한 trench-field stop IGBT를시장에출시하고있다. 세계전력반도체시장을선도하는독일 Infineon, 미국 Freescale은다양한종류의전력반도체제품을양산하고있으며, 특히차량용 30~600V급 planar 및 trench 디스크리트파워 MOSFET을양산하고있고 Fairchild Korea 는각종전원장비에응용되는 30~900V급디스크리트파워 MOSFET와 400~1200V급디스크리트 IGBT를양산하고있다. 최근에는실리콘보다물질특성이우수한실리콘카바이드 (SiC) 반도체, 질화갈륨 (GaN) 반도체등화합물소자를이용한전력반도체개발노력도활발히이루어지고있다. 기존의실리콘반도체소자보다스위칭속도가매우빠르면서소비전력이 1/10 에불과한화합물반도체전자소자가관심을끌고있고인텔과 IBM 등이상용화를목표로연구개발중에있다. SiC, GaN은순수실리콘보다 8배나높은전압에서견딜수있으며전류는 100배까지흘릴수있고, 열전도성도뛰어나면서누설전류가작아에너지절약성능이우수하나생산단가가비싸고 CMOS 공정과비호환성때문에실리콘회로와 SiC 소자와의이종접합문제를해결해야하는단점이있다. Si, SiC, GaN 기반전력반도체소자의특징을 < 표 1> 에서정리하였다. 전력반도체소자기술은 Si, SiC, GaN 중 Si 기반 C 2009 한국전자통신연구원 13
< 표 1> Si, SiC, GaN 기반전력반도체소자특징 종류기술현황특징 Si SiC GaN ㆍ소자 : MOSFETs(LDMOS, IGBT), Discrete ㆍ공정 : BCD 공정ㆍ응용분야 : Middle Voltage 전력반도체분야 ㆍ소자 : Schottky, SiC MOSFET, Discrete ㆍ공정 : CMOS 공정비호환성ㆍ응용분야 : High Voltage 전력반도체분야 ㆍ소자 : AlGaN/GaN HEMT ㆍ공정 : CMOS 공정비호환성ㆍ응용분야 : RF 전력반도체분야 ㆍ장점 : CMOS 호환성높음, 공정용이ㆍ단점 : 고전압 (~700V 이하 ), Band Gap(1.12eV) ㆍ장점 : 고전압소자 (~1000V), Band Gap(2.86~3.2eV) ㆍ단점 : 고생산단가, SI 회로와 SiC 소자와의이종접합기술어려움 ㆍ장점 : 넓은 Band Gap(3.4eV), 높은항복전압, 낮은온저항, 빠른스위칭속도ㆍ단점 : 고생산단가, 고절연산화막기술부재 소자기술이주도하고있다. 2. 전력반도체공정기술동향전력반도체공정기술은파워공정과일반로직공정을이원화한공정기술에서고전압대전류파워소자는 DMOS, 고속아날로그소자및회로는 bipolar, 일반로직소자및회로는 CMOS 로구현하여파워소자와일반로직소자가원칩화가능한 BCDMOS 공정으로발전하고있고, 전력반도체 IC 기술개발방향은적용하려는시스템에따라조금씩다르나전반적인추세는서브마이크론 BCDMOS 공정개발을통한고집적화및유사기능을중심으로다양한기능을통합해가는임베디드방식으로발전하고있다 [8],[9]. 전력반도체는메모리나시스템 LSI 보다낮은디자인룰을사용하기때문에현재가장널리사용되고있는 BCDMOS 공정기술은 0.35μm 이고향후고집적화가능한 0.18μm BCDMOS 공정기술개발을서두르고있다. BCDMOS 공정기술은 < 표 2> 와같이세계유수의파운드리업체및국내파운드리업체에서다양한종류의파운드리서비스를제공하고있다 [10]. 대만 TSMC는 0.25μm 2.5V/5V/12V/40V급 0.18μm 60V BCDMOS 공정기술을개발하여모바일용 PMIC, DDI 등의제품을파운드리서비스하고있고, 독일 XFAB은 0.6μm 8V/12V/40V/60V급 VDMOS 및 LDMOS 를적용한 1.0μm 650V급 SOI BCDMOS 공정기술을개발하여모바일용 PMIC, DDI, LED 조명, 자동차등의제품을파운드리서비 < 표 2> 전력반도체 BCDMOS 공정기술파운드리업체 회사명보유공정제품분야 동부하이텍 매그나칩반도체 TSMC ( 대만 ) XFAB ( 독일 ) - 0.35μm 80V BCD 양산 - 0.18μm 60V Pilot - 0.35μm 80V