올 1월 전기연구원 전력반도체연구단으로 확대개편, SiC 소재 결함 연구로 차별화

한국전기연구원(KERI)의 전력반도체 연구단은 지난해까지는 전력반도체 연구센터로 불리었다. 연구센터는 주로 WBG 소재인 SiC를 기반으로 한 전력반 도체의 설계, 제작, 평가 연구를 수행해 왔다.

또한 전원장치 내 전원제어용 IC 및 WBG 전력반도체 구동 드라이버 IC 연구를 진행해 왔다. 다수의 연구결과물을 기업으로 이전하여 양산 제품화하는데 성공했다. 이러한 우수한 성과와 최근 전력반도체의 중요성이 커짐에 따라올 1월부로 [전력반도체연구단]으로 확대 개편되었다.
 
"기존 Si 기반 메모리 반도체가 그랬듯이 반도체 소자는 세계1위이지만 그것을 제작하는 대부분의 공정 장비는 일본이나 미국에서 공급받아야 하는 그런 일이 전력반도체 분야, 특히 이제 시장에서 그 영역을 확대해 나가는 SiC 전력반도체 분야에서는 없었으면 하는 바람이 있습니다"


연구단은 WBG 전력반도체 개발에 주력하고 있는 ‘차세대반도체연구센터’와 전원장치의 IC화 및 SoC화를 주된 연구 주제로 개발하고 있는 ‘파워SoC연구센 터’로 이루어져 있다.

연구단을 이끌고 있는 방욱 단장은 “저희 연구단의 명칭에서 알 수 있듯이 메모리반도체 분야 세계 1위라는 명성과 걸맞지 않게 타 선진국가들 대비 기술경 쟁력이 뒤처져 있는 전력반도체 분야에서 국가연구기관으로서 R&D를 선도해 가는 역할을 하고 있다”고 말했다. 특히, 기존의 Si 기반 전력반도체가 아닌 SiC 를 필두로 한 WBG 소재 기반의 전력반 도체 개발 및 성능향상에 집중하고 있 다. 방 단장은 향후 국내 기업들이 전력 반도체분야에서도 세계 1위의 기술력과 경쟁력을 갖도록 지원하는 것을 목표로 삼고 있다. 방 단장에게 전력반도체 개발의 현재와 미래를 들어보았다.


Q.  전력반도체 연구센터가 전력반도체연 구단으로 개편되면서 변화가 있었던 것으로 압니다. 기존 연구센터나 다른 연구기관과는 다른 차별성이 있다면 어떤 것이 있을까요.

A.  저희는 여타의 반도체 연구기관 및조직과 달리 소수의 인력으로 연구를 수 행해 왔습니다. 이는 기존의 반도체 연구들이 메모리 반도체나 나노 기반 반도체 등이 주로 연구되고 전력반도체는 소외된 결과이기도 합니다. 저희는 전력반 도체 중에서도 Si을 대체할 반도체 소재 로서 SiC에 집중하여 연구를 수행해 왔습니다. 최근 들어 SiC가 각광을 받고 있지만 저희들이 연구를 시작한 2000년 무렵에는 기업, 학교뿐만 아니라 정부에 서도 관심을 갖지 않았습니다.

현재는 SiC 소재를 기반으로 한 스위칭 소자 및 제어 IC 개발에 주력하고 있지만 초기에는 SiC 소재 자체를 수급하는 것도 어려워 소재분야 연구도 병행했 었습니다. 초기의 소재분야 연구경험을 바탕으로 전력반도체 소자의 설계/공정/ 평가 기술만이 아닌 소재 내 존재하는 결함의 소자에의 영향성 평가를 기반으로 연구를 수행하고 있으며 이것이 다른 연구기관 혹은 기업들의 연구와 큰 차별성을 띄고 있습니다.
 
Q.  전력반도체 개발을 위한 소재분야 연구가 중요한 이유는 무엇인지요.

A.  가장 널리 사용되고 있는 Si 반도체 소재와 달리 WBG 소재들의 경우, 결함이 없는 완벽한 형태로 사용되지는 못하고 있습니다. 이를 Si 반도체를 이용할 때와 마찬가지로 접근한다면 예상치 못한 문제들에 부딪칠 수밖에 없습니다.

