전력반도체는 전자장치를 구동하기 위한 전원장치의 핵심 부품이다. 전력반도체의 활용 범위가 점차 고전압·고전류·고온 영역으로 확대되는 가운데, 파워 일렉트로닉스 산업의 성장이 탄력을 받고 있다.

세계 파워 일렉트로닉스 시장이 2년간의 침체기를 겪은 후 작년부터 회복의 조짐을 보이고 있다.

2012년 ~ 2013년 두 해 동안 좀처럼 성장의 기미를 보이지 않던 파워 일렉트로닉스 시장이 지난 2014년 8.4%의 성장을 기록한 것이다. 파워 일렉트로닉스 소자 시장은 115억 달러의 이익을 달성하며 향후 시장의 긍정적인 변화를 예고했다. 이러한 시장 변화는 신재생에너지와 스마트그리드 기술의 확산, 전기자동차와 하이브리드 자동차(EV/HEV) 판매의 급격한 증가에 따른 것이다. 시장은 2014년부터 2020년까지 연평균 성장률 6.9%를 기록하며, 2020년까지 170억 달러를 돌파할 전망이다.

전력모듈, 더 정확히 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)는 이러한 성장을 주도할 것으로 예측된다. 이 모듈은 2014년부터 2020년까지 연평균 성장률 10.3%를 기록할 전망이다. IGBT 모듈의 이러한 성장은 효율성과 열전도율(thermal conductivity) 측면에서의 전반적인 기능 향상에 따른 것이다. 개별소자(discrete components)는 약 5.1%의 성장을 보일 것으로 예측된다. 와이드 밴드 갭 소자 시장 역시 2020년까지 5%의 성장률을 나타낼 전망이다.



수직적 합병 vs. 수평적 합병

여러 맥락에서 볼 때, 파워 일렉트로닉스의 생산과 공급은 진화하고 있다.

중국 기업의 이종 업종 간 수직적 합병은 다방면으로 오랜 경험을 갖춘 기존 업계에 도전하고 있는 상황이다. 유럽과 미국의 플레이어들은 가치 사슬(value chain)의 전문성을 유지하면서 관련 산업 동일 업종 간 합병을 최우선 과제로 삼고 경쟁력을 강화하고 있다. 그러나 업계는 기업 간 파트너십과 합작 투자가 인수합병보다 많이 이뤄질 것으로 보고 있다.

Tesla와 BYD와 같은 일부 시스템 제조업체들은 트랙션과 충전기, 배터리에 활용되는 파워 일렉트로닉스와 에너지관리시스템이 고부가가치를 제공할 것으로 내다보고 자체 개발의 중요성을 인식해왔다.

아시아 기업들은 비용의 최적화와 완전한 합병을 위해 수직적으로 관련 산업을 확대하는 추세다. 일본의 관련 업계는 이미 수직적인 구조로 합병이 이뤄졌으며, 다른 산업의 기술로부터 이점을 취하기 위해 다양한 애플리케이션에 관여하고 있는 중이다.

중국의 플레이어들은 시장을 이끌 중요한 변화를 만들기 위해 태양광(PV) 전문업체인 SunGrow, 풍력발전업체 GoldWind,전기·하이브리드 자동차 생산업체인 BYD와 같은 전문 기업 간 수직적 통합을 통해 경쟁력을 강화해왔다. 이러한 변화의 환경 속에서, 서구와 일본의 플레이어들은 고부가가치 솔루션을 통해 중국의 기업들과 경쟁할 수 있게 되기를 기대하고 있다.


高전압·高온·高주파수에서동작하는 ‘WBG’

더 나은 제품 개발을 위해 기술적 혼란을 앞서 경험한 기업은 새로운 수익을 창출하고 있는 반면, 그렇지 않은 기업에게 새로운 상황은 커다란 도전이 되고 있다. 기존의 플레이어들이 고성능 솔루션을 제공하는 소형 제품 생산을 위해 다른 업계와 파트너십을 맺어야 하는 상황에 직면한 것이다. 고성능의 콤팩트 제품을 선호하는 고객의 요구 때문이다.

MOSFET과 IGBT의 수요는 큰 폭으로 증대되며, 낮은 전압·중간 전압·높은 전압 애플리케이션 모두를 포함하게 될 전망이다.

고전압(~ 900 V)에서 사용되는 파워 반도체 부품인 Super Junction MOSFET과 같은 신기술은 지난 10년동안 발전해왔다. 파워 패키징 측면에서 Super Junction MOSFET의 지속적인 진화는 전기 자동차·하이브리드 자동차 산업에 의해 주도될 것으로 업계는 보고 있다.



SiC(Silicon Carbide), GaN(Gallium Nitride) 등 WBG(Wide Band Gap) 소재 기반의 소자로 제작되는 WBG 화합물반도체 역시 파워 일렉트로닉스 산업구조 변화에 일조하고 있다. WBG는 기존 실리콘 전력 반도체와 비교해 열 특성 향상, 고전압·고전류 특성을 갖추고 있는 전력반도체다. GaN 전력반도체 소자는 시장이 가장 넓게 형성되어 있는 900 V 이하에 적용이 가능하기에, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

SiC와 GaN 기반의 소자는 고전압·고주파수 대역에서 동작이 가능하다. 또한 높은 온도에서도 동작하는 특성으로 인해, 전력변환 모듈의 냉각 시스템을 크게 줄일 수 있다.

PV 인버터와 같은 산업 세그먼트는 GaN보다 완성된 기술로 평가받는 SiC기반의 WBG 디바이스 시스템을 출시했다. 고전압 직류 그리드와 같은 고전압 세그먼트에서 SiC의 도입은 불가피한 상황이다. 새로운 시장은 전기·하이브리드 자동차 시스템의 SIC 디바이스를 구현할 전망이다.
GaN의 경우, 시장에서 현재 적은 비중을 차지하고 있지만 노트북 충전기와 PV 인버터와 같은 소비자 애플리케이션이 GaN을 결합시킬 첫 번째 세그먼트가 될 전망이다.

몇몇 시스템 제조업체들이 SiC와 GaN 소자 기반의 프로토타입을 개발하고 있는 가운데, WBG 소자의 새로운 시장 진출 여부는 향후 5년간의 시간이 결정할 것으로 업계는 내다보고 있다.