차세대전력반도체기술개발동향 * 전황수한국전자통신연구원책임연구원 전력반도체는전기에너지를활용하기위해직류 교류변환, 전압, 주파수변화등의제어처리를수행하는반도체로전력을생산하는단계부터사용하는단계까지여러단계에서다양한기능을수행한다. 전력반도체소자는 1960년대부터실리콘 (Si) 이주로사용되어왔는데, 실리콘은가격이저렴하고, 동작온도범위가넓으며산소와반응해자연적으로산화막을형성하는장점이있으나, 스위칭손실, 스위칭속도, 내환경성등에한계가존재한다. 최근에는기존실리콘기반반도체의한계를극복하기위해탄화규소 (SiC) 반도체와질화갈륨 (GaN) 반도체등이차세대반도체소자로부상하고있다. 미래산업발전을위해서는정부주도의프로젝트발주, 전문인력양성, 조화로운산업생태계조성이필요하다. I. 서론 전력반도체 (Power Semiconductor) 는전기에너지를활용하기위해직류 교류변환, 전압, 주파수변화등의제어처리를수행하는반도체로, 전력을생산하는단계부터사용하는단계까지다양한기능을수행한다. 가전제품, 스마트폰, 자동차등전기로작동하는제품의작동여부및성능을결정짓는핵심부품으로작용한다 [1]. 최근들어, 전력반도체는전기자동차, 태양광발전등다양한분야에적용이확대되고있으며, 스마트폰과태블릿PC 등모바일디바이스의급성장으로수요가증가하고있다. 특히, 4차산업혁명시대의도래로인해스마트카, 자율주행차, 로봇, 태양전지, 사물인터넷 (IoT), 스마트그리드, 항공우주, 5G 이동통신등관련산업이성장함에따라수요가급격히늘어날것으로예상된다 [2]. 전력반도체소자는 1960년대부터실리콘 (Si) 이주로사용되어왔으며, 실리콘은가격이저렴하 * 본내용은전황수책임연구원 ( 042-860-5115, chun21@etri.re.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 2 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 고, 동작온도범위가넓으며산소와반응하여자연적으로산화막 (SiO 2 ) 을형성하는장점이있다. 최근들어, 전기자동차와모바일기기, 태양광발전등전력반도체적용의확대로시장에서는보다운전효율이높으면서소형화된전력변환장치를요구하고있으나, 실리콘은스위칭손실, 스위칭속도, 내환경성등의문제로인해시장의요구에부응하지못하고있다. 따라서기존실리콘반도체소자의한계를뛰어넘는새로운반도체소자의필요성이제기되고있는가운데, 탄화규소 (Silicon Carbide: SiC) 와질화갈륨 (Gallium Nitride: GaN) 등화합물반도체가부상하고있다. 차세대반도체소자는실리콘에비해 3배나넓은밴드갭을가지고있으며, 매우큰절연파괴전압을구현할수있다 [3]. 본고에서는기존전력반도체소자를대체할것으로기대되는차세대전력반도체소자의기술동향과업체들의개발동향을살펴보고정책적시사점을도출해보고자한다. II. 차세대전력반도체기술 [ 표 1] 과같이전력반도체소자는크게실리콘기반소자와화합물기반소자로분류된다. 실리콘기반소자는일반적인반도체소자에비해고내압화, 큰전류화, 고주파수화되어있다. 전원장치 (Power device) 라고도하며, Bipolar, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; 금속산화물반도체전계효과트랜지스터 ), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor; [ 표 1] 전력반도체소자기능과용도 구분기능용도성장성 다이오드 (Diode) 정류기능을통해교류를직류로변환자동차, AV 기기 트랜지스터 실리콘 (Si) 기반소자 화합물기반소자 Bipolar MOSFET IGBT 탄화규소 (SiC) 질화갈륨 (GaN) 온저항이작지만스위칭속도가늦음 / 고소비전력 / 미세화곤란 빠른스위칭속도 / 저소비전력 / 미세화용이 / 고주파에적합하나온저항이큼 스위칭속도빠르고, 저소비전력, 미세화용이, 고주파적합, 온저항작음 고전압, 고출력및고주파응용분야에적합한차세대전력소자 넓은밴드갭과높은항복전압, 낮은온저항, 빠른스위칭속도 MOSEFT, IGBT 로대체 박형 TV, 모터구동, 효율화로용도확대 백색가전의인버터, 하이브리드차 고속전철, 전기자동차, 기지국, 발전 / 송배전 차세대에너지, RF 전력분야 Thyristor 특수정류작용용접기, 직류송전, 가전제품 < 자료 > 지식산업정보원, 전력반도체기술 / 시장전망및에너지신산업분야별실태분석, 2017. 5, p.213. 정보통신기획평가원 3
