산화 갈륨, 2025년이면 GaN 전력 반도체 앞지른다

자동차용 전력 반도체, 파워 트레인이 47% 차지
  • 2017-06-07
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr


전력 반도체 시장 규모가 더욱 커질 것이라는 전망이 나오고 있다. 올초에 IHS 마킷은 자동차용 전력 반도체 전망을, 최근에는 후지경제가 SiC/GaN 전력 반도체 전망을 내놓았다. 

5월 1일, 삼성전자는 국토교통부로부터 자율주행 자동차의 임시운행 허가를 받았다. 2016년 현대자동차를 시작으로 서울대학교, KAIST, 네이버랩스, 만도 등에 이서 8번째로 허가를 따낸 삼성전자의 종합기술원이 개발 중인 자율주행 자동차는 딥 러닝(Deep Learning) 기반의 시스템이 적용되어 있으며, 라이다(LIDAR), 레이더(RADAR), 카메라 등 다양한 센서를 장착했다.

삼성전자 측은 관련 기술 적용을 위한 선행 연구의 일환이라고 밝혔으나, 하만 인수에 이어 2017년 4월 이스라엘 스마트카 반도체 회사인 발렌스(Valens)‘에 6,000만 달러(약 679억 원) 규모의 공동 투자를 집행하기도 했다. SK하이닉스도 2016년 9월에 오토모티브팀을 신설해 ADAS와 자율주행 관련한 메모리 반도체 사업을 확대해 나가고 있다.

한편, 애플도 4월에 자율주행 자동차 사업을 공식화하고 미국 캘리포니아주 자동차국(DMV)으로부터 자율주행 자동차 테스트 허가를 받았다. 또한 애플은 그동안 외부에서 공급받아 온 전력 관리용 반도체를 자체 개발 중인 것으로 알려지고 있다. 애플의 전력관리칩(PMIC)이 차세대 아이폰에 탑재될 것이라는 내용이 외신 보도의 주를 이루고 있지만, 전력관리칩 자체가 자율주행 자동차에도 필수적인 부품이기 때문에, 자율주행 자동차 사업을 공식화한 만큼, 관련 분야로의 진출도 예상되고 있다. 


▲ 그림 1. 현대차그룹은 2월에 미래 자동차의 핵심 영역인 자율주행차 연구개발을 전담하는 지능형안전기술센터를 신설하고 최고 전문가를 영입하는 등 관련 투자를 아끼지 않고 있다. 〈출처: 현대자동차그룹〉

자동차용 전력 반도체 2022년 85억 달러 

이와 관련해 하이브리드 자동차, 전기차, 자율주행 자동차 등과 관련한 부품의 전력화(Electrification) 증가 추세는 전력 반도체 시장에 활력이 되고 있다는 분석이 나왔다. IHS 마킷(IHS Markit)은 자동차 및 경차에 사용되는 전력 반도체 시장이 향후 6년간 30억 달러 이상 성장할 것이라고 분석했다. IHS 마킷은 ‘2017 자동차용 전력 반도체’라는 보고서를 통해 전력 반도체 시장이 2016년 55억 달러에서 2022년 85억 달러로 예측기간 동안 7.5%의 성장률을 보일 것으로 전망했다.

IHS 마킷의 리차드 에덴(Richard Eden) 전력 반도체 선임 분석가는 “통상적인 자동차와 하이브리드 및 전기 자동차와 같은 특별한 자동차에서의 전력화 증가는 자동차용 전력 반도체 시장에 활력을 불어 넣고 있다”고 분석했다. 에덴 선임 분석가는 “스마트폰과 태블릿을 통해 연결된 상태는 현대화된 삶의 모습이며, 오늘날의 운전자는 블루투스, 셀룰러 기술 그리고 다른 텔레매틱스 기능을 선택하고 있다”며 “업계에서는 이러한 모든 기능을 통해 전력 반도체가 자동차에서 전력을 분배하고 제어하기를 요구하고 있다”고 말했다.


▲ 그림 2. 자율주행 자동차 실현에 있어 V2X 기반의 플래투닝 시스템은 전력 반도체 증가에도 기여할 것으로 보인다. 사진은 NXP반도체의 트럭 플래툰 가상도 〈출처: NXP반도체〉

또한 전력 반도체의 증가에 기여하고 있는 요인으로 향후 10년간 자율주행, 친환경 및 커넥티드 카를 제공하는 자동차 산업의 사명을 꼽았다. IHS 마킷은 자율주행 자동차를 적용할 수 있는 도로 시스템의 현실화를 위해서는 AEB(Automatic Emergency Braking)과 플래투닝(Platooning: 군집 주행)과 같은 안전 시스템이 필수적이라고 말했다. 또한 보다 효율적인 연료 시스템, 전기차의 높은 비중, 향상된 배출 가스 수준을 요구하는 자동차 당 더 많은 전자 부품의 필요성 등의 요인으로 더 많은 전력 반도체가 필요해질 것으로 분석된다. 