BCD 양산 - 0.18μm 60V DMOS - 0.6μm 5/40V BCD - 0.35μm 3.3/12V BCD - 0.25μm 2.5/5/12/40V BCD - 0.18μm 60V BCD - 0.6μm 8/12/40/60V SOI BCD - 1μm 70V/100V BCD - 1.0μm 650V SOI BCD Pilot 타워세미콘덕 - 0.18μm 40V BCD 터 ( 이스라엘 ) DALSA ( 캐나다 ) ASMC ( 중국 ) SMIC ( 중국 ) HH-NEC ( 중국 ) Hejian ( 중국 ) - 0.18μm 20/40V BCD - 1.2μm 32/650V CDMOS - 1.2μm 700V BCD Pilot - LED 조명, 자동차, Medical - LED 조명, 자동차, Medical - LED 조명, 자동차, Medical - 0.16μm 40V HV CMOS - 0.35μm 20/40V BCD - 0.35μm 12/18/30/40V (Non-epi BCD) - 0.35μm 12/18V BCD - 0.35μm 40V CDMOS GSMC( 중국 ) - 0.25μm 32V LDMOS CSMC( 중국 ) - 0.5μm 20/40V BCD UMC( 대만 ) - 0.25μm 18/30V BCD - 0.35μm 12/18/40V BCD 스하고있다. 국내는동부하이텍은 0.35μm 급 60V급 BCDMOS 공정기술을개발하여모바일용 PMIC, DDI 등의제품을파운드리서비스하고있고, 매그나칩반도체는 14 C 2009 한국전자통신연구원 14
양일석외 / 친환경절전형전력반도체기술 0.18/0.35μm급 60V급 BCDMOS 공정기술을개발하여모바일용 PMIC, DDI, LCD TV 등의제품을파운드리서비스하고있다. ETRI는 6인치 CMOS full process가가능한연구시설과장비로 300V급 CDMOS 공정, 20V/60V 급 LDMOS 공정, 75V/100A급 E-bike용트렌치 MOS 공정기술을확보하고있다. 급속히발전하는공정기술은전력반도체의효율성에중요한견인차역할을하며최근 TI에서는고성능아날로그공정기술의저전력반도체에적용되는새로운공정기술을선보이고있고전력반도체의배선공정은알루미늄에서저항이낮은구리를대신사용하는공정으로발전하고있으며모바일휴대용기기에적합한극미세저전압 BCD 공정기술개발로파워 IC 기능을포함한경쟁력있는시스템반도체를구현할것으로전망된다. 3. 전력반도체패키징기술동향전력반도체는일반반도체와달리고전압대전류용고신뢰성패키징기술이요구된다. 전기적으로혹은열적으로약화된와이어본드가칩과분리되는현상으로인한칩오동작과고전압대전류파워소자와로직회로들이고집적화되어열적불안정화에의한칩오동작발생등이전력반도체신뢰성문제에이슈가되고있다. 와이어본드의전기적특성을개선할수있는다양한배선방법이개발되고있고해결방안중의하나로기생임피던스의최소화뿐만아니라열방출특성을크게개선시킬수있는 3D 형태의일괄배선방식에대한연구가진행중에있고 SiP에는빠르게적용되고있다. 고전압대전류파워소자와로직회로들이고집적화되어열적불안정화에의한칩오동작에의한신뢰성문제해결방안으로한패키징에여러개의칩이있는 SiP 방식이나와이어본딩저항을줄이기위한새로운플릿패키징방식등에대한연구가선행되고있다. 4. 전력반도체회로기술동향전력반도체회로기술의주목적은한정적인배터리전원을다양한부하변동에능동적으로대처하여배터리전원을효율적으로관리하여배터리수명을연장하는것이고최근에주변의온도, 열, 진동, 압전등환경에서발생하는에너지를수확및저장하여사용하는에너지하베스팅및태양광, 풍력등의신재생용에너지전력반도체회로기술에대한연구가활발히진행되고있다 [11]-[17]. 전력반도체에서입출력전압조정기레귤레이터는필수회로로선형과스위칭모드레귤레이터로나눌수있다. 선형레귤레이터회로에서효율은출력전압 / 입력전압으로고정되어있어서효율이상대적으로낮고출력전력도낮은응용분야에사용된다. 스위칭모드레귤레이터회로는에너지를낮은저항을가진스위치로전달하여 step down, step up, inverter로동작할수있고, 효율도높아서대부분의전력관리 IC에서많이사용되고있으나노이즈나리플에매우약하다. 