절연게이트양극성트랜지스터 ) 등이대표적이다 [4]. 전력반도체소자로는 1960년대부터실리콘이널리사용되어왔다. 실리콘은지구상에존재하는물질중 25% 를차지하여가격이매우싸고, 게르마늄에비해동작온도범위가넓고산소와반응하여자연적으로산화막 (SiO 2 ) 을형성하는이점을갖고있다 [3]. 화합물기반소자는결정이두종류이상의원소화합물로구성되어있는반도체로, 갈륨-비소 (GaAs), 인듐-인 (InP), 갈륨-인 (GaP) 등의 Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체, 황화카드뮴 (CdS), 텔루르화아연 (ZnTe) 등의 Ⅱ-Ⅵ족, 황화연 (PbS) 등의 Ⅳ-Ⅵ족화합물반도체등이있다. 태양광발전에서의전력변환의효율성증대와하이브리드차나전기자동차에서의차량연비및제한된장착공간으로인해전력변환장치는경량화와고밀도화를요구한다. 실리콘기반반도체의신뢰성과효율성문제로인해차세대반도체소자로넓은에너지준위 (Wide Bandgap: WBG) 특성을가지는화합물반도체가부상하고있다. 현재상용화된대표적인 WBG 반도체로는탄화규소 (SiC) 반도체와질화갈륨 (GaN) 반도체가있다 [5]. [ 표 2] 와같이화합물기반소자는기존실리콘반도체밴드갭 (1.1eV) 에비해 3배의넓은밴드갭특성 (3.3~3.4eV) 을가지고있으며, 안정적인고온동작, 높은열전도율, 낮은저항과높은내전압특성으로전력스위칭시손실을저감하고, 빠른스위칭, 방열시스템부피축소등의장점을갖고있다. 그러나실리콘보다뛰어난기술적특성에도불구하고공정을구현하는것이어렵고비용이많이소요되는단점이있다 [6]. SiC는규소 (Si) 와탄소 (C) 로이루어진물질로매우강하고, 산에침식되지않아고전압 고내열등에너지를대폭절감할수있으며, 고출력 고효율의전력변환스위칭소자로우수한전기적특성을얻을수있어태양광인버터, 전기자동차, 모터드라이브분야에적용되고있다. 그러나관련장비와소재의제약으로본격적인상용화에는상당한시간이소요될것이다 [7]. [ 표 2] 전력반도체소재특성비교구분 실리콘 (Si) 탄화규소 (SiC) 질화갈륨 (GaN) 밴드갭 (ev) 1.1 3.3 3.4 Electron mobility(cm 2 /Vs) 1,350 700 1,500 임계전기특성 (MV/cm) 0.3 3.0 3.0 최대전압 (V) 1,700 3,000 3,000 최고온도 ( ) 175 600 200 특성 가격경쟁력, 공정호환성 고전압, 고내열우수 빠른스위칭속도 < 자료 > 문희성, 에너지효율혁신의중심에전력반도체가있다, LG Business Insight, 2015/ 산켄전기 4 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 GaN 소자는넓은밴드갭, 높은항복전압, 낮은온저항, 빠른스위칭속도의특성을가지고있어차세대화학물반도체플랫폼으로각광받고있다. 저전압응용분야에강점을가지고있어전원공급장치, IDC( 인터넷데이터센터 ), 전기자동차 / 하이브리드차에적용될전망이다 [8]. SiC와 GaN 등차세대전력반도체소자는여러장점을지니고있음에도불구하고낮은단락내량및오작동의위험성등기술적문제로인해제대로이용되지못하고있다. 앞으로기술적진전이이루어져난관이해결되면현재보다운전손실을줄이고, 부피를반이상축소할수있으며, 효율적이고고성능으로운전하면서전기소비를절감할수있다 [3]. 