즉, 전력반도체를 제작하기 위한 소재및 그 불완전성과 그것이 소자에 미치는 영향을 제대로 이해하지 못하면 물질 자 체의 고유하고 우수한 특성에도 불구하고 좋은 성능의 전력반도체를 일관성 있게 생산하는 것은 한계가 있습니다.

그래서 저희는 소재 내에 존재하는 결함들을 찾아내고 분석하는 일들과 이결과를 통해 제작된 전력반도체에 미치는 영향을 분석/평가하는 것을 소자제작의 출발점으로 인식하고 전력반도체 개발을 진행하여 왔습니다. 그 결과 많은 시행착오에도 불구하고 신뢰성 있는 전력반도체의 개발에 성공적인 결과물이 도출되고 있다고 생각합니다. 아직 전세계적으로도 정착되지 못한 WBG 소재내 결함 분석의 한계를 극복하기 위해 자체기술로 결함을 고속으로 분석해 내는 장치도 개발한 바 있습니다.

이를 기반으로 향후에는 좀 더 빠른 기술개발 속도를 기대하고 있습니다.이 없는 완벽한 형태로 사용되지는 못하고 있습니다. 이를 Si 반도체를 이용할 때와 마찬가지로 접근한다면 예상치 못한 문제들에 부딪칠 수밖에 없습니다.
 
즉, 전력반도체를 제작하기 위한 소재및 그 불완전성과 그것이 소자에 미치는 영향을 제대로 이해하지 못하면 물질 자 체의 고유하고 우수한 특성에도 불구하고 좋은 성능의 전력반도체를 일관성 있게 생산하는 것은 한계가 있습니다.

그래서 저희는 소재 내에 존재하는 결함들을 찾아내고 분석하는 일들과 이결과를 통해 제작된 전력반도체에 미치는 영향을 분석/평가하는 것을 소자제작의 출발점으로 인식하고 전력반도체 개발을 진행하여 왔습니다. 그 결과 많은 시행착오에도 불구하고 신뢰성 있는 전력반도체의 개발에 성공적인 결과물이 도출되고 있다고 생각합니다. 아직 전세계적으로도 정착되지 못한 WBG 소재내 결함 분석의 한계를 극복하기 위해 자체기술로 결함을 고속으로 분석해 내는 장치도 개발한 바 있습니다. 이를 기반으로 향후에는 좀 더 빠른 기술개발 속도를 기대하고 있습니다.


국내 인적 인프라 구축위해 ‘한국 SiC 반도체 연구회’ 구성

Q.  연구단이 SiC 전력반도체 인프라 구축에 남다른 노력도 하고 있다고 들었는데.

A.  저희는 국내기반이 전혀 없는 상태에서 가장 먼저 SiC 전력반도체 개발을 수행해 왔기 때문에 항상 연구 및 인적 인프라 부족을 절감해 왔습니다. 이에 국내 SiC 전력반도체 분야 인적 인프라 구축을 위해 기술교류회, 특별 심포지움 개최 등의 활동을 수행하여 왔으며 그 결과 5년 전부터 ‘한국 SiC 반도체 연구회’ 를 구성하게 되었습니다. 이를 통해 국내 SiC 연구진들이 한자리에 모여 상호 연구결과들을 공유하고 협력하도록 노력하고 있습니다. 올해의 경우 6월 22일 평창에서 컨퍼런스를 개최할 예정이며, 250명 이상의 연구진과 30여개 이상의 기업들이 참가할 예정입니다.



Q.  연구단이 사업을 수행하는데 있어 어려움이 있다면 어떤 것들이 있을까요. 여전히 SiC 전용 공정을 개발하는 데필요한 인프라가 부족하고, 무엇보다도 인력 수급이 가장 큰 문제입니다.

A.  저희들이 SiC 전력반도체를 개발하고자 한 20여 년 전의 경우 국내에서 SiC 소재를 이용하여 공정을 수행하는 것 자체가 불가능하였습니다. 대부분의 반도체 공정 설비들이 Si기반 소재에 맞춰 운용되도록 되어 있어 SiC 전력반도체 공정에 필요한 고온공정이 불가한 경우가 많았기 때문입니다. 어떤 경우에는 Si이 아니라는 이유로 공정에 투입하지 못하는 문제도 많이 겪었습니다. 이러한 어려움으로 SiC 전력반도체를 제작할 수있는 전용공정시스템을 자체적으로 구축하는데 많은 노력을 경주해 왔습니다.