일반적으로스위칭모드레귤레이터란에너지를입력단에서출력단으로전달하기위하여에너지저장소자로인덕터 (inductor) 나커패시터 (capacitor) 혹은트랜스포머 (transformer) 를사용하는회로를말하고인덕터, 커패시터및트랜스포머사양이전력반도체회로기술에서는매우중요한설계변수중의하나이다. 또한파워스위칭소자의동작주파수와전력제어및관리방식도중요한설계변수이다. 일반적으로전력제어및관리방식으로는펄스폭모듈레이션 (PWM) 이가장널리사용되고있고이방식은부하변동에따라서전압혹은전류를모니터링하여파워스위칭소자의온오프비인듀티사이클을조절하여출력전압혹은전류를조절하는방식이다. 최근에는부하가적을때출력전압혹은전류를사용하지않아서저전력동작이가능한여러가지방법의저전력모드회로기술에대한연구가활발히진행되고있다. 전력반도체회로기술은전력을시스템에맞게배분하는제어기능, 전력변환기능, 배터리보호회 C 2009 한국전자통신연구원 15
로 (PTC) 기능등의기본적인기능이외에전원소스 ( 배터리, 전원등 ) 모니터및관리기능, 시스템의다양한종류출력전원공급기능, 고효율전원변환효율관리기능등이하나의칩으로구현되는전력관리 IC(PMIC) 회로기술로발전하고있어서단순히전력을조절하고전달하는역할에서에너지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있다. 전력관리 IC 기술은각애플리케이션에필요한전압을각각의디스크리트로해결하던것을원칩화하여각각의소자를원칩화함으로써얻어지는공간절약의이점과코스트다운으로배터리기반의휴대정보단말기기에서핵심부품으로부각되고있다. 갈수록복잡해지는애플리케이션의증가와단말기에추가되는기능들에대응하기위해서는고효율전력관리 IC 집적화는점차적으로심화될전망이고고효율전력관리 IC는한 IC 안에통합하기때문에간섭이나노이즈성분이커질수있고많은파워들이작은면적에모이기때문에열문제가발생할수있어서효율을높이기위해전력반도체내에서의전력손실을최소로발생하게하는회로기술개발이요구되고있으며, 특히휴대용기기에서의디자인은더욱작아진폼팩터안에서이뤄지기때문에세계유수의전력반도체업체들은에너지효율솔루션을위한지속적인노력을하고있다. 전력반도체는디스크리트개별부품에서전력관리 IC라는통합솔루션으로발전하나설계상의불가피함이나적용애플리케이션의특성에따라개별디스크리트의수요도꾸준할것으로전망된다. 최근모바일정보기기의경우주전원이배터리이기때문에배터리의 DC 전압을가지고기기에서필요로하는다양한 DC 전압을만들어주는기능을수행하는전력변환기와모바일기기의사용효율뿐만아니라배터리의수명및사용자의안전을위한보호회로와그외에배터리용량감지회로, 배터리인증, 배터리셀밸런싱등의기능을포함하고있는배터리관리 IC(BMIC) 기능이하나의칩으로구현되는스마트파워관리 IC(SPMIC) 회로기술이요 구되고있다. 휴대기기용고효율전력관리 IC 기술은고성능, 다기능휴대기기의다양한서비스충족을위한전력관리기능이매우중요하여 PMIC와 BMIC 기능을단일칩화하는추세로발전하고있으며현재는 BMIC의일부기능만추가된 PMIC 제품을양산하고있고, 내부시스템에서요구하는다양한전압을제공하기위해다수의벅컨버터, 부스트컨버터, LDO, 배터리충전기, 백라이트구동회로뿐만아니라효율적인전원관리를할수있도록 MCU 및 I2C 인터페이스를내장하는등하나의 PMIC가시스템전체의전원을관리할수있는통합솔루션형태로개발되고있다. 차량용전력반도체기술은자동차의지능화, 편리화요구에부응하여전장의부품이증가하는추세이며고신뢰성전력반도체기술을요구하고친환경절전형 HEV용고속 / 고효율배터리팩및배터리관리용전력반도체회로기술과다양한종류의모터구동에필요한고전압 / 대전류파워스위칭소자, 파워스위칭구동회로와모터구동회로가내장된파워모듈이개발되고있고 [18],[19], ( 그림 4) 는자동차용전력반도체핵심부품과응용분야를보여준다. 미국, 일본, 유럽의우수한산업체차세대용의특히 HEV, PHEV, EV, 태양광용의고압, 대전류용의산업용전력스위치및파워모듈을대량생산하고있다. 에너지절감및친환경기술로부각되고있는친 전기모터변속기텔레매틱스제어입력단자율주행 Power IC 모터구동친환경조명 BMS DC/DC 인버터 ( 그림 4) 자동차용전력반도체핵심부품 16 C 2009 한국전자통신연구원 16