시장에서는 GaN보다 SiC가더선호되고있어 SiC 전력반도체는부분적으로상용화되어제품이판매되고있으나, GaN 기반전력반도체기술은초기단계로아직상용화가되어있지않다. SiC 전력반도체는고전력장비에, GaN 전력반도체는중, 저전력장비에사용될것으로전망된다 [9]. [ 표 3] 과같이기술발전단계를보면 MOSFET는쇠퇴하는반면, IGBT, SiC 소자, GaN 소자, 모듈 /IPM/ 파워IC는모두성장기에진입해있다 [5]. [ 표 3] 전력반도체 5 개분야기술성장단계분석 구분기술발전단계내용 MOSFET 소자 IGBT 소자 쇠퇴기 성장기 출원건수의증감이반복되면서성장세가둔화되고있어전반적으로성숙기에서쇠퇴기로접어들고있음 1990 년대부터상당한수의특허가출원되고다수의출원인이시장에참여하고있는등전통적시장의성격을띠고있음 SiC 소자성장기기술발전주기는성장기로나타나며, 출원동향을종합하면신흥시장으로파악 GaN 소자성장기기술발전주기는성장기로나타나며, 출원동향을종합하면신흥시장으로파악 모듈 /IPM/ 파워 IC 해외에서는미국과일본, 유럽등선진국기업들이 SiC 및 GaN 기반의전력반도체를개발중이 다. SiC 와 GaN 반도체의최종소비자 (End-User) 는태양광발전, 인버터, 무선충전, 데이터센터 등이될것이다. BMW, 포드, 닛산등글로벌자동차업계는신소재전력반도체를적용한전기자동 차를출시할계획이다. 성장기 < 자료 > KISTEP, 신산업창출파워반도체상용화사업, 2017. 1. 1990 년대부터특허가출원되고다수출원인이시장에참여하고있는등전통적시장의성격을띠고있음 Frost & Sullivan(2018.9.) 의전력반도체미래로드맵에따르면 2018 년고전압 GaN 반도체는 650V, SiC 반도체는 1,500V 를목표로개발중이고, 2019 년에는 SiC 및 GaN 반도체 SiP 모듈 개발에초점을맞출것이다. 2020 년에는중 고압응용분야전력반도체에서 SiC 및 GaN 반도체가 기존의실리콘반도체를대체하고, 2022 년에는전력반도체가기존의실리콘소재에서 SiC 및 GaN 정보통신기획평가원 5
소재로대다수대체될전망이다. 2023년에는화합물반도체를탑재한전기자동차와 5G 이동통신네트워크가정착될것이며, 수요급증에힘입어시장의주류로부상할것이다 [10]. IHS Technology(2018.4.) 에따르면전력공급, 태양광발전인버터, 하이브리드차및전기자동차의파워크레인의적용이크게증가하여차세대전력반도체시장은연평균 35% 성장하여 2020년에 10억달러에이르고, 2027년에는 100억달러를기록할것으로전망된다 [11]. Yole Development(2018.7.) 에따르면, SiC 전력반도체시장은 2017년부터 2023년까지연평균 29% 성장하여 2023년 14억달러에이르고, SiC 디바이스시장은연평균 50% 성장할것으로전망했다 [12]. Yole Development(2018.12.) 는 GaN 전력반도체시장이 2017~2023년연평균 55% 성장할것으로예측하였다 [13]. [ 표 4] 와같이차세대반도체의특허출원을살펴보면 SiC 반도체는 2015년 659건, 2016년 631건, 207년 612건, 2018년 491건으로조금씩감소하고있고, GaN 반도체특허출원도 2015 년 203건에서 2016년 193건, 2017년 249건, 2018년 117건을기록했다. 전반적으로 SiC 및 GaN 반도체의특허출원이해마다감소하는이유는이제개발이거의완료되어상용화단계에이르렀기때문이다 [10]. [ 표 4] SiC 및 GaN 반도체특허출원 2015~2018년현황 ( 단위 : 건 ) 구분 2015 2016 2017 2018 SiC 659 631 612 491 GaN 203 193 249 117 < 자료 > Frost & Sullivan, Breakthrough Innovations in Power Semiconductors, 2018. 9. III. 국내외업체들의개발동향 1. 국외업체 IHS에따르면전력반도체시장은 1위업체인인피니온, 2위업체인온세미컨덕터, 미쓰비시전기, ST마이크로일렉트로닉스, 비쉐이, 도시바, 후지전기, 르네사스, 세미크론, NXP 등이주요사업자로경쟁하고있다 [2]. [ 표 5] 와같이전력반도체시장을주도하는인피니온, 르네사스등선도업체들은주로 SiC 쇼트키장벽다이오드상용화, SiC-JFET, SiC MOSFET, SiC-SBD, SiC-컨버터, SiC 단결정이나파워 6 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 반도체, SiC IGBT, SiC 웨이퍼, SiC 인버터등을개발하여양산에진입하고있다. 