전력반도체 단결정 소재 성장 및 가공 기술 개발...연구실 기반 벤처기업 설립하기도

대학 연구실을 기반으로 국내 유일의 SiC 단결정 성장 회사가 된 기업이 있다.  

이 기업(크리스밴드)은 2인치 웨이퍼 개발에 성공한 후 2004년 동의대학교 캠퍼스내에 벤처 기업으로 설립되었다. 이러한 SiC 관련 기술력을 인정받아 2010년 SKC에 인수되었고, 이 회사 구갑렬 대표는 SKC의 SiC 웨이퍼 기술팀장을 맡아 4인치 및 6인치 SiC 웨이퍼를 잇달아 개발하는 데 성공하기도 했다. 
 

이 회사는 이후 2021년 사모펀드(PEF) 운용사 파라투스인베스트먼트가 SKC로부터 SiC 웨이퍼 기술을 750억에 인수해 ㈜쎄닉을 설립하면서 현재, 국내에서 유일하게 6인치 웨이퍼를 생산해서 판매하는 기업으로 발전하였다. 현재 ㈜쎄닉은 구갑렬 대표를 포함해서 9명의 동의대학교 출신들이 주축으로 SiC 웨이퍼 생산 업무를 하고 있으며 8인치 웨이퍼를 개발하고 있다. 현재 양산 부지를 검토 중이며 2025년 IPO를 통한 6~8인치 웨이퍼를 양산할 예정이다.

이와 같은 핵심 전력반도체 기술 기업의 탄생에는 동의대학교 신소재공학부 전기전자소재공학전공 전자재료연구실이 자리잡고 있다. 이 연구실은 2003년 SiC 단결정 소재 연구개발을 시작으로 20년 이상 전력반도체 소재/소자 연구를 지속해오며 우수한 인재 배출과 연구개발 실적을 보유하고 있다. 
  원료부터 웨이퍼 생산까지 전주기 연구 수행

연구실은 연구원, 석사과정 대학원생 및 학부과정 학생 연구원들로 구성되어 있으며, 주요 연구 분야는 전력반도체 단결정 소재 성장 및 가공 기술 개발이다. 

연구실에서는 최근 들어 각광 받고 있는 전력반도체 소재인 SiC 및 Ga₂O₃ 와 같은 화합물 반도체 단결정의 성장부터 가공, 분석 등 원료에서부터 웨이퍼의 생산까지 전주기에 걸친 연구를 수행하고 있다. 연구실에서 배출한 졸업생들은 관련분야에 종사하고 있는 연구자만 40명 이상이며, 총 40건 이상의 연구개발과제를 수행하였고, 200건 이상의 논문 및 학회 발표실적을 보유하고 있다.

현재는 전력반도체 소자용 SiC 단결정 소재 연구개발, 차세대 전력반도체 소자용 Ga₂O₃ 단결정 소재 연구개발, 차세대전력반도체 소자제조 전문인력양성사업 과제 등을 수행하고 있다. 이 연구실을 이끌고 있는 이원재 교수에게 더 자세한 이야기를 들었다.
   
Q.  전력 반도체 분야를 연구하게 된 동기는 무엇입니까.

동의대학교에 과기부가 지원하는 사업인 전자세라믹스 지역연구센터 (RRC, 2001.06.01.~2017. 전자세라믹스 분야의 지역 연구센터/신병철 소장)가 운영되는 중에 산업자원부가 지원하는 전자세라믹스 지역기술혁신센터 사업(TIC선정/2002.04.01, 전자세라믹스 분야의 장비구축 및 업체 지원 등의 목적을 갖는 센터사업)이 시작되었습니다.

장비구축 및 연구개발 분야를 전자세라믹스의 특정 소재에 집중하기 위하여 장기간 고심하였고. LED소자용 사파이어 단결정 성장(당시 관심이 많았던 주요 개발 분야)과 전력소자용 SiC 단결정 성장(미래 유망 소재) 중에 SiC 단결정 소재 분야를 연구개발 소재로 결정하게 되었습니다.


Q.  그렇다면, 본격적인 연구 시작은 어땠는지요.

독일회사에서 판매하는 SiC 단결정 성장 장비(PVT; Physical vapor transport, 물리기상전달법 성장장비(G1))의 구입 설치(2003.08.08.)가 시점이었습니다. 독일 Erlangen 대학 및 Linn High Therm 회사(장비제조사)에 방문하여 장비교육을 수료(2003. 10월)하였고, 장비 구매를 결정하기 전후 약 1년간 국내외 SiC 단결정 성장 연구 자료를 수집하여 검토를 진행하였습니다.

SiC 성장장비 설치 후 수많은 성장 실험을 통하여 SiC 단결정의 크기, 품질을 지속적으로 향상시켰습니다. 2004년 9월 국제 SiC 학회(이탈리아 볼로냐 ECSCRM2004 학회)에서 SiC 단결정 성장에 관한 연구 결과를 국내 최초로 발표했습니다. 또한 2004년 말 국내 최초로 2인치 SiC 단결정 성장 및 웨이퍼 가공에 성공하였습니다.
 
Q.  연구실에서 제작하는 전력반도체용 기판에 대해 소개한다면.

전력반도체는 전력을 사용하는 기기의 전원 또는 배터리로부터 공급되는 전력을 시스템이 필요로 하는 전압과 전류 수준으로 변환·관리하는 반도체입니다. 전기기기에서 사용되는 전력의 변환·변압·분배·제어를 수행하며, 전력을 사용하는 모든 시스템의 ‘고효율’, ‘고신뢰성’, ‘친환경’ 확보를 위한 연구가 활발히 진행 중입니다.