또한 IHS 마킷은 2015년 기준으로 파워 트레인이 자동차용 전력 반도체 시장에서 47%를 차지했다고 밝혔다. 또한 향후 수년 내에 하이브리드 및 전기 자동차 판매 증가는 전력 반도체 판매의 원동력이 됨에 따라 2015년부터 2022년까지 9.6%의 성장률을 보이며, 파워 트레인이 전체 전력 반도체 시장에서 차지하는 비중은 54%로 7% 증가할 전망이다.

파워 트레인 전력 반도체의 대다수를 차지하고 있는 디스크리트 IGBT 전력 트랜지스터는 모듈로 통합되는 추세가 증가함에 따라 앞으로는 IGBT 전력 모듈 판매의 성장율이 빠르게 증가할 것으로 전망된다. 

또한 IHS는 파워 트레인에 이어 섀시(Chassis)와 안전 부문이 2015년 차량용 전력 반도체에서 24%를 차지하며 두 번째로 중요한 부분이라고 분석했다. 파워 트레인과는 달리 섀시 및 안전 부문은 2015년부터 2022년까지 3.1%의 성장률을 보일 것으로 전망된다.

섀시 및 안전 부문에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것은 전동식 조향장치, 안티 록 제동 시스템, 전자식 주행 안정화 컨트롤(ESC), 에어백, 타이어 압력 모니터링과 같은 애플리케이션이다. 

2015년 자동차용 전력 반도체 부문에서 차체와 편의성은 14%, 인포테인먼트는 11%에 그쳤다. 이 두 부문은 2015년부터 2022년까지 4~5%의 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 2015년 기준으로 가장 적은 비중을 차지하고 있는 것은 ADAS로 5%에 불과하다. 하지만 ADAS는 2015년부터 2022년까지 16%의 성장률을 보이며, 5개 부문(파워 트레인, 섀시와 안전, 차체와 편의성, 인포테인먼트, ADAS) 중 가장 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 또한 ADAS는 센서, 카메라, 상호 연결 시스템(Interconnectivity System)를 급격히 증가시킬 것으로 전망됨에 따라, 모든 전력 제어 회로에는 전력 반도체가 필요하게 될 것이다.

GaN 전력 반도체 빠르게 성장 중

한편 후지경제는 ‘2025년 차세대 전력 반도체 시장 전망’을 통해 SiC(Silicon Carbide), 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride: GaN) 모두 견조하게 성장할 것이라고 예측했다. 후지경제는 2025년 SiC 전력 반도체 세계 시장을 1,410억 엔(약 1조 4,120억 원)으로 2016년 대비 6.9배, GaN 전력 반도체는 450억 엔(약 4,506억 원)으로 2016년 대비 32.1배 성장한다고 분석했다.

 

특히 SiC-SBD(Schottky Barrier Diode)는 2016년 이후 제품 라인업이 증가함에 따라 시장 규모 170억 엔(약 1,707억 원)을 기록했다. SiC-FET는 DC-DC 컨버터와 인버터, 태양광 발전 시스템의 파워 컨디셔너 등의 분야에서 채용이 진행되면서 2016년 35억 엔(약 351억 원)의 시장 규모를 형성했다. 

2016년 기준으로 SiC는 서버 전원, UPS(무정전 전원 장치), 스토리지 등의 PFC 회로 등 정보 통신 기기 분야에서 수요가 컸다. 그 뒤로는 태양광 발전 시스템의 파워 컨디셔너 등 신 에너지 분야였다. 하지만 앞으로는 자동차 및 전장 분야에서 SiC 채용이 빠르게 진행될 것으로 전망되고 있다. 특히 급속 충전 스탠드, 차량용 온보드 충전기에 대한 수요 증가가 예상되고 있는데, SiC를 채용한 구동용 인버터는 현재 검증이 진행되고 있어 2020년 이후에는 실제 자동차에 탑재가 활발해질 것으로 예측된다. 

▲ 그림 3. 2015년 도요타는 캄리 하이프리드 프로토타입에 SiC 전력 반도체(트랜지스터, 다이오드)를 탑재 후 테스트했다. 〈출처: 도요타〉

 

아울러 후지경제는 6인치 SiC 웨이퍼 생산이 본격화되고 있어 생산 효율이 향상되고 저가격화가 더욱 가속화될 것으로 보았다. 이와 함께 SiC 전력 반도체 양산을 위한 설비투자가 2017~2018년에 걸쳐 진행되어 관련 제조 장비 시장 역시 확대될 전망이다.  

한편 GaN 전력 반도체 시장은 SiC에 비해 규모가 크지 않다. 200V 등 저전압 영역을 중심으로 시장이 편성되어 왔지만, 600V 등으로 적용 분야가 확대되면서 2016년 14억 엔(약 140억 원)의 시장 규모를 형성했는데, 향후에는 더 높은 내압을 갖춘 제품의 개발로 시장 활성화가 기대된다.

