글로벌 전력 반도체 시장이 530억달러 규모로 성장할 것으로 전망되며 화합물 기반 전력반도체 부문에서 기술 경쟁이 심화하고 있다. 실리콘(Si)을 넘어서 실리콘카바이드(SiC)부터 질화갈륨(GaN)과 갈륨옥사이드(Ga2O3)에 이르기까지 다양한 소재가 차세대 전력 반도체 시장을 점유할 것으로 보이는 가운데 관련 기술과 전망을 공유하는 자리가 마련됐다.
 
ele4에서 주최한 ‘2022 전력반도체 기술 세미나’가 지난 19일 서울 삼성동 코엑스(COEX) 컨퍼런스룸에서 진행됐다.
 
이날 세미나에는 전력반도체 시장 및 기술 동향을 살펴보고 차세대 반도체로 부상하는 SiC·GaN 반도체에 대한 인사이트를 제공하는 세션들로 구성됐다.
 
차호영 홍익대 전자전기공학부 교수는 ‘디지털 그린뉴딜을 위한 전력반도체 시장 및 기술 동향’ 발표에서 “디지털 그린뉴딜을 위해선 이산화탄소·소비전력 절감 및 에너지 효율의 극대화가 필요하다”며 “전기차 및 신재생 에너지 분야에서 전력반도체는 핵심 부품이다”라고 강조했다.
 
국내 SiC 전력반도체 부문은 글로벌 추세에 비해 기술력과 생산규모가 떨어져 3년 정도 뒤쳐져 있다고 평가하는 차 교수는 “전력 반도체 시장은 인피니언, ST, 온세미 등 메이저 업체가 있지만 시장 독식 형태는 아니며 IGBT만 해도 200종이 넘는 종류가 있어 전력반도체 시장에서 굉장히 많은 업체들이 시장을 나눠가지고 있다”며 “국내 생태계에서 중소·중견기업이 진입하는 게 적절할 것”이라고 주장했다.
 
해결과제 있어서 차 교수는 “GaN이 수직형으로 가면 좋은데 그러려면 기판도 GaN이여야 하며 이 부분이 기술적 난제”라면서 “다음 세대에 갈륨옥사이드(Ga2O3)는 소재면에서는 우수하다”고 평가했다. Ga2O3는 SiC나 GaN보다 3배 더 큰 Breakdown field를 갖는 산화물 반도체로서 전력반도체 시장에서 주목받고 있는 소재이다. Ga2O3에서 P형 반도체 제조에 어려워 관련 연구·개발이 활발하게 진행되고 있으나 상용화 여부에 대해서 차 교수는 물음표를 던졌다.
 
그는 SiC·GaN 소재 반도체가 확대될 것이라고 전망하며 “SiC는 EV에 주로 쓰이며 전동차·에너지 분야에서도 사용되고 있다. GaN은 급속 충전기 시장에 주로 사용되고 있다”고 설명했다.
 
이어진 세션에서 김효수 로옴 세미컨덕터 코리아 수석연구원은 “전체 SiC 디바이스에서 차량용이 차지하는 비중이 가장 높다”고 밝혔다. 2021년 결산 기준 SiC 소자 시장은 자동차 분야와 산업기기 분야에서 전체 SiC 디바이스의 60% 이상 매출을 차지했다.
 
차량용 애플리케이션을 보면 △OBC △DCDC △메인 인버터 등에 적용되고 있으며 산업기기 분야에서는 △인덕션 히터 △배터리 충·방전 테스트 장비 등에 적용돼 있다고 설명했다. 이외에 “에너지 분야에 PV 인버터나 정보통신 분야에서 서버 및 기지국 타워에 들어가는 디바이스에 사용하고 있다”고 덧붙였다.
'GaN 소자 기술 및 시장동향‘을 발표한 이형석 한국전자통신연구원(ETRI) 박사는 전력 소모량 1%의 경제적 가치를 주지시켰다. 한국의 경우 이 1%는 4조원의 가치를 가지고 있으며 에너지 효율을 향상 시켜 가전 등급을 2등급에서 1등급으로 만들었을 때 약 8320GWh를 절약할 수 있다고 강조했다. 이는 화력발전소 3기가 1년간 생산하는 전력량에 맞먹는다는 설명이다.
 
이 박사는 GaN 반도체는 고속화·소형화에 장점이 있으며 재료적 측면에서 Si·SiC 대비 우수한 FOM을 가지며 기술적 측면에서는 빠른 스위칭 성능으로 높은 전력 변환 효율 향상 및 소형화가 가능하다고 언급했다. 고전력 소자(SBD, FET) 및 광소자(LED)에 응용 가능하며 스마트폰, PC 등 낮은 전력 디지털 전자제품뿐 아니라 극한 환경에서도 잘 견뎌 우주산업에서의 활용성도 기대된다고 덧붙였다.
 
기술적 해결 과제에 있어서 이 박사는 GaN 전력 반도체의 방열 이슈를 강조했다. 그는 “온도가 실리콘 기판의 경우 200~300℃까지 올라가는데 SiC는 이보다 낮은 150℃이며 다이아몬드는 70℃까지 상승해 비교군에서 다이아몬드 기판이 3배 이상 방열성능이 좋다”고 평가했다. 미래 GaN 기술에서 향후 기판 가격만 잡을 수 있다면 다이아몬드 기판이 전력 반도체용으로 사용할 수 있다고 설명했다. 이외에도 △8인치 대면적 기판 △고전압 수직형 GaN 등의 기술 동향에 관해 발표했다.
 
이날 행사에는 김동수 (주)아이큐랩 부사장, 안병남 TI코리아 이사, 김성윤 바이코 차장이 참석해 전력반도체 기술 세미나를 진행했다.
 
한편, 오는 10일 채널5코리아 주최로 2022 e4ds 반도체 트렌드 데이가 코엑스(COEX)에서 진행된다. GaN·SiC·차량용 반도체 최신 동향을 다룬 세션과 더불어 오프라인 특별세션으로 황철성 서울대학교 석좌교수의 ‘차세대 메모리의 발전방향과 소재동향-3D적층 DRAM 기술’ 세미나가 마련돼 있다.
 
자세한 사항은 e4ds news 홈페이지 (https://www.e4ds.com/seminar_introduce.asp?idx=131)에서 확인할 수 있다.