이제는 자체적으로 SiC 전력반도체 공정을 자체적으로 해결할 수 있는 기반을 갖추었지만 안정적인 연구를 수행하기 에는 여전히 부족한 상태입니다.

"연구단은 초기의 소재분야 연구경 험을 바탕으로
전력반도체 소자의 설계/공정/평가 기술만이 아닌
소재내 존재하는 결함의 소자에의 영향성 평가를
기반으로 연구를 수행하고 있으며 이것이
다른 연구기관 혹은 기업들의 연구와 큰 차별성을
띄고 있습니다."


Q.  인력 수급 문제가 얼마나 시급한가요.

A.  국내에서는 90년대와 2000년대 초반 까지만 해도 전력반도체를 연구하는 대학들이 있어 새로운 인력들이 수급되고는 있었습니다만, 그 이후에는 전력반도 체를 연구하는 대학들이 거의 사라진 상황입니다. 최근에 들어 SiC 전력반도체에 대한 관심이 높아져 많은 기업들이 관련 인력들을 채용하고자 하여도 그동안 기업이나 학교에서 SiC/GaN 전력반 도체 연구를 수행해 본 경험이 있는 인력을 찾을 수가 없는 상황입니다.

저희 연구단에서는 지속적으로 학생 연구원 교육 등을 통해 기업들이 필요한 인력들을 양성하고자 하였으나, 이는 최근의 인력수요에 비하면 극히 일부에 불 과하며, 저희 연구단에서 전담해서 연구를 수행할 수 있는 인력을 찾는 것은 지극히 어려운 상황입니다. 많은 대학에서 전력반도체 분야에 관심을 갖고 우수한 학생들을 배출해 주시기를 바랍니다.
 
Q.  연구단에서 진행하고 있는 연구과제는 현재 어느 단계에 도달해 있는지 요. 이들 통해 업계에 바라는 점이 있다면요.

A.  이제 SiC 전력반도체의 많은 분야는 연구 단계를 지나 상용화에 집중하고 있습니다. 물론 상용화 과정에서 부딪치는 많은 문제들이 있을 것으로 예상됩니다. 하지만 오랫동안 쌓여온 많은 실패의 경험들이 이러한 문제점들을 해결하는데 도움이 될 것으로 생각합니다. 최근에 많은 기업들에서 SiC 전력반도체 분야에 관심을 갖고 있는데, 저희들의 많은 실패 경험으로부터 도움을 받았으면 하는 바람입니다.

또한, 실생활에 사용되기까지 SiC 만큼이나 많은 시간이 소용될 것으로 예상 되지만 향후 사용될 것으로 예상되는 다이아몬드(Diamond)를 이용한 전력반도체 개발을 진행하고자 합니다.


향후 2-3년, 세계적인 기업들과 경쟁하는 기업들 나올 것

Q.  AI 4차산업혁명 시대에 전력반도체 의 중요성이 더해지고 있습니다. 이에 한국은 어느 수준에 도달해 있다고 보시는지, 또한 지속적인 발전을 위해 필요한 것은 무엇이라고 생각하시는지요.

A.  SiC 전력반도체 단위 소자의 경우에는 가장 앞서있는 일본, 독일 등과 대등한 수준까지 쫓아왔다고 생각합니다. 하지만, 소재 분야 및 SiC 소재로 이루어진 집적회로(IC) 등은 이제 연구가 막 시작된 상황입니다. 지난 20여 년 간 앞선 기술들을 따라가는 데 집중한 단위소자를 뛰어넘어 SiC IC 분야의 경우 우리나 라가 선도해 나갈 수 있도록 노력하고 있습니다.

SiC 전력반도체도 마찬가지로 지속 적인 연구를 수행하는 분위기 조성이 선결조건이라고 생각합니다. 저희 연구 단이 SiC 전력반도체를 연구해 오는 동안에도 상업화가 어려울 것이라든가, 당장의 수익으로 나타나지 않는다고 외면 받고 연구를 중단해야 할지도 모르는 상황을 여러 번 겪었습니다. 그래도 국가연구기관으로서의 소명으로 버텨 왔기 때문에, 지금 관심을 갖는 많은 기업들에게 기술적인 도움을 드리게되었다고 생각합니다.