 

 

GaN 전력 반도체에서는 정보 통신 기기 및 신 에너지에 대한 수요가 큰 편이며, 가전에서는 오디오 파워 앰프 등에서 활용되고 있다. 하지만 향후에는 PC, TV 등의 AC 어댑터, 에어컨 등의 백색 가전의 모터 구동용 전원 회로, LED 구동 회로, 무선 전력 등에서의 채용이 기대되고 있다.

일례로 다이얼로그 반도체(Dialog Semiconductor)는 2016년 8월. GaN 전력 IC(SmartGaN DA8801)를 발표했는데, 주변 아날로그 로직을 하나의 칩에 집적했다. 특히 GaN 전력 스위치(GaN FET)와 게이트 드라이버, 레벨 시프터를 하나의 패키지에 집적했는데, 당시 이렇게 집적한 제품을 내놓는 곳은 텍사스 인스트루먼트뿐이었다.

하지만 당시 TI의 제품은 GaN을 사용하고 있는 부분은 파워 스위치뿐이었으며, 그 외의 게이트 드라이버 등은 실리콘을 사용했다. 반면 다이얼로그 반도체에서 개발한 제품은 GaN 전력 스위치와 여러 실리콘 IC를 실리콘을 사용하지 않고 하나의 패키지에 탑재했다. 다이얼로그 반도체는 DA8801을 통해 AC 어댑터의 크기와 전력 손실을 과거보다 50% 줄일 수 있으며, 25W AC 어댑터에서 94% 이상의 높은 효율을 달성할 수 있다고 밝혔다. 

다이얼로그 반도체는 급속 충전 어댑터용 컨트롤러 IC 시장에서 약 70%의 점유율을 보이고 있다. 하지만 최근 다이얼로그 반도체는 또다른 미래를 준비해야 하는 상황이다. 애플이 아이폰용 전력관리 반도체 칩을 개발 중이라는 소식이 2016년 매출 중 75%가 애플에 공급한 반도체에서 발생하고 있는 다이얼로그 반도체로서는 위기로 작용하고 있어서다. 독일의 방크하우스 람페 은행(Bankhaus Lampe)는 애플이 최근 몇 달 간 전력관리 칩 관련 기술자를 고용했으며, 독일 뮌헨과 미국 캘리포니아에 전력관리 설계 센터를 설립하고 이르면 2019년부터 자체 칩을 탑재할 계획을 갖고 있다고 밝혔다. 

▲ 그림 4. 다이얼로그 세미컨덕터가 2016년에 출시한 GaN 전력 IC 〈출처: 다이얼로그 세미컨덕터〉


2025년, 산화 갈륨이 GaN을 대체한다  

SiC와 GaN에 대한 연구가 진행되고 있는 가운데 또 다른 차세대 전력 반도체로 부상하고 있는 것이 바로 산화 갈륨(Ga2O3)이다. 산화 갈륨은 밴드 갭이 크고 고품질의 대형 단결정 기판을 저렴하게 제조할 수 있어 차세대 전력 반도체 재료로 떠오르고 있다. 실용화될 경우 6,000V의 매우 높은 내압과 낮은 손실을 겸비한 다이오드와 트랜지스터를 실현할 수 있을 것으로 보인다. 또한 전기 자동차와 기차의 전원 송전 계통 시스템의 설계에도 응용이 가능하다. 이와 관련해 NICT가 2015년 10월, 산화 갈륨을 이용한 에피 웨이퍼(Epi Wafer) 개발에 성공했다고 밝힌 바 있다.

전력 기기용 에피 웨이퍼는 에피 표면의 평탄과 낮은 캐리어 농도 영역에서 농도의 제어가 필요하다. NICT 연구팀은 에피 증착 방법으로 오존 MBE 방식을 사용했는데, 이를 통해 1 nm 이하의 표면 거칠기와 1016 cm-3 대의 낮은 캐리어 농도 영역에서 제어가 가능하게 됐다.

 

후지경제는 산화 갈륨 전력 반도체가 2018년부터 양산이 시작돼 2020년 시장 규모 10억 엔(약 100억 원)에 이를 것으로 전망했다. 또한 2025년에는 700억 엔(약 7,031억 원)의 시장 규모를 보여 GaN 전력 반도체 시장(450억 엔(약 4,520억 원))을 앞설 것이라고 분석했다. 이는 600V 이상의 중고내압용으로 채용 시 이점이 크고, 철도와 전력의 구리 전선 등 인프라, 초고온의 가혹한 온도 환경에서 사용되는 시추 기계 등에도 탑재가 기대되고 있다.

산화 갈륨 외에 다이아몬드 계열의 전력 반도체도 있는데, 실용화에 대한 기대가 높아지고 있지만 시장의 본격화는 2025년 이후가 될 것으로 후지경제는 전망했다.  

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