지멘스, 파나소닉, 소니, 미쓰비시, 캐논은자발광디스플레이형광표시장치에고객의수요에부 응하기위해 SiC 및 GaN 반도체를통합하기위한시설을구비하고있다. [ 표 5] 국외차세대전력반도체개발동향 구분국가업체내용 탄화규소 (SiC) 독일스위스미국일본 Infineon STMicroelectronics Cree Fairchild Rutgus 大 GeneSic AIST 미쓰비시전기르네사스 Rohm 후지전기덴소산케전기도시바도요타자동차 - 300V, 600V, 1200V 급 SiC 쇼트키장벽다이오드상용화 - 역률보상 (PFC) 등산업용전원장치에적용 - SiC-JFET 제품내압 800~1200V 양산, SiC MOFET 제품화 - 2014 년 GaN 기반업체인미 IR(International Rectifier) 인수 - 2018 년 2 월 SiC 솔루션수요충족위해 1200V CooSiC MOSFET 출시 - 2018 년 11 월 Cold Split 기술업체 Siltectra 1 억 2,400 만유로에인수 - 웨이퍼의안정적수급위해 Cree 와웨이퍼장기공급계약체결 - SiC-SBD 및 SiC-MOSFET 개발, SiC- 컨버터및 SiC 모듈생산 - 스웨덴 SiC 업체 Nostel AB 의지분 55% 인수 - SiC 단결정, 에피및소자등의통합솔루션제공 - SiC 파워반도체분야세계 1 위, 대용량 SiC IGBT 개발착수 - 최초로 5 인치 SiC 웨이퍼생산, 6 인치 SiC 웨이퍼양산체제 - SiC MOSFET 소자 900V, 1200V, 1700V 라인파운드리서비스 - 2011 년인수한 TranSiC 사기술을바탕으로 SiC BJT 압력 1200V 판매 - 이온주입공정을이용하여 normally-on type 수직형 1700V 급 JFET 및 normally-off type 수평형 LJFET 소자를개발 - 실리콘카바이드기술의세계적선도업체 - SiC MOFET 제품화 - JFET 소자의단점인 normally on 특성을해결한 normally-off 특성의 SiC JFET 소자를이용하여같은성격의다른스위칭소자대비최저급 1.0mΩ 의낮은온저항 (Ron) 의 700V 급소자를에피성장공정과건식식각공정을이용하여이온주입없이개발에성공 - SiC 전력반도체인버터를개발해에너지 30% 절감및크기 65% 줄임 - SiC SBD 양산체제구비 - 6 인치 SiC 웨이퍼양산 - SiC-SBD, SiC MOSFET 탑재 SiC-IGBT 모듈개발 - SiC 전력반도체공장신규건설 - 6 인치 SiC 웨이퍼양산체제구비 - SiC-SBD 및 SiC-MOSFET 개발 - SiC-SBD 양산개시 - SiC-SBD 패키지라인확대 - SiC 전력반도체를이용하여하이브리드차용인버터 1/2 크기로구현 정보통신기획평가원 7
구분국가업체내용 독일 Infineon MicroGan - 제품사양 : 100V-600V - 300mm 웨이퍼이용한파워반도체 (CoolMOS) 생산, SiC 및 GaN 연구 - 파나소닉과제휴하여 Gan-on-Si 소자생산 - 2014 년 8 월 IR 사 30 억달러인수 - 제품사양 : 600V/30A( 트랜지스터 ), 600V/4A( 다이오드 ), 양산중 스위스 STMicroelectronics - 제품사양 : 650V/200A, 개발중 프랑스 Alcatel-Thales Ⅲ-Ⅴ Labs - GaN 반도체특성을이용하여극한환경에서동작하는센서소자를개발중 Efficient Power Conversion - 제품사양 : 40, 100V /2A-33A - egan FET 는 AC-DC 및 DC-DC 전력변환등에서실리콘기반파워 MOSFET 대체해양산중, 600V 개발중 질화갈륨 (GaN) 미국 International Rectifire(IR) Transphorm - 제품사양 : 30V/20A, 30A - GaN 트랜지스터채용한 DC-DC 컨버터용 MCM 출하 - 2014 년 8 월인피니언이인수 - 제품사양 : 600V/9, 17A - 2012 년전원 GaN 트랜지스터출하 - 2013 년후지쓰와사업통합 - 2015 년 GaN 트랜지스터양산 GaN Systems - 제품사양 : 100V, 650V/8.5~200A, 양산중 - 소비자, 데이터센터, 산업및수송용 GaN 트랜지스터공급 Analog Devices - 제품사양 : 광대역 6GHz 모듈 - 고성능 GaN 전력증폭기 Fairchild - BJT 및 MOSFET 연구 일본 파나소닉 Rohm - 제품사양 : 150V/13mΩ - 인피니언과제휴 600V 듀얼생산 - GaN Systems 와 GAN 사업제휴 POEDEC < 자료 > ETRI 기술경제연구본부, 2019. 3. - 제품사양 : 600V, 샘플출하중 GaN 반도체는유럽의인피니온, ST마이크로일렉트로닉스, MicroGaN, Alcatel-Thales Ⅲ-Ⅴ Labs, 미국의 Efficient Power Conversion, Transphorm, IR, GaN Systems, Analog Device, Fairchild, 일본의파나소닉과 POEDEC 등이개발하고있다. GaN 전력반도체소자시장은아직열리지않은초기단계이지만업체들은 GaN-on-Si 소자생산, GaN 센서소자, GaN DC-DC 컨버터용 MCM, GaN 트랜지스터, GaN 전력증폭기, GaN BJT, GaN MOSFET 등을개발하여생산하고있다. 인피니온은차세대전력반도체에서선도적위치를확보하기위해 SiC와 GaN 반도체기반의신 8 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 기술을개발하고있다. 2018년 2월 1200V CoolSiC MOSFET을출시했으며, 2B 전력모듈은전력밀도를높여시스템및운영비용을절감할수있다. IGBT에비해스위칭손실이 80% 나낮아 99% 이상인버터효율을기록한다 [14]. SiC 원자재의가격을낮춰경쟁력을강화하기위해 Cold Split 기술을개발한 Siltectra를 2018년 11월 1억 2,400만유로에인수하였다. Cree와웨이퍼장기공급계약을체결했으며, 차세대반도체소자관련스타트업들과유대를강화하고있다 [15]. ST마이크로일렉트로닉스는 SiC 반도체모듈을생산하고있는데이미테슬라모델 3에채택되었으며폭스바겐, 닛산, 르노등도이모듈을장착할예정이다. 반도체소재인 SiC 웨이퍼확보를위해스웨덴의 SiC 웨이퍼업체 Nostel AB의지분 55% 를인수했고, Cree의자회사울프스피드와 2억 5,000만달러의 SiC 장기구매계약을체결했다 [16]. 또한, 프랑스원자력청 (CEA) 산하전자정보기술연구소 (CEA-Leti) 와파워스위칭디바이스용 GaN-on-Si 기술을통해 ST마이크로일렉트로닉스는하이브리드차및전기자동차를위한온보드충전기, 무선충전, 서버등고효율, 고전력애플리케이션을지원하게된다 [17]. 로옴 (Rohm) 은 2018년 4월 SiC 전력반도체생산능력을확대하기위해신규공장을건설하고있다 [18]. 또한, 2018년 6월전력반도체업체인 GaN Systems와함께 GaN 사업을개시했다. GaN Systems는트랜지스터를제공하고, 로옴은전자부품설계 제조기술을제공하는등호환성이있는제품을제공해고객은 GaN 칩을안정적으로공급받을수있다 [19]. 도요타자동차는 SiC를이용한차세대전력반도체를이용하여 HEV용인버터를기존대비 1/2 이하의크기로구현한시제품을선보였다. 전력반도체를 SiC 기반으로교체하면연비가최대 10% 개선될수있으며, 2019년 SiC 전력반도체를탑재한전기차를출시할계획이다. 도요타는전기자동차판매가전체자동차시장에서 6~7% 점유할것으로예상되는 2025년이후 SiC 반도체시장이열릴것이며, 생산량이증가해시장이확대되고가격인하가단행될것으로예상하고있다 [20]. 