현 사회에서 우리는 지속 가능한 대안으로 전환해야 한다는 데에는 이견이 있을 수 없다. 날씨의 불규칙성이 증가하고 북극의 얼음이 줄어드는 것은 기후 변화의 영향을 보여주는 명확한 증거이기 때문이다. 그러나 불행한 진실은 화석 연료에서 벗어나는 것이 매우 어렵다는 것이며, 녹색 기술로의 전환은 해결해야 하는 여러 기술적 도전 과제를 일으키고 있다는 것이다. 이는 급속히 확장되는 시장에 맞춰 생산량을 유지하는 것이든, 새로운 해결책이 기존 시스템의 생산량을 맞추기 위해 노력하는 것이든, 이러한 문제들이 극복되지 않으면 우리는 석유에서 벗어나서 이것을 과거로 남겨둘 수 없을 것이다.


디디에 발로코(Didier Balocco)

지속 가능한 기술이 우리가 글로벌 기후 목표를 달성하는 데 필요한
실질적인 영향을 미치려면, 효율성, 신뢰성 및 비용 효율성이 핵심이다.
역사적으로 이 세 가지를 모두 제공할 수 있는 부품 수준의
솔루션을 찾는 것은 거의 불가능했지만,
많은 응용 분야에서 SiC 기술이 이를 가능하게 하고 있다. 


전기차(EV) 및 태양광 패널과 같은 애플리케이션에서는 엔지니어들은 민감한 전자 부품이 가혹한 환경에서도 지속적이고 신뢰할 수 있는 동작을 제공해야 하는 추가적인 도전에 직면해 있다. 이러한 지속 가능한 솔루션의 채택을 촉진하기 위해서는 부품 수준에서의 혁신이 필요하며, 이는 전체 시스템 효율성을 높이고 강인성을 증가시키는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 필수적인 발전을 제공할 수 있는 기술로 빠르게 부상하고 있는 한 가지 기술이 실리콘 카바이드(SiC) 반도체이다. 
 

SiC 반도체는 무엇인가

3세대 반도체 혁신을 이뤄내고 있는 기술의 일부인 SiC 솔루션은 넓은 밴드갭(WBG)을 특징으로 하며 높은 수준의 성능을 제공한다. 이전 세대의 반도체와 비교하여 층 사이의 에너지 갭이 더 크기 때문에, 반도체를 절연 상태에서 전도 상태로 전환하는 데 필요한 에너지가 증가한다. 비교해 보면, 1세대 및 2세대 반도체는 전환에 0.6 eV에서 1.5 eV 사이의 값을 필요로 한 반면, 3세대 반도체는 2.3 eV에서 3.3 eV의 값을 필요로 한다.

성능 면에서, WBG 반도체는 10배 더 높은 항복 전압이 필요하며 열 에너지에 대해서 덜 활성화된다. 이는 더 높은 안정성, 증가된 신뢰성, 전력 손실 감소를 통한 더 나은 효율성 및 훨씬 더 높은 온도 한계를 의미한다.

우수한 고출력, 고온 및 고주파 성능이 필요한 전기차 및 인버터 제조업체에게 SiC 반도체는 매우 매력적인 전망을 제시한다. 하지만 실제로 이러한 기능이 어떻게 구현되며 반도체 산업은 잠재적인 수요에 맞추기 위해 어떻게 준비하고 있을까.

전기차를 위한 SiC  

전기차와 그에 수반되는 충전 네트워크 내에서, 고성능 반도체는 AC-DC 충전소, DC-DC 고속 충전기, 모터 인버터 시스템 및 차량 고전압 DC에서 저전압 DC 변환기를 구성하는 핵심 요소이다. 이러한 시스템을 최적화하기 위해 SiC 반도체는 효율성을 높이고, 더 높은 성능 한계를 제공하며, 더 빠른 스위칭을 통해 충전 시간을 단축하고 배터리 용량을 보다 효과적으로 활용할 수 있도록 해준다. 이는 전기차의 주행 거리를 늘리거나 배터리 크기를 줄여 차량의 질량과 생산 비용을 감소시키는 동시에 성능을 향상시켜 전기차가 더 넓게 활용될 수 있도록 한다.

내연기관(ICE) 차량보다 온도가 낮게 작동하지만, 전기차는 여전히 전력 전자 장치에 매우 가혹한 환경을 제공하며 열 관리는 설계자들에게 중요한 고려 사항으로 아직 남아 있다. 많은 초기 실리콘 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 장치의 경우, 전기차 내부의 동작 조건은 차량의 기대 수명 안에서 발생하는 고장으로 이어질 수 있다. SiC 솔루션의 경우, 열 한계가 상당히 높고 열 전도율이 평균적으로 3배 더 높아 열을 주변 환경으로 쉽게 전달할 수 있다. 이는 신뢰성을 높이고 냉각 요구 사항을 줄이며 무게를 감소시키고 패키징과 관련된  고려 사항을 제거할 수 있게 한다.