십여 년 전과 비교하면 많은 기업들이 관심을 갖고 투자하려는 의지도 나타내고 있습니다. 하지만, 대부분의 기업들이 제대로 된 검토와 자기능력에 대한 평가가 다소 모자란다는 느낌을 지울 수 없습니다. SiC 전력반도체는 그시장을 점차 확대해 나가고 지속적으로 성장할 것이라는 데는 이견이 없습니다. 다만, 이제는 기술경쟁력을 확보 해야만 성장하는 시장에서 자리매김할 수 있는 상황입니다. 국내에서의 경쟁은 무의미한 상황이고 세계적인 기업들 과의 경쟁을 항상 염두에 두고 판단하는 것이 필요합니다.

결론적으로 말씀 드리자면 여전히 기술을 선도하기 보다는 쫓아가야 할 부분들이 많습니다. 다만, 20-30년 전과는 달리 이제는 우리가 쫓아가는 대상들이 바로 눈앞에 와있고 조금만 더 노력하면 앞서 나갈 수도 있겠다는 자신감을 가질 수 있는 수준이라고 말씀드리겠습니다.

개인적인 생각으로는 웨이퍼 분야 및소자 분야의 경우, 향후 2-3년 내 세계 적인 기업들과 경쟁할 수 있는 기업군이 만들어질 것이라고 기대하고 있습니다.


Q.  끝으로, 국내 전력반도체 산업이 나아갈 방향(정책)이 있다면요.

A.  최근에 소위 소부장 즉, 소재, 부품, 장비에 대한 기술개발 중요성을 강조 하고 있습니다. 하지만 전력반도체 산업 분야를 보면, 장비개발에 대한 지원은 의외로 적은 것으로 보여집니다. SiC 전력반도체 분야만 하더라도 많은 부분 에서 Si 기반 공정장비들을 채용하고 있으나 그 특성상 SiC에 특화된 장비들에 대한 요구가 증대될 것입니다. 또한 공정장비 뿐만 아니라 평가 장비 등에 대한 개발 및 투자도 반드시 필요합니다.

기존 Si 기반 메모리 반도체가 그랬듯이 반도체 소자는 세계 1위이지만 그것을 제작하는 대부분의 공정 장비는 일본이나 미국에서 공급받아야 하는 그런 일이 전력반도체 분야, 특히 이제 시장에서 그 영역을 확대해 나가는 SiC 전력 반도체 분야에서는 없었으면 하는 바람이 있습니다.



 전기연구원 어떤 성과있나 
국내 최초로 SiC 전력소자 양산기술 기업에 이전해

한국전기연구원은 국내 최초로 SiC 전력소자 양산기술을 이전했고(메이플세미 컨덕터, 2015년), 최근에는 SiC MOSFET 을 세계 3번째로 개발 후 양산기술을 이전(예스파워테크닉스, 2021년)했다.



1. SiC 스위칭 소자 국산화 및 기술이전

2015년 10월, 메이플세미컨덕터에 기술을 이전하였다(기술료 11.55억 원). 국내 최초 SiC 전력소자를 양산화했다.

2. SiC 웨이퍼 결함분석 장치 개발 및기술이전

일본제품이 전 세계 시장의 80% 이 상을 차지하는 분야에서 국내 최초로 장비 개발, 전문기업에의 기술이전 (2021.3)을 통해 양산용 시제품을 제작 완료하였다, 전세계 SiC 웨이퍼 및 소자 업체와 판매 협의 중이다. 소부장 분야 대일역조의 대표적인 사례인 SiC 웨이퍼 결함분석 장치를 국산화 시키고 전세계 시장에서 경쟁 중이다.

3. SiC 트렌치(trench)형 MOSFET 세계 3번째 개발 및 양산화

2021년 2월, 예스파워테크닉스에 기술 이전하였다(기술료 총합 20억 원). 세계 최고제품과 동등수준의 제품을 국내에서 생산할 수 있는 기술적 기반을 마련 하였다, 세계 시장 및 국내 전기자동차용 전력반도체로 적용 준비 중이다.