2. 국내업체 국내전력반도체업계는기술수준이선진국업체에비해 50 70% 에불과해세계전력반도체시장의 1% 를점유하고있고, 국내수요의 95% 를해외업체들로부터의수입에의존하여무역적자를기록하고있다. 고집적 BMIC, 수소연료전지차용 PMU(Power Management Unit), Smart PFC, 오디오프로세서등은선진국에비해기술수준이 50% 에불과할정도로매우열악한편이다. 정부주도프로젝트는 SiC나 GaN, Wide Band gab 소자쪽에집중되어있다. GaN 소자연구로는 2000년대후반 WPM(World Premier Material) 대형과제로실리콘카바이드재료를개발하 정보통신기획평가원 9
는대과제가시작되었고, 삼성전자종합기술원, LG전자, 한국전자통신연구원 (ETRI) 등을중심으로개발이진행되었다. 산업통상자원부는 2017년부터 신사업창출전력반도체상용화사업 을시작하여차세대전력반도체기술개발및생산공정구축에주력하고있다 [21]. 2018년 2월에는반도체산업의글로벌경쟁력을유지하기위해 반도체산업발전전략 을발표했는데비전으로후발국과의 5년격차유지및선진국과의격차 5년극복을의미하는 GAP 5 전략 을제시했으며, 소재분야에서는 SiC, GaN, GST( 텔룰라이드 ) 등실리콘보다효율이높은신소재상용화기술연구등을통해경쟁력을확보할계획이다 [22]. 나노융합기술원은 2018년 11월 SiC 전력반도체기술사업화에착수하였다. 2020년까지 160억원을들여첨단기술사업화센터를구축하여전력반도체등미래스마트소자개발과제품화지원시설, 클린룸과국내외연구기관, KOLAS센터 ( 국제공인시험인증센터 ), 첨단기업입주공간을구비할계획이다 [23]. [ 표 6] 국내차세대전력반도체개발동향 구분업체 / 기관내용 탄화규소 (SiC) 메이플 LG 이노텍 포스코 전기연구원 아이에이 예스티 광전자 파워테크닉스 현대자동차 - 전기연구원으로부터 SiC 전력반도체기술을이전받음 - SiC SBD 상용화추진 - 1700V 급 SiC SBD 개발 - 자동차용 SiC 파워반도체협력체계 - SiC 에피 - 웨이퍼양산계획발표 - SiC 웨이퍼개발중 - 2014 년 1200V 급 SiC MOSFET 기반기술확보 - 1700V 급 SiC 다이오드개발 - 2016 년고효율신소재 SiC 전력반도체국산화 - SiC 기반전력반도체상용화를위한샘플을개발하는데성공하여현재관련시험평가를수행하며, 공정수율및웨이퍼품질향상문제가해결되는 2020 년양산계획 - 2018 년 8 월 SiC 전력반도체를생산하는예스파워테크닉스를관계사로편입시킴 - SiC 전력반도체의기본원자재인에피웨이퍼개발업체와공동프로젝트진행 - 2017 년부터광운대 전기연구원 아이언디바이스등과컨소시엄을형성하여 SiC MOSFET 소자를개발중인데, 6 인치팹을기반으로전기차및신재생에너지용 1200V 급트렌치형 SiC MOSFET 상용화추진중 - 전기연구원으로부터기술을이전받아 2018 년 7 월부터 SiC 전력반도체본격양산을개시했으며, SiC Diode, MOSFET 제품라인업구축완료 - 2018 년 7 월인피니언에의존해온전력반도체를자체개발하기로결정하고, 파운드리업체에서위탁생산한 SiC 전력반도체를출시될전기차에탑재할예정 10 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 구분업체 / 기관내용 질화갈륨 (GaN) 경북대 서울대 ETRI - 2 GHz의동작주파수에서 15.6W 를출력하는 GaN HEMT 개발 - Gan-on-Si 기술에기반한 MOSFET 개발 - AlGaN/GaN 이종접합구조를기반으로 s-band 용 40W 급 GaN HEMT 소자및고출력전력증폭기 (SSPA) 개발, 선박용디지털레이더개발 [ 표 6] 과같이국내에서는 LG 이노텍, 포스코등이 SiC 웨이퍼를개발중이며, 전기연구원등 출연연을중심으로고온 고에너지이온주입장비를구축하여기업, 연구소, 대학의 SiC 전력반도체 연구개발을지원하는등기본적인 R&D 인프라를구축하고있다. SiC 소재는포스코와 SK 실트론등이정부과제로개발을수행하고있으나이직상용화한업체는 없다. 