전기차와 지속 가능한 에너지 생성에 있어 SiC 반도체는
거의 모든 측면에서 획기적인 개선 보여줄 수 있다.
잘 구현된 SiC MOSFET 및 다이오드는 전체 운영의 효율성을
향상시키는 동시에 설계 고려 사항을 줄이고,
많은 경우 전체 프로젝트 비용을 줄일 수 있다.


SiC 기술이 제공하는 향상된 최대 전압 등급과 서지 용량은 충전 시간과 차량 무게를 줄이려는 제조업체들을 돕고 있다. 일반적으로 대부분의 전기차 인프라는 200V에서 450V 범위에 있었지만, 자동차 제조업체들은 성능 향상을 위해 800V로 전환하고 있다. 이 변화를 처음으로 구현한 차량은 프리미엄 수준의 포르쉐 타이칸이었지만, 더 많은 제조업체들이 이를 따르고 있으며, 최근에 발표된 현대의 아이오닉 5N도 상당히 낮은 소매 가격으로 800V 충전을 지원하고 있다. 

그렇다면 이러한 전환의 이유는 무엇일까? 800V 시스템은 더 빠른 충전 시간, 케이블 크기 감소(낮은 전류로 인해), 그리고 전도 손실 감소와 같은 여러 가지 이점을 제공한다. 이는 모두 생산 비용을 절감하고 성능을 향상시킨다. 현재의 고속 충전 시스템은 비싼 수냉식 케이블에 의존하고 있지만, 이를 제거할 수 있으며, 차량 내부에서는 더 작은 게이지의 케이블을 사용함으로써 상당한 무게를 줄여 차량의 주행 거리를 증가시킬 수 있다. 일부 사람들에게 800V로의 전환은 소비자들이 전기차를 채택하도록 설득하는 데 필요한 성능 향상을 이루기 위해 매우 중요하지만, 이러한 발전은 SiC 반도체를 활용함으로써만 가능하다. 기존의 2세대 반도체는 전기차와 그 충전 인프라의 가혹한 환경에서 이러한 전압으로 작동할 수 있는 성능과 신뢰성이 부족하다.

지속 가능한 전력 생성을 위한 SiC 

전기차 외에도 새로운 세대의 SiC 반도체가 제공하는 성능으로 혜택을 받을 수 있는 더욱 성장하는 부문들이 있다. 재생 가능 에너지는 급속히 확장되고 있으며, 그 결과 태양광/풍력 발전소 인버터와 분산 에너지 저장 솔루션(ESS)도 반도체 기술에 의존하며 각각 연평균 성장률(CAGR) 13%와 17%를 기록할 것으로 예상된다. (출처: Global Solar Central Inverters Market 2022-2026) 

전기차 시장이 차량 전압을 상향 조정하는 것과 유사한 움직임으로, SiC 기술은 태양광 발전소가 스트링 전압을 증가시킬 수 있게 한다. 기존 설비는 일반적으로 1000V에서 1100V로 동작하지만, SiC 반도체를 활용한 새로운 중앙 인버터는 1500V에서도 동작 가능하다. 이는 전류가 낮아지면서 스트링 케이블 크기와 인버터 수를 줄일 수 있게 한다. 각 장치가 더 많은 태양광 패널과 연결될 수 있기 때문이다. 태양광 발전소의 주요 하드웨어 비용 중 일부를 줄이면 인버터 수와 케이블 크기를 줄이는 것으로 전체 프로젝트 비용을 크게 절감할 수 있게 된다. 

SiC 기술이 재생 가능 에너지 응용 분야에 제공하는 혜택은 단순히 더 높은 전압을 지원하는 것에 국한되지 않는다. 예를 들어, 온세미의 1200V EliteSiC M3S MOSFET는 태양광 인버터와 같은 하드 스위칭 응용 분야에서 업계 선도 경쟁 제품과 비교하여 최대 20%의 전력 손실 감소를 특징으로 한다. 이러한 절감은 영향을 받는 운영 규모를 고려할 때 상당한 영향을 미칠 수 있다. 유럽에서만도 208.9GW의 태양광 발전소가 있기 때문이다. (출처: Global Solar Central Inverters Market 2022-2026) 

신뢰성 측면에서 태양광 발전소와 해상 풍력 발전은 전기 부품에 매우 도전적인 환경을 제공하며, 이러한 환경에서 SiC 기술이 기존 솔루션 대비 뛰어난 성능을 보여줄 것이다. 더 높은 온도, 전압 및 전력 밀도를 허용함으로써 엔지니어들은 기존 실리콘 솔루션보다 더 신뢰할 수 있고, 더 작고, 더 가벼운 시스템을 설계할 수 있게 된다. 인버터 인클로저를 줄이고 많은 주변 전자 및 열 관리 부품을 제거할 수도 있다. 또한 SiC가 허용하는 고주파 작동은 더 작은 자석을 사용할 수 있게 하여 시스템 비용, 무게 및 크기를 더욱 줄일 수 있다. 
 

