2025년까지 상용화 제품 개발, 8인치 파운드리 확보하기로

인공지능(AI), 5G 등 신기술과 자율주행차, 신재생 등 미래 성장 분야의 핵심 부품이 될 차세대 전력반도체를 본격 육성한다.

정부는 제7차 혁신성장 BIG3 추진회의(4월1일)를 개최하고, 차세대 전력반도체를 집중 육성하기 위한 ‘차세대 전력반도체 기술개발 및 생산역량 확충 방안’을 발표하였다. 이번 정책을 통해 정부는 국내 차세대 전력반도체 산업 생태계 구축한다는 방침이다. 큰 줄기는 3가지다. 구체적으로는 ▲상용화 제품 개발, ▲기반기술 강화, ▲미래 제조공정 확보 등을 본격 지원해 나갈 계획이다.



2025년까지 수요연계 R&D를 통해 차세대 전력반도체 상용화 제품을 5개 이상 개발하고, 양산 가능한 6~8인치 파운드리 인프라를 국내에 구축할 수 있도록 민관 공동 노력을 추진한다. 성윤모 산업부 장관은 차세대 전력반도체 육성 방안에 대해 “정부는 아직 초기인 차세대 전력반도체 시장을 선점하고 미래 경쟁력을 확보할 수 있도록 R&D, 인프라 등을 적극적으로 지원할 계획이며, 민관의 공동 노력과 밸류체인간의 연대 협력을 바탕으로 견고한 산업 생태계를 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

소자-모듈-시스템, 통합 밸류체인

사실, 전력반도체 관련 지원은 그동안 개별적으로 진행해 왔으며 특히. 산업부를 중심으로 2017년부터 차세대 전력반도체 기술개발을 지원해왔다. 그간의 지원을 기초로 국내 기업의 글로벌 시장진출 및 성장을 지원하기 위해 새로운 R&D 사업을 기획한 것이다. 먼저, 상용화 제품 개발을 위해 수요연계 및 시제품 제작을 지원한다.

단기적으로는 인버터, 충전기 등 상용화 가능한 분야에서 소자-모듈-시스템이 연계된 R&D 과제를 기획하여 상용화를 촉진하고, 수요-공급 연계 온라인 플랫폼과 융합얼라이언스 등을 활용하여 상용화 성과를 확대한다. 지난 3월 31일에 한국반도체산업협회 홈페이지에 수요-공급 연계 온라인 플랫폼을 구축한 바 있다.



이와 함께 국내 유일의 6인치 SiC 반도체 시제품 제작 인프라인 ‘파워반도체 상용화 센터’를 활용하여 시제품 제작 서비스를 제공하고, 민간 파운드리의 인프라 투자를 적극 지원할 계획이다. 두 번째, 신소재 응용 및 반도체 설계·검증 등 기반기술을 강화한다. 실리콘 소재의 한계를 극복하기 위해 SiC, GaN, Ga2O3 등 화합물 기반 신소재 응용기술을 개발하고, 국내 기업의 소재 웨이퍼 기술 확보를 지원하여 밸류체인을 강화한다.

미국, 독일, 일본 등 주요국은 군사용으로 활용될 수 있는 화합물 소재 기술을 국가에서 엄격하게 관리하기 때문에 국내 밸류체인 확보가 필요하다는 것이다. 이와 함께, 고집적 고성능 차세대 전력반도체 개발을 위해 파워 IC 설계 기술개발을 지원한다. 자동차 내연기관, 군수산업, 항공 등 가혹한 환경을 견딜 수 있도록 구현한다는 방침이다. 설계와 제조를 연계하기 위한 공정 표준 설계 키트(PDK)도 개발하여 반도체 제조 역량을 강화할 예정이다.

세 번째, 미래 양산 수요에 대비하기 위한 제조공정 확보를 지원한다. 아직 초기인 차세대 전력반도체 제작 공정을 최적화·고도화하여 시제품 제작~양산에 이르는 기술력을 확보하고, 신뢰성 평가를 지원하기 위한 장비를 부산 파워반도체 상용화 센터에 구축한다. 또한, 차세대 전력반도체 관련 파운드리 서비스를 확대하기 위해 국내 파운드리와 6~8인치 기반의 양산 공정 구축 및 선행기술 확보를 적극적으로 협의, 지원할 계획이다.

현재 SiC 공정은 6인치가 주력으로 2025년에는 8인치로 전환이 예상되며, GaN은 6인치 Si 기판을 활용하는 GaN-on-Si 중심이다. 이에 민간 파운드리의 SiC, GaN 양산 공정 구축을 지원하고, 8인치로의 전환에 필요한 선행 기술을 확보한다. 특히, GaN은 파운드리 8인치 Si 공정을 기반으로 호환성 확보에 주력한다. 정리하면, 신규 사업은 새롭게 성장하는 차세대 전력반도체 시장에 대응 가능한 화합물 기반 전력반도체 기술개발 사업으로 추진한다는 계획이다.

사업 기간은 2022년에서 2025년까지 4년간이며 예산은 약 300억 원 내외가 될 전망이다. 산업부 관계자는 “시스템 분야를 대상으로 단기간 내 상용화가 가능한 인버터, 모듈 중심의 수요 연계형 기술을 개발하고 신소재 기반 전력반도체 소자를 개발하며 화합물 기반 6인치 공정 최적화 및 8인치 파운드리 제조공정도 개발한다는 것이 핵심”이라고 전했다.


 앞으로 시장은 

전력반도체 시장, 2023년 약 530억 달러 규모로 성장

SiC 웨이퍼는 연평균 16% 증가…국내는 90% 이상 수입 글로벌 전력반도체(소자, 파워IC, 모듈) 시장 규모는 2019년 약 450억 달러에서 2023년 약 530억 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 차세대 전력반도체에 사용되는 SiC 웨이퍼 시장은 ’19~’27년간 연평균 16% 증가하여, 3배 이상 성장할 것으로 보인다.

이에 따라 미국, 중국, 일본 등 주요국은 화합물 기반 전력반도체 육성을 위해 다양한 정책적 지원 추진하고 있다. 미국은 에너지부를 통해 와이드밴드갭(WBG) 반도체를 개발하는 ‘파워 아메리카(Power America)’ 사업을 출범(2014)하여 추진하고 있고 일본은 전략적 이노베이션 창조 프로그램(2014)의 일환으로 차세대 파워일렉트로닉스 사업을 진행하고 있다.



중국은 2021년 양회에서 3세대 반도체(화합물 반도체)를 ‘7대 첨단과학기술’에 포함시켜 자립화한다는 계획을 발표한 바 있다. 국내 전력반도체 시장은 약 20억 달러 규모이며, 기술력 부족과 해외 기업의 특허 선점으로 수요의 90% 이상을 수입에 의존하고 있는 실정이다.

개별소자는 국내 기업의 생산 규모 및 기술력이 글로벌 대비 부족하며 모듈 기업은 소자 기업과의 연계 부족으로 수입 소자를 탑재하여 개발하고 있다. 파워 IC는 국내 팹리스 기업을 중심으로 PMIC 등을 개발하고 있으며 최근 국내 주요 기업들은 SiC, GaN 등 차세대 전력반도체의 성장 가능성에 주목하고, 관련 투자를 확대하고 있다.