포스코는 2021 년상용화및 80% 수율을목표로 SiC 소재개발을진행하고있다 [16]. 한국전기연구원은 2015 년 12 월고효율신소재 SiC 전력반도체를개발했다. 열이거의발생하지 않고, 같은두께의실리콘대비약 10 배의전압을견뎌내전기저항이줄어전력손실이거의없어, 전기자동차에적용하면배터리의전력소모를덜고차체의무게와부피를줄여최대 10% 의에너지 효율을개선할수있다 [24]. 파워테크닉스는전기연구원으로부터기술을이전받아 2018 년 7 월부터 SiC Diode MOSFET 제품라인업구축을완료했다. 2018 년웨이퍼기준월 300 매생산을목표로가동을시작하여 2019 년에는월 550 매로확대할계획이다. 앞으로안정적매출을확보하고핵심장비증설을통해 2020 년이후에는 1,500 매이상을생산할예정이다 [25]. 열제어장비업체인예스티는빠르게성장하고있는 SiC 전력반도체사업에진출하여 2018 년 8 월 SiC 전력반도체를양산하는예스파워테크닉스에 70 억원을투자하고관계사로편입시켰다. 또한, 기본원자재인 SiC 에피웨이퍼를개발하고있는업체와공동으로국산화프로젝트를진행하 고있다 [26]. 아이브웍스 < 자료 > ETRI 기술경제연구본부, 2019. 3. 현대자동차는 2018 년 7 월독일인피니언에 100% 의존해온전기차용전력반도체를독자적으로 개발하기로결정했다. 현대자동차는 SiC 기반전력반도체양산준비를위해협력업체와파운드리 계약을맺었다. 판매가급격히증가하고있는전기자동차의차세대시장주도권확보를위해서는 자체적인전력반도체기술확보가시급하기때문에도요타모델을참고하여자체개발하는것이다. 도요타자동차는전력반도체를독자적으로개발하여생산한전력반도체를자사전기자동차내부인 버터모듈시스템에탑재할방침이다 [27]. - 2018 년 2 월차세대전력반도체의핵심인 GaN 실리콘에피웨이퍼와 4 인치 SiC 에피웨이퍼국산화에성공 정보통신기획평가원 11
광전자는 2017년 11월전기연구원 광운대 아이언디바이스등과산 학 연컨소시엄을구성하여산업통상자원부소재부품미래성장동력사업에참여하여 SiC MOSFET 소자개발에착수했다. SiC MOSFET는전기자동차와태양광발전기등대용량전력소비기기의소형화 경량화에기여할수있다. 현재미국 일본 독일등선진국일부업체에서만개발하고있으며국내는전량수입에의존하고있다 [28]. 아이에이는 2018년 SiC 기반의전력반도체상용화를위한샘플을개발하는데성공하여 2020년부터양산할예정이다. SiC를기반으로실리콘보다저항은 10배작고강도와열전도율은 3배이상높다. 또에너지손실은실리콘에비해 10% 에불과하며, 섭씨 200도이상고온에서구동할수있다 [29]. GaN 전력반도체는경북대, 서울대, ETRI, 아이브웍스등이개발하고있다. 경북대는 2GHz의동작주파수에서 15.6W를출력하는 GaN HEMT를개발했고, 서울대는 Gan-on-Si 기술에기반한 MOSFET를개발했다. 업체들은자율주행차에사용되는핵심소자인 GaN 실리콘에피웨이퍼와 GaN SiC 에피웨이퍼를국산화해서 2019년부터양산에들어갈계획이다. ETRI 반도체실험실은 2013년 11월반도체소자인 GaN을이용하여크기는줄어들고효율은높인고출력전력증폭기 (SSPA) 개발에성공했다. 2013년 7월에는현대중공업과공동으로 GaN 기반전력증폭기를이용하여 선박용디지털레이더 개발에성공했다. 해상도가기존제품보다 2배이상뛰어나악천후속에서도 10km 밖에있는 70cm 정도의소형물체까지탐지할수있다. 2017년에는세계최초로 6인치일괄공정을사용하여전력반도체소자를개발하는데성공했다 [30]. 아이브이웍스는 2018년 2월국내최초로차세대반도체의핵심소자인 8인치 GaN 실리콘에피웨이퍼와 4인치 GaN 에피웨이퍼국산화에성공했다. GaN 에피웨이퍼는타소재제품에비해고효율전력변환이가능하다. 이를기반으로전력소자용 (DC) 전력반도체나통신소자용 (RF) 전력반도체를생산할수있으며, 자율주행차센서, 전기자동차전원공급기, 방산용레이더, 5G 이동통신전력증폭기에사용된다 [31]. IV. 시사점 차세대전력반도체산업의발전을위해서는첫째, 정부주도의대규모프로젝트추진이필요하다. 기존의실리콘소자를대체할 SiC 및 GaN 기반차세대화합물반도체에대해미국, 일본, 유럽 등은정부주도프로젝트를통해반도체업체들과개발에착수하여상당한진전을이루고있다. 12 www.iitp.kr