양일석외 / 친환경절전형전력반도체기술 환경 LED용전력반도체기술은일반조명및 LED 백라이트용 LED 컨트롤러 IC 제품이양산되고있으며향후일반조명용 LED 전력반도체는컨트롤러와 DC-DC 컨버터가내장된고기능사양으로발전하고있다 [6]. LED 조명용컨트롤러 IC 회로는직렬로연결된 LED를구동하기위한고전압을생성하는부스트컨버터, LED 백라이트의밝기를조정하기위한전류원, LED 백라이트의로컬디밍, 또는글로벌디밍을제어하기위한디밍제어기, LED의단락또는개방을감지하는기능이내장된원칩화된 LED 컨트롤러 IC로발전하고있다. 현재 LED는온도에따라서출력하는빛의색온도가변화하면사용시간, 사용환경에따른열화가발생하여빛의세기와색온도의변화를수반하기때문에향후에는 LED의온도, 열화를보상하는회로개발이요구되며현재까지는이동기기와노트북 PC, 모니터에서사용되는 LED 백라이트를위한드라이버위주로개발되었으나향후에는대화면 TV 용 LED 백라이트드라이버 IC 역시활발히진행될것으로예상된다. 최근에친환경그린 IT 분야의부각으로태양광등의대전력신재생에너지용에너지전력반도체회로기술에대한연구가어느정도의가시적인성과를달성하여일부상용화제품이출시되고있으나주변의열, 진동, 모션등의에너지하베스팅용에너지전력반도체회로기술은초보적인상용화단계에있는상황이다 [17],[20],[21]. 5. 전력반도체특허동향전력반도체설계기술분야의특허는세계적으로 2001년부터 2006년까지증가추세이며, 일본과미국이특허를주도하고있고한국은출원건수 / 출원인수에서지속적으로증가하여발전기에위치해있으면서휴대기기용 PMIC에관한특허는미국퀄컴, 미국 Maxim, 영국 ARM, 유럽 Freescale, 일본히타치, 일본 NEC사등에서다수출원과등록을하고 있고, 국내에서는삼성전자가출원을주도하고있으며, 다음으로현대자동차, 삼성SDI 등의순으로특허출원 / 등록이많으며한국전자통신연구원등의출연연의특허출원 / 등록도매년증가하고있다. 에너지분야와관련된특허는배터리및관리 (battery, management) 에대한특허가활발하고, 에너지하베스트기술이가장많은비중을차지하고있으며, 제어부기술이뒤를잇고있고에너지변환소자구동회로에대한특허는엘지화학, 삼성전기, 삼성SDI 등의기업체와한국전자통신연구원등을비롯한국공립연구소특허가다수보유하고있으며, 2 차 battery management system 및보호회로에관한특허는한국전자통신연구원등을비롯한연구소와삼성전기등의기업체특허가주류를이루고있다. Ⅲ. 친환경절전형전력반도체시장동향 1. 전력반도체시장동향 STM일렉트로닉스, NXP, TI, National Semiconductor, ㄱMaxim, Analog Devices, Linear Technology, Infineon, Fairchild, 비셰이인터테크놀로지, 산요, 히타치, 도시바등유수한미국, 일본, 유럽의반도체회사들이전력스위치소자 / 드라이버, 스위칭 분야 DDI PMIC < 표 3> 국내전력반도체분야별기술현황 기술현황 ㆍ매그나칩반도체 60V 급 0.35μm BCD 공정으로 DDI 양산ㆍ동부하이텍 60V 급 0.35μm BCD 공정으로 DDI 양산ㆍ중소형 DDI 의시장점유율이매우높고현재가격경쟁이치열함 ㆍ실리콘마이터스, 실리콘웍스등에서단순한기능의 PMIC 제품양산ㆍ휴대단말기와노트북용 Buck/Boose DC-DC 컨버터제품이위주ㆍ국내수준은초보단계 ㆍ국내에서는보드형태의 BMIC 혹은 BMS 제품양산ㆍ넥스콘테크놀로지는휴대단말기용 2차리튬전지 BMIC BMIC 양산ㆍ파워로직스및넥스콘테크놀로지는 HEV 용 BMS 연구 C 2009 한국전자통신연구원 17