핵심부품인 전력반도체 시장은 기존 메모리 반도체 시장 대비 1/3수준으로 매우 큰 시장입니다. 기존 Si 기반의 반도체 소자 외에 SiC, GaN, Ga₂O₃ 등 화합물 기반의 소자로 제작된 전력반도체는 열특성 향상, 고전압/고전류화 및 스위칭 손실 최소화 등이 가능하여 많은 응용분야에 범위를 넓혀가고 있습니다. 동의대학교 전자재료 실험실에서는 위의 특성을 향상시키기 위한 전력반도체용 기판을 제작하고 있습니다.


Q.  SiC 단결정 기판 소재의 중요성은 무엇이라고 보시는지요.

소자제조의 기본이 되는 광대역 밴드갭을 갖는 단결정 기판소재인 SiC 단결정 소재는 실리콘(Si)에 비하여 밴드갭이 3배 크고, 절연파괴강도가 10배 크며, 열전도도가 3배 큰 우수한 특성을 지닙니다.

기존 Si IGBT/IPM(지능형 전력모듈) 기술에 기반해 중~고전력 변환 분야에 적용되는 전력 전자제품 개발 진행되는 추세에서, 고출력 저손실의 SiC 소재 및 소자의 적용 분야가 확장되며 중요성과 수요가 급증하고 있는 상황입니다.

광대역 밴드갭 SiC의 경우 차세대 친환경 자동차로서 EV/HEV 등의 모터 구동에 필수적으로 적용되며 친환경 발전 시스템에 적극 적용되고 있으며, 테슬라사의 EV 차량을 비롯 국내의 현대기아차 사의 EV차량에도 에너지 변환소자로서 장착되며 연구개발도 활발하게 이루어지고 있습니다.


Q.  산화갈륨(Ga₂O₃) 전력반도체에 대한 관심도 커지면서 단결정 기판 소재도 중요해지고요 있는데.

산화갈륨(Ga2O3) 단결정 기판은 우수한 와이드밴드갭(WBG) 반도체 특성을 이용하여 기존 Si 전력반도체의 물성적 한계를 극복할 수 있는 소재입니다. 고전압/고신뢰성 동작을 통해 전력기기, 전기자동차, 전력산업 등에 핵심적으로 이용될 것으로 기대합니다.

산화갈륨은 4.8~5.2 eV까지의 밴드갭을 갖는 울트라와이드밴드갭(UWBG) 재료로써, 용융법으로 단결정 벌크성장이 가능하고 고품질화 및 저가화가 가능하여 향후 응용 가능성이 매우 높습니다. SiC, GaN 소재처럼 와이드밴드갭 소재로 알려져 있는 산화갈륨(Ga2O3) 소재도 차세대 전력반도체 소재로 유망합니다.

우리 연구실은 2021년부터 과기부 과제인 전력반도체용 4인치급 고품질 산화갈륨 단결정 성장 및 기판 기술 개발에서 성장기술 연구를 담당하면서 2023년 2인치 산화갈륨 단결정 웨이퍼 개발(협력 연구기관; 한국세라믹기술원, ㈜악셀, ㈜루미지엔테크, 한국생산기술연구원 부산센터 등)에 성공하였습니다. 
 


Q.  연구실은 SiC 단결정 연구 및 개발의 핵심기관으로 성장했다고 강조하셨는데요. 어떠한 과정을 거쳤는지요.
 
동의대학교 전자재료 실험실은 오랜시간의 연구 경험을 통하여 국내 SiC 단결정 연구 개발의 핵심기관으로 발전했습니다. 2007년 05월, 동의대학교는 실리콘 카바이드 소재의 웨이퍼링 및 CMP 기술 개발 과제를 수행하였고(2007.05~2009.04.) 참여기업은 크리스밴드와 지엔피테크놀로지(부산의 CMP장비 기업체)로 구성되었습니다. 2010년 09월01일 산업부과제 (WPM과제)인 고품위 SiC단결정 웨이퍼 제조 기술 (~2015년)과제에서 4인치 SiC 단결정 성장에 성공하습니다. 

산업부 전략적 핵심소재 기술개발 사업의 일환으로 고온/고주파 소자용 8인치급 저항 105ohm-cm 이상의 반절연 SiC 단결정 기판기술 개발(2014년~2018년), TSSG법에 의한 전위밀도 300ea/cm2이하 고품질 SiC 단결정 성장 기술개발(2016년~2020년)을 수행하였고, 차세대 전력반도체 소자제조 전문인력양성사업(2020년 3월~현재) 및 차세대 고효율 전력반도체 실증 인프라 과제를 수행 중에 있습니다(2023년 7월~현재).


Q.  연구실의 자부심과 함께 포부를 말씀해 주신다면요.

앞서 말씀 드린 바와 같이, 우리 연구실은 다양한 기업과의 협업을 통해 핵심기관으로 작용하고 있고, 지금까지 SiC, GaN 단결정소재 뿐만 아니라 Ga2O3 단결정 소재 연구를 활발히 수행하였습니다. 또한 수많은 논문, 리뷰논문, 초청강연 등을 수행하였습니다.

현재 국내에서 SiC 웨이퍼 및 SiC 관련 비즈니스를 진행하고 있는 회사는 쎄닉, SK실트론, 하나머티리얼, 티씨케이, 모간, RIST(포스코 연구소), KC Industrial, 비투지, SK파워텍 등이 있는데 위의 모든 기관에서 동의대학교 전자재료 실험실(단결정 연구 개발 관련 학위 보유) 출신들이 근무하고 있습니다. 이런 점에서 동의대학교가 이 분야의 인력 양성을 지속적으로 수행하여 국내 SiC 산업 발전에 일부 도움이 되었음을 자부할 수 있다.