[특집] 파워반도체, ‘Power’를 잡아야 차세대 ‘파워’ 생긴다

  • 2019-05-07
  • 글 / 전자과학 편집부




첨단 기술 환경에서 중요성 커져, 정부도 상용화사업 추진


지난해 5월, 부산시 의·과학 산업단지 안에 ‘파워반도체 상용화센터 착공식’이 열렸다.

‘파워반도체 상용화센터’는 SiC 상용화 공정기술개발, 시험생산 지원, 관련기업 육성 지원을 위해 총사업비 195억 원이 투자되었다.

전 세계적인 에너지 신산업 육성 트렌드에 따라, 파워반도체 세계시장의 조기선점이 필요하다는데 인식을 함께한 부산시와 산업부는 2012년부터 사업을 준비했다. 이 같은 노력은 2016년 11월 예타 사업인 ‘파워반도체 상용화사업(831억원)’ 통과로 그 결실을 보았다. 부산시는 해양?조선, 자동차부품 등 전통산업에서 벗어나 새로운 성장 동력을 확보할 수 있는 발판을 마련했다고 밝혔다.



이에 앞서 산업부 주관 2019년 지역산업거점기관지원사업 공모에 ‘파워반도체 신뢰성 평가인증센터 구축사업(250억 원)’이 선정되었다. 파워반도체 상용화센터는 이러한 사업들의 수행공간이 되며 향후에도 파워반도체 관련 R&D 수행 및 기업 유치 업무 역할을 한다.

왜 파워반도체인가

이처럼, 국내 대표적인 지자체가 새로운 성장 동력으로 ‘파워반도체’를 앞세운 이유는 무엇일까. 거기에는 파워반도체가 갖는 중요성과 잠재력이 혼재한다.

흔히 전력반도체라고 불리던 파워반도체는 2016년 예타 사업으로 추진되면서 지금의 이름으로 다시 정리되었다. 전력을 39처리하거나 조정하여 에너지의 효율을 개선하는 파워반도체는 친환경 및 에너지 효율성을 강조하는 글로벌 트렌드에 맞춰 그 중요성이 갈수록 커지고 있다.



대표적인 파워반도체는 IGBT, MOSFET, Thyristor, Diode, PMIC 등으로 잘 알려져 있다. 전력의 효율적 활용과 전력 손실을 최소화하려면 고효율 파워반도체가 필요하며 이러한 파워반도체는 하이브리드, 전기자동차가 늘어남에 따라 그 수요도 증가하고 있다. 차량 1대당 평균 반도체 부품에서 내연기관 자동차는 전력반도체 비중이 21%이지만 하이브리드와 전기 자동차에는 각각 76%, 55%의 비중을 차지한다. 더구나 한번 충전으로 사용시간을 조금이라도 길게 가지려는 사물인터넷, 웨어러블 등 전자기기의 저전력 요구에도 파워반도체가 그 중심에 있다.

파워반도체는 주력 산업의 고부가가치화를 견인한다는 점에서 매우 중요한 역할을 한다. 특히 국내 대표 산업인 가전과 자동차 분야에서 에너지와 주행 효율을 극대화할 수 있다. 무선통신기기와 디스플레이 분야도 마찬가지다. 디바이스의 에너지 효율을 높이는 것은 신뢰성과 가격 경쟁력 측면에서 유리한 점이기 때문이다. 차세대 시장은 더욱 그렇다. 앞서 말한 전기자동차에서는 상용화 가능한 수준의 주행 효율을 제공하고 웨어러블/IoT 분야에서는 충분히 긴 배터리 수명을 제공할 수 있다. 차세대 반도체가 내세우는 고성능 다기능에서도 낮은 발열과 높은 신뢰성을 담보한다.

이 같은 중요성에 따라, 파워반도체 시장은 지속적으로 증가하고 있다. 세계 반도체시장 전체 규모(2015년)를 300조 원으로 잡는다면 메모리반도체는 18%(54조 원), 시스템반도체는 63%(190조 원)를 차지하며 파워반도체는 11%인 35조원 규모를 형성하고 있다. 이중 국내 파워반도체 시장은 세계시장의 약 5%(2조 원) 정도를 점유하고 있는 것으로 나타났다.