Regulator & Converter, PMIC, BMIC, Motor 드라이버 IC, Display & Lighting 드라이버 IC 등다양한종류의전력반도체제품들을양산하고있다. < 표 3> 은국내전력반도체분야별기술현황을보여준다. < 표 3> 에서와같이국내전력반도체산업은현대 / 기아자동차에서삼성등과협력하여차량용반도체를개발중이고실리콘웍스, 실리콘마이터스등 fabless 설계전문업체들과매그나칩반도체와동부하이텍등파운드리서비스전문업체들중심으로 DDI와단순한기능의정보단말기용 PMIC 전력반도체제품을양산하고있고, 넥스콘테크놀로지와파워로직스등에서는휴대단말용 2차리튬전지 BMIC를보드형태로양산하며 HEV용 BMS를연구중이며전력반도체 IC의대부분은수입에의존하여대일및대미무역역조가속화에기여하고있다. 현재국내전력반도체시장은 90% 이상을일본, 미국수입에의존하고있어서친환경절전형전력반도체기술개발이시급히요구되고있다. < 표 4> 는미국, 일본, 유럽, 한국등국내외주요전력반도체업체별주요업무와국적을보여준다. 2008년전력반도체시장은 ( 그림 5) 와같이 335 억달러규모이며이는세계반도체시장규모 2809 억달러의 12% 를차지하지만메이저업체가차지하는시장점유율은 50% 정도이고군소업체들이나 < 표 4> 국내외전력반도체업체현황 업체주요업무국적 Infineon Technologies TI(Texas Instrument) STMicroelectronics Fairchild IR (International Rectifier) National Semiconductor Maxim Rohm Vishay Intertechnology NXP Semiconductor Freescale 동부하이텍 ㆍ 2008 년세계전력반도체 1 위를차지하고 13.2 억달러매출액 (9.7% 점유율 ) 달성ㆍ자동차안전관련전자제품분야집중ㆍ에너지효율성, 통신, 보안등반도체와시스템솔루션을제공하는기업 ㆍ TI 사는 2007 년까지시장의 15% 를점유하면서줄곧 1 위고수ㆍ TI 는저코스트및고성능통합솔루션을제공하는쪽으로진행중 ㆍ전력반도체분야의선도기업으로효율성및전력밀도의향상에부응하는턴키솔루션제공ㆍ아이서플라이 2006 년보고기준으로파워컨버전부분세계 1 위공급 ㆍ후발주자로서단점을타개하기위해단품제품에주력ㆍ IT 산업핵심분야의다양한고객에서전력관리, 배전, 정류, 소비전력최소화등의솔루션을제공 ㆍ독일 ㆍ미국 ㆍ스위스 ㆍ미국 ㆍ1947년설립된 IR사는전력반도체기업중가장역사가깊음ㆍIR코리아는 1993년설립됐으며전력낭비를줄여주는디지털ㆍ아날로그및혼합신호 IC, 고성능ㆍ미국회로부품, 집적된전력시스템과부품들을생산공급함 ㆍ전력관리제품군인파워와이즈 (PowerWise) 를통해엔지니어들에게손쉬운디자인툴제공ㆍ새로운프로세스와토폴로지를지원하기위한지속적 ID 개발 ㆍ Maxim 은휴대폰에필요한파워를대부분갖고있는데싱글칩을사용할경우그에대한단품솔루션도갖고있음ㆍ기존전력을낮추고전력실행시손실을줄여전력변환효율이높은저전력시스템개발에주력 ㆍ일본반도체전문기업인 Rohm 은 LCD TV 백라이트인버터, 모터드라이버, 스위칭전원등의브리지회로에사용하는고성능, 고내압전력반도체 F 시리즈를개발 ㆍ세계적인디스크리트반도체및수동부품제조업체ㆍ미국 ㆍ필립스전자의사업본부에서독립하여 2006 년출범반도체분야에서 50 년이상의기술혁신경험ㆍ자동차안전관련전자제품분야집중 ㆍ미국 ㆍ미국 ㆍ일본 ㆍ네덜란드 ㆍ프리스케일코리아는 2007년부터전력효율이뛰어난아날로그및전원관리제품군을확대ㆍ세계 1위자동차반도체공급회사답게엔진관리시스템등을포함한파워트레인시스템주력ㆍ미국ㆍ강력한시장노하우와검증된솔루션으로네트워크, 컴퓨팅, 무선통신, 차량등국내시장을적극공략할계획 ㆍ위탁생산 ( 파운드리 ) 외에직접시스템반도체를제조해판매하는사업에진출ㆍ 2008 년 10 월에미국 ADI 와일본산켄에수탁가공형태로아날로그반도체를공급함ㆍ LDI 는기존칩보다크기를 30% 이상, 제조공정을 25% 이상단축ㆍ 0.35μm 급 BCDMOS 공정기술을활용해다양한회로를하나의칩에서구현하는기술개발 ㆍ한국 ( 뒷장에계속 ) 18 C 2009 한국전자통신연구원 18