반도체 생산의 도전 과제

전기차와 지속 가능한 에너지 생성에 있어 SiC 반도체는 거의 모든 측면에서 획기적인 개선 보여줄 수 있다. 잘 구현된 SiC MOSFET 및 다이오드는 전체 운영의 효율성을 향상시키는 동시에 설계 고려 사항을 줄이고, 많은 경우 전체 프로젝트 비용을 줄일 수 있다. 하지만 다른 어떤 선구적인 기술들과 마찬가지로, 광범위한 수요에 대해서 준비되어 있어야 한다. 많은 전자 엔지니어들이 갖고 있는 질문은 SiC 제조 능력이 광범위한 사용자의 확대에 대해서 준비되어 있는지, 그리고 생산량이 증가해도 안정적인 생산량을 유지할 수 있을지에 대한 부분이다. 

근본적으로 SiC의 주요 문제 중 하나는 그 구조에 있다. SiC는 우주에서 풍부하게 존재하지만, 안타깝게도 지구에서는 매우 희귀하다. 그래서 실리카 샌드와 탄소를 흑연 전기 저항로에서 1600°C에서 2500°C 사이의 온도로 결합하여 합성해야 한다. 이 과정에서 SiC 크리스탈 불이 형성되며, 이는 결국 SiC 반도체로 가공되기 위해 추가 기계 가공을 필요로 한다. 생산의 각 단계는 최종 제품이 엄격한 테스트 기준을 충족하도록 매우 엄격한 품질 관리를 요구한다. 품질을 유지하기 위해 온세미는 독특한 접근 방식을 채택했다. 업계 유일의 엔드-투-엔드 SiC 제조업체로서, 기판에서 최종 모듈에 이르기까지 모든 과정을 제어하고 있다(그림 2).

제조 공정 내에서, 실리콘과 탄소는 용광로에서 결합된 후 CNC 가공을 통해 원통형 퍽으로 가공되고 얇은 웨이퍼로 절단된다. 요구되는 항복 전압에 따라 특정 에피택시 웨이퍼 층(그림 3)을 성장시킨 후, 웨이퍼는 개별 다이로 절단되고 패키징된다. 시작부터 끝까지 프로세스를 제어함으로써 온세미는 증가하는 SiC 수요에 대비한 매우 효과적인 생산 시스템을 구축했다.
 

온세미는 실리콘 기반 기술을 생산하면서 얻은 경험을 활용했지만, SiC 소재와 관련된 많은 도전 과제가 있으며 이를 이해하고 나서야 고품질의 견고한 최종 제품을 만들 수 있었다.

예를 들어, 신뢰할 수 있는 최종 제품을 만들기 위해 기존의 실리콘 기술을 위한 산업 표준의 많은 측면을 넘어설 필요가 있었다. 잠재적인 고장 메커니즘을 이해하는 것은 품질을 유지하는 데 중요하며, 대학 및 연구 센터와의 광범위한 협력을 통해 온세미는 다양한 조건에서 SiC의 특성과 신뢰성을 확인할 수 있었다. 연구 결과는 온세미의 모든 SiC 프로세스에 적용할 수 있는 포괄적인 방법론으로 이어졌다.

SiC - 적절한 시기에 적합한 기술인가

지속 가능한 기술이 우리가 글로벌 기후 목표를 달성하는 데 필요한 실질적인 영향을 미치려면, 효율성, 신뢰성 및 비용 효율성이 핵심이다. 역사적으로 이 세 가지를 모두 제공할 수 있는 부품 수준의 솔루션을 찾는 것은 거의 불가능했지만, 많은 응용 분야에서 SiC 기술이 이를 가능하게 하고 있다. 글로벌 공급 부족이 SiC 반도체의 도입을 다소 늦추긴 했지만, 이제 이 기술의 빠른 채택을 보게 될 것이 분명하다. 

대규모 SiC 채택이 직면할 도전 과제는 여전히 남아 있다. 예를 들어, 반도체 제조업체가 수요에 맞추고 신뢰성을 유지하는 것 등이다. 하지만 온세미가 수행한 것과 같은 협력과 연구를 통해 업계는 높은 기준을 유지하고 제조 효율성을 최적화할 수 있을 것이다. 적용의 관원에서 보면, 1세대 및 2세대 반도체도 여전히 그 자리를 유지할 것임을 기억하는 것이 중요하다. 일부 로직 IC 및 RF 칩과 같은 구현에서는 SiC의 높은 성능이 필요하지 않을 수 있지만, 전기차 및 태양광 에너지와 같은 응용 분야에서는 SiC 기술이 혁신적인 변화를 가져오게 될 것이다.