차세대 전력 반도체, SiC 및 GaN 등 WBG 주목
SiC, 전기차·태양광 등 친환경 에너지 활용에 적합
韓, 전력 반도체 90% 해외 의존 "설계 R&D 절실"


전력 반도체는 전기를 활용하기 위해 직류(DC) 및 교류(AC) 변환, 전압 및 주파수 조정 등 전력의 변환, 변압, 안정, 분배, 제어를 수행하는 반도체다.

최근 세계 주요국의 디지털 및 친환경 정책의 가속으로 Si(규소; 실리콘) 대비 전력 효율과 내구성이 높은 SiC(탄화규소; 실리콘카바이드), GaN(질화갈륨; 갈륨나이트라이드) 등 화합물 기반 전력 반도체 시장이 새롭게 떠오르고 있다.

SiC 반도체는 Si 대비 10배 높은 전압 내구성, 30% 작은 전력 손실 특성으로 전기차, 태양광 인버터 등에 적합하며, GaN 반도체는 Si 대비 스위칭 속도가 빠른 동시에 소형화에 용이하여 고속 무선 충전, 무선 통신 등에 활용이 기대된다.

옴디아에 따르면, 소자, 전력 IC, 모듈을 모두 포함하는 전 세계 전력 반도체 시장 규모는 2019년 약 450억 달러에서 2023년 약 530억 달러 규모로 성장할 전망이다. 또한 차세대 전력 반도체에 사용되는 SiC 웨이퍼 개수가 2019년 21만8천 장에서 2027년 69만3천 장으로 3배 이상 늘어날 것으로 보인다.

◇ 화합물 기반 전력 반도체 육성 정책 전개하는 각국

미국 에너지부는 SiC, GaN 등 화합물을 기반으로 하는 와이드밴드갭(WBG) 반도체를 개발하는 ‘파워 아메리카 사업’을 지난 2014년부터 추진 중이다.

중국은 올해 양회에서 화합물 반도체를 7대 첨단 과학기술에 포함해 자립화한다는 계획을 발표했다. 일본 역시 2014년부터 추진 중인 ‘전략적 이노베이션 창조 프로그램’의 일환으로 WBG 기반 웨이퍼 소재, 전력 반도체 소자와 모듈, 그리고 응용기술을 개발하는 ‘차세대 파워일렉트로닉스 사업’을 시작했다.

우리 정부도 2017년부터 2023년까지 총 830억 원 규모의 ‘파워반도체 상용화 사업’을 추진하고 있다. 이에 2019년, 부산 기장군에 6인치 SiC 시제품 제작이 가능한 ‘부산 파워반도체 상용화센터’가 개소했다.

현재도 전력 반도체 신뢰성 평가 인증센터(2019~22년), 차세대 전력 반도체 소자 제조 전문 인력 양성(2020~24년) 등 성장 기반 지원이 진행 중인데, 업계에선 설계 및 공정 개발을 위한 전력 반도체 R&D 사업 신규 과제 마련이 시급하단 목소리를 내고 있다.

◇ 韓 전력 반도체, 화합물 기반 시장에서 주도권 잡아야

국내 전력 반도체 시장은 약 20억 달러 규모로, 기술력 부족과 해외 기업의 특허 선점으로 수요의 90% 이상을 수입에 의존하고 있다.

소자의 경우, 국내 기업의 생산 규모 및 기술력이 글로벌 대비 부족한 실정이며, 모듈 기업은 소자 기업과의 연계 부족으로 수입 소자를 탑재하는 상황이다. 반면, 전력 IC의 경우 국내 팹리스 기업을 중심으로 PMIC 등이 개발되고 있다.

최근 국내 주요 기업들은 SiC, GaN 등 차세대 전력 반도체의 성장 가능성에 주목하고, 관련 투자를 확대 중이다. SK실트론은 지난 2019년, 미국 듀폰 사의 SiC 웨이퍼 사업부를 4억5천만 달러에 인수했고, SK는 국내 업체인 예스파워테크닉스에 268억 원을 투자, 지분 33.6%를 인수하고 협력관계를 맺었다.

반도체산업협회(KSIA) 관계자는 디지털 및 친환경 정책을 포괄하는 한국형 뉴딜의 성공을 위해서라도 화합물 기반 차세대 전력 반도체 시장에 도전하기 위해 지금이 민관 공동 노력이 필요한 시점이라 밝혔다. 또한, 해당 기술력 확보를 위한 신규 R&D를 적기에 추진할 필요가 있다고 조언했다.