양일석외 / 친환경절전형전력반도체기술 ( 계속 ) < 표 4> 국내외전력반도체업체현황 업체주요업무국적 매그나칩반도체 LS 산전 실리콘마이터스 ㆍ2008년 4월 0.18μm 및 0.35μm BCD 공정기술개발완료ㆍ2008년 12월에홍콩의반도체유통전문회사인이아이엘 (EIL) 과전력반도체제품에대한유통계약체결ㆍ2009년 3월 LCD TV의광원인백라이트유닛 (BLU) 에쓰이는 40V급 MOSFET 5종출시ㆍ한국ㆍ주요전력반도체업체가 6인치웨이퍼를사용하고있는데비해가격경쟁력이큰 8인치웨이퍼를사용ㆍ0.18μm abcd 공정은모바일헤드셋용전력반도체에적합하며, 0.35μm abcd 공정은높은전압과파워특성을갖는 LCD TV, 노트북용 LED 구동칩에적용됨 ㆍ 2005 년말부터국책과제를통해전력반도체모듈사업에본격적으로뛰어듬ㆍ 2009 년 3 월에서오는 2012 년까지그린비즈니스분야에 2000 억원이상투자계획을발표함ㆍ그린비즈니스분야매출을 2015 년 2 조 1000 억원으로늘릴계획ㆍ전력반도체모듈사업은산업현장에서쓰이는수백 kw 급전력을제어하는 IGBT 를이용한제품임ㆍ그린카전장품, 전력반도체모듈, 연료전지, 발광다이오드 (LED), 에너지저감건물분야를집중육성 ㆍ국내벤처기업으로서는쉽지않은전력관리반도체상용화에성공ㆍ 2007 년 6 월개발에본격착수, 1 년 4 개월만에디스플레이용 PMIC 첫상용화를시작으로시장본격진출ㆍ디스플레이용 PMIC 는디스플레이화질에영향을주는 DC/DC 계통의 60V 급전원제어반도체임ㆍ디스플레이용 PMIC 는동부하이텍의 0.35μm 급복합고전압소자공정기술을적용, 생산됨 ㆍ한국 ㆍ한국 Millions of Dollars 기타 ST 마이크로일렉트로닉스텍사스인스트루먼츠인피니언테크놀로지 페어차일드세미컨덕터인터내셔널렉터파이어비쉐이인터테크놀로지내셔널세미컨덕터도시바맥심인터그레이티드 NXP ( 그림 5) 2008 년도세계전력반도체시장점유율 30,000 20,000 10,000 0 2008 2009F 2010F 2011F 2012F 2013F Linear VRs Switching VRs Vrefs/Other PM Interface PMASIC/ASSP Rectifiers Thyristors Power MOSFET IGBTs Power Bipolar ( 그림 6) 세계전력반도체시장전망 머지 50% 시장을나눠가지고있어서절대강자가없는시장이다 [2]. 2008년 PMIC의세계시장은 40억달러규모지만다양한유비쿼터스제품들의발전에따라 2013 년에는 56억달러그리고 2018년도에는 90억달러정도의시장이형성될것으로전망된다. 세계전력반도체시장은 ( 그림 6) 과같이 2008년 260억달러, 2009년 200억달러, 2010년 230억달러, 2011년 250억달러, 2012년 260억달러, 2013년 280억달러로연평균 9% 로성장할것으로예측된다 [22]. 2. 자동차용전장시장동향갈수록첨단안전장치와편의장치등이자동차분야에접목됨에따라다양한차량전자장치를제어하기위한차량용전력반도체기술이미래경쟁력을좌우하는핵심요소기술로위치하고부각되고있다. 자동차에서전장부품이차지하는원가비중이 2005년 20%, 2010년 37%, 2015년 40% 까지늘어날전망이며이중전력반도체가차지하는비용은대략 30% 정도로추정되며자동차를구성하는부품의비중변화로전자장비가전체재료비에서차지하는비중은 2000년 7.4%, 2008년 15% 의비중을차지하며, 향후 10년이내에일반자동차가격의 40% 이상을전자부품과반도체부품이차지할것으로전망되고있다. 2010년지능형자동차의시스템관련세계시장은 439억달러규모에달할전망이고, 그중자동차용반도체시장은 2010년에 233억달러로전망되 C 2009 한국전자통신연구원 19