국내 기술력은 선진국의 70% 수준이며 미국이 가장 앞서고 있는 상황을 감안하면 한국과 1.6년 기술 격차를 보이고 있다. 참고로 미국을 기준으로 일본은 0.6년, 중국은 2.6년, 유럽은 0.4년 격차가 있다.

파워반도체의 중요성을 미리 간파한 선진국은 정부 주도의 기술개발 및 상용화를 적극 추진하고 있다. 기준 실리콘(Si) 베이스의 파워반도체보다 특성이 우수해 효율이 높은 SiC(실리콘 카바이드)는 일본, 미국에서 이미 상용화 초기 제품을 출시했고 역시 특성이 좋은 GaN(갈륨 나이트라이드)은 3년 이내에 초기 제품을 출시할 예정이다.

중국, 대만은 정부의 대폭적인 지원으로 시스템반도체 분야에서 지속적으로 성장하고 있으며 미국은 5천억 원 규모의 뉴욕주 - GE 주도 SiC 제조 컨소시엄을 운영하고 있다. 또한 일본은 전략적 이노베이션 창조 프로그램에 5년간 1100억 원을 투자하여 파워반도체 소자, 파워 모듈 등의 기술 개발을 지원하고 있다.




어떻게 파워반도체 키우나


현재, 파워반도체는 다품종 소량생산의 산업 특성 때문에 90% 정도를 수입에 의존하고 있는 상태이다. 이렇게 가다가는 해외 기업의 과점화가 심해져 기술 종속이 우려되고 있어 원천기술 개발을 통해 기술력 확보가 시급한 실정이다.

파워반도체 상용화사업은 이 같은 현실 인식에서 기획, 탄생하게 되었다. 파워반도체 기반 구축 및 핵심 기술개발을 통한 글로벌 시장 경쟁력 확보, 라는 다소 긴 목표를 명시했지만 주요 줄거리는 인프라를 구축하여 핵심 기술을 개발, 이를 상용화까지 연결시키자는 포부이다.

사업기간은 2017년 7월부터 2023년 12월까지 6년 6개월이다. 총 사업비는 836억 원 가량으로 국비 543억 원(기술개발 424억, 기반구축 119억)이며 지방비 153억 원(기반구축), 민자 140억 원(기술개발)이다.

기술 개발은 ▲고효율 SiC 소자 개발 ▲CMOS 호환 공정기반 고속 저손실 GaN 전력소자 개발 ▲차세대 고효율 IGBT 개발 ▲차세대 전력절감 Power MOSFET 개발 ▲차세대 Power Module 및 IPM 개발 ▲IoT용 에너지허브 SoC 개발 등을 중심으로 진행된다. 이를 위한 기반 구축은 SiC 파워반도체용 일괄공정지원 플랫폼을 구축한다.

사업단은 향후 핵심기술과 제품을 연계한 상용화 지원에 초점을 맞춘다.

파워반도체 상용화사업단의 구용서 단장은 “파워반도체 개발이 소자만 얘기하는 것이 아니다. 파워반도체 사업은 소자, 모듈, IC까지 모두 다룬다. 그렇게 해야 밸류체인에 따라서 기반을 다지고 시장을 가져갈 수 있다. 소자 하나으로는 할 수 없다는 것이 사업단의 전략”이라고 밝혔다.

또한 파워반도체 생태계 강화에도 힘쓴다. 파워반도체 상용화 성과 제고를 위해서는 산학연 교류 활성화가 절실하기 때문이다. 이에 반도체 소자/공정 기업과 반고체 설계 기업, 대학/연구소, 패키징/모듈 기업 등 ‘개발기업-플랫폼-수요기업’ 연계와 인력양성 강화에도 중점을 두기로 했다.





SiC와 GaN이 뭐길래


파워반도체 개발 사업을 들여다보면 주로 SiC(실리콘 카바이드)나 GaN(갈륨 나이트라이드)에 초점을 맞추고 있는 것을 볼 수 있다.