기획시리즈 차세대디바이스 국내에서는 2000년대초반부터관련기술을개발하기시작했으나정부지원이지속적으로이루어지지못해커다란진전을보지못했다. 선진국들에대한기술종속으로부터탈피하고새로운고부가가치시장선점을위해서는기술주도권을확보해야가격과품질면에서우위를점할수있다. 이를위해서는정부의장기적이고꾸준한연구개발투자가필요하다 [32]. 둘째, 산 학 연연계로전문인력양성이필요하다. 최근들어, 국내기업들이전력반도체양산을시도하고있으나, 전문인력이부족하여산업발전에장애물로작용하고있다. 전력반도체시장의신뢰성요구수준이높아오랜경험을갖춘기술역량을확보하지못하면시장진입이어렵다. 특히, SiC 및 GaN 등차세대전력반도체분야는국내연구기반이매우취약하여제대로된전문인력이배출되지못하고있다. 앞으로차세대반도체산업이성장하기위해서는제품을자체설계 생산할전문인력을산 학 연연계로양성해야한다. 셋째, 조화로운산업생태계를조성해야한다. 차세대반도체는기술개발에장기간의시간과기술축적이필요하여중소기업이진입하기가매우어렵다. 단기상용화보다장기적안목의원천기술확보에투자를늘리고초기부터기업간생태계구축전략에초점을맞춰야한다. 이를위해산 관 학의역할분담과체계적인 R&D 체계정립이필요하다. [ 참고문헌 ] [1] 헤럴드경제, 4차산업혁명핵심부품 전력반도체, 반도체코리아는?, 2018. 3. 24. [2] 디지털데일리, 4차산업혁명 쌀 로뜨는전력반도체, 성장잠재력확대, 2017. 6. 16. [3] 지식산업정보원, 전력반도체기술 / 시장전망및에너지신산업분야별실태분석, 2017. 5, pp.266-267. [4] 문희성, 에너지효율혁신의중심에전력반도체가있다, LG Business Insight, 2015. [5] 한국과학기술기획평가원, 신산업창출파워반도체상용화사업, 2017. 1, pp.98-100. [6] 키뉴스, 2025년 SiC 반도체시장개화, 시장진출준비해야, 2017. 12. 12. [7] 산업일보, 전력반도체, 4차산업혁명의핵심부품으로떠올라, 산업일보, 2017. 12. 22. [8] 한국과학기술기획평가원, 신산업창출파워반도체상용화사업, 2017. 1, pp.98. [9] 쉐어와이즈, 차세대기술전력반도체에주목하라, 2018. 3. 23. [10] Frost & Sullivan, Breakthrough Innovations in Power Semiconductors, 2018. 9. [11] IHS Technology, SiC & GaN Power Semiconductor 2018 Report, 2018. 4. 17. [12] Semiconductor Today, SiC power semiconductor market growing at 29% CAGR to $1.4bn in 2023, aided by adoption in automotive applications, 2018. 7. 9. [13] Semiconductor Today, GaN market growing at CAGR of 55%to 2023, driven power supply segment, or 93% if adopted for wireless charging in consumer electronics, 2019. 1. 3. [14] 아시아투데이, 인피니언, CoolSiC 모스펫전력모듈출시, 2018. 2. 11. [15] 헬로디디, 인피니언, 전력반도체신기술개발과제조시설확충에적극투자, 2019. 1. 3. [16] 전자신문, 차세대반도체소재 SiC 선점경쟁, 2019. 3. 10. 정보통신기획평가원 13
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