( 단위 : 조원 ) Battery Management SoC 시장예측 2.0 1.85 1.8 1.68 1.6 1.4 1.53 1.28 1.2 1.0 0.8 0.6 1.00 0.73 0.49 0.4 0.34 0.23 0.2 0.070.11 0.16 0.0 2009 2011 2013 2015 2017 2019 ( 그림 7) HEV 용 BMS 시장전망 ( 단위 : 백만달러 ) 9,000 8,000 New&Niche Lighting 7,000 Automotive PID 6,000 LCD BLU Handset 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000-2006 2007 2008 2009 2010 2011 < 자료 >: DisplayBank, 2008. 8. ( 그림 8) LED 시장전망 며, 2010년지능형자동차국내시스템시장은 17 억달러에이르고생산은 30억달러에달할것으로전망된다. 차량용반도체시장은 2008년 192억달러에달하며, 2004년이후연 7% 씩성장해왔고, 2011년까지연성장률이 10% 로전망되는유망분야이며, 차량용반도체디바이스별 2007년매출현황을보면아날로그 IC가 61.8억달러, 마이크로컴포넌트 IC가 52.4억달러, 디스크리트가 17.8억달러, 로직 IC가 15.5억달러, 센서및액추에이터가 10.1억달러, 메모리 IC가 8.4억달러의순이다 [18]. 차세대친환경자동차로인식되는 HEV 및 EV 용 BMS SoC 시장은 ( 그림 7) 과같이 2015년이후급격히확대될것으로예상되며 HEV용 BMS SoC 전세계시장은 2010년 1100억원규모로, 연평균성장률 47% 로 2015년 7300억원이될것으로전망된다 [23]. 3. LED 시장동향 LED 기술은에너지절감및친환경기술로부각되고있으며향후일반조명을대체할수있는 LED 조명, CCFL 대체용 LED, 그리고 BLU용전력반도체시장은 ( 그림 8) 과같이매우크게성장할것으로예상되며, LED 조명이전체일반조명시장의 30% 이상을점유할것으로예상되는시기는 2016년으로예상되며, 650V BCDMOS 제품이개발되는 2012년도는 LED 전원 IC 시장은 23억달러와가정용 AC 전원을사용하는전압안정기시장 37억달러 ( 단위 : %) 40 35 30 25 20 15 10 5 New&Niche Automotive LCD BLU Lighting PID Handset 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 < 자료 >: DisplayBank, 2008. 8. ( 그림 9) LED 응용분야별시장 시장규모로전망된다. LED 응용분야별시장성장률전망은 ( 그림 9) 와같이 LED BLU, 자동차가차지하는비중이가장크고, LED 시장규모는연평균성장률 18.2% 로 2009 년 45억달러에서 2011년 84억달러가전망된다 [5]. Ⅳ. 결론 친환경절전형전력반도체기술은에너지를절약하고제품을축소하기위하여전력공급장치나전력변환장치에응용되어단순히전력을조절하고전달하는역할에서에너지효율제고및시스템안정성과신뢰성을좌우하는역할로확장되어가고있고, 최근에너지위기와환경규제강화및친환경, 녹색성장등의이슈가대두되면서친환경절전형부품 / 소재개발에대한연구가많이요구되는상황이다. 이에고효율 / 친환경의경쟁력있는제품개발및녹색성장을주도할수있는친환경절전형전력반도체 20 C 2009 한국전자통신연구원 20
양일석외 / 친환경절전형전력반도체기술 기술개발은선택이아닌필수적이다. 용어해설 전력반도체기술 : 전력용파워스위칭소자와제어 IC 로구성되어전자기기에들어오는전력을그전자기기에맞게전력을변환, 분배및관리하는기술 BCDMOS 공정기술 : 고전압대전류파워소자는 DMOS, 고속아날로그소자및회로는 Bipolar, 일반로직소자및회로는 CMOS 로구현하여파워소자와일반로직소자가원칩화가능한 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS) MOS 공정기술 약어정리 BCDMOS Bipolar CMOS DMOS BLU Back Light Unit BMIC Battery Management Integrated Circuit BMS Battery Management System DDI Display Driver Integrated Circuit DMOS Double diffused drain MOS EV Electric Vehicle GaN Gallium Nitride GTO Gate Turn-off