이들 SiC, GaN은 일종의 화합물 반도체로 특성이 우수한 차세대 반도체이다. 특히 자동차나 조선 등 고전압이 필요한 분야에 적합한 파워반도체로 떠오르면서 선진 업체들이 앞다퉈 개발에 뛰어들고 있다.

먼저, SiC는 절연 파괴 전계 강도가 기존 Si에 비해 약 10배가 높아 600V~수천V의 고내압을 실현할 수 있다. 또한, 불순물 농도를 높일 수 있으며, 막 두께의 드리프트 층을 얇게 할 수 있다. 다시 말해 고내압 파워 디바이스의 저항 성분 대부분은 드리프트 층의 저항이므로 드리프트 층의 두께에 비례하여 저항치는 높아지는데, SiC는 드리프트 층을 얇게 할 수 있어, 단위 면적 당 온-저항이 매우 낮아 고내압 디바이스를 만들 수 있다.




이론 상으로 Si에 비해 면적 당 드리프트 층 저항을 1/300로 저감할 수 있다(로옴 홈페이지). Si 파워 디바이스는 고내압화에 따른 온-저항의 증대를 개선하기 위해, 주로 IGBT 등의 소수 캐리어 디바이스(바이폴라 디바이스)가 사용되어 왔다. 하지만 스위칭 손실이 커서 고주파 구동에는 한계가 있었다. SiC는 쇼트키 배리어 다이오드 및 MOSFET와 같은 고속 다수 캐리어 디바이스를 고내압화할 수 있으므로, 트레이드오프 관계였던 고내압, 저 온-저항, 고속을 동시에 실현할 수 있다.

또한, 밴드 갭이 Si보다 약 3배 넓기 때문에, Si보다 높은 온도에서 동작할 수 있다. 현재는 패키지의 내열성 제약으로 150℃~175℃ 보증이지만, 패키지 기술이 발전하게 되면 200℃ 이상의 보증이 가능해진다.

Yole De′veloppement는 SIC가 2017년부터 2023년까지 연평균 31% 성장하면서 2023년에 15억 달러 규모의 시장을 전망했다.

GaN은 Si 반도체와 비교하면 밴드갭이 넓은 특성과 고온(700℃) 안정성이 우수하다. GaN 전력반도체는 Si 전력반도체에 비해 낮은 온-저항 특성을 가지고 있어 전력반도체 동작에 따른 스위칭 손실을 최소화하고 시스템 소비전력을 줄일 수 있다. 또한 고출력용 GaN RF 전력증폭기 소자의 전력밀도는 기존 Si 기반 LDMOS 트랜지스터보다 10배 이상 높아 제품의 소형화와 경량화를 통해 30%이상의 전력절감이 가능하다는 보고가 있다. 이러한 특성으로 인해 GaN기반의 파워 디바이스는 SiC를 이용한 하이파워, 실리콘을 이용한 저전력 디바이스의 중간 정도 전압(600V) 영역을 담당해줄 것으로 기대되고 있다.

지난해 11월 인피니언테크놀로지스는 GaN 솔루션 양산을 시작한다고 밝혔다. 이 회사는 CoolGaN 600V e-mode HEMT와 GaN EiceDRIVER 게이트 드라이버 IC를 출시함으로서, Si, SiC, GaN에 걸쳐서 모든 전력 기술을 제공하는 업계 유일한 회사가 됐다고 공표한 바 있다. 빠른 턴온 및 턴오프에 최적화된 CoolGaN 600V 스위치는 SMPS의 높은 효율과 전력 밀도를 가능하게 하며, GaN 게이트 드라이버는 강건하고 매우 효율적인 CoolGaN 스위치 동작을 보장하도록 개발되어, 개발 업무를 최소화하고 시장 출시 기간을 줄여준다.

시장에서는 GaN 전력반도체가 2014년 1700만 달러에서 2020년 333백만 달러까지 성장할 것으로 예측하고 있다.
 

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