Thyristor HEV Hybrid Electric Vehicle I2C Inter-Integrated Circuit IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LDMOS Lateral DMOS LED Lighting Emitting Diode MCU Micro Controller Unit NPT Non-Punch Through PMIC Power Management Integrated Circuit Si Silicon SiC Silicon Carbide SiP System In Package SJ Super Junction SOA Safe Operation Area TDMOS Trench DMOS 참고문헌 [1] http://www.etnews.co.kr, 그린에너지특집기사, 2009. 7. 30. [2] http://www.etnews.co.kr, 전력용반도체특집기사, 2008. 5. 27. [3] Green 반도체개념및기대효과, ETRI 정책보고서, 2008. 8., pp.1-34. [4] 박승창, Green IT 기술의최근산업화동향, 주간기술동향, 통권 1410호, 2009. 8., pp. 29-41. [5] 황규석, 황보승, 정주현, 이영환, LED 조명시스템기술, 주간기술동향통권 1403호, 2009. 7., pp.13-27. [6] http://www.fairchild.com [7] N. Ikeda, S. Kaya, J. Li, Y. Sato, S. Kato, and S. Yoshida, High Power AlGaN/GaN HFET with a High Breakdown Voltage of over 1.8 kv on 4 inch Si Substrates and the Suppression of Current Collapse, Proc. of ISPSD 08, May 2008, pp.287-290. [8] Claudio Contiero et al., Roadmap Differentiation and Emerging Trends in BCD Technology, In Proc. of ESSDERC, Dec. 2002, pp. 275-282. [9] 권오경, 전력용반도체의최신기술동향및발전전망, 전자부품, 2009, pp.26-29. [10] http://tsmc.com [11] http://www.ti.com [12] http://www.infineon.com [13] http://www.freescale.com [14] http://www2.imec.be [15] http://www.maxim-ic.com [16] http://www.national.com [17] S. Chalasani and J.M. Conrad, A Survey of Energy Harvesting Sources for Embedded Systems, Proc. of IEEE SoutheastCon08, Apr. 2008, pp.442-447. [18] 차량용전장부품 (Automotive Electronics) 시장및기술분석, ETRI 정책보고서, 2008. 6., pp. 1-68. [19] 이현동, 하이브리드차량에적용된전력전자기술, 전력전자학회지, 제12권, 2007. 10., pp.17-23. [20] Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2009-2019, IDTechEx 보고서, 2009. [21] Austin Harney, Smart Metering Technology Promotes Energy Efficiency for a Greener World, EE Times, Aug. 2009, [22] Power Management Market, isuppli 보고서, 2009. 3. [23] http://www.sem.co.kr C 2009 한국전자통신연구원 21