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  • 기사등록 2018-04-24 17:37:59
  • 수정 2018-04-24 17:57:11
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전력반도체는 전력용 파워스위칭 소자와 제어 IC로 구성되어 전자기기에 들어오는 전력을 장치에 맞게 전력을 변환, 분배 및 관리하는 ‘두뇌’ 역할을 하는 반도체다. 전력반도체는 우리 눈에 보이지 않지만 발전소부터 가정까지 전력이 배송되는 모든 과정에 필요한 필수 부품이며 컴퓨터, 스마트폰, 수송기기, 가전제품 등에도 반드시 들어가 있을 정도로 우리 일상생활과 밀접한 부품이기도 하다. 세계적인 친환경에너지 도입 확대 및 환경규제 강화와 함께 전자기기의 고성능화로 인해 전력반도체의 수요는 날로 증가하고 있다. LG경제연구원에 따르면 전력반도체 시장은 연평균 9%씩 성장해 2020년에 약 340억달러 규모가 될 전망이다. 여기에 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 전기차, 스마트카, 로봇, 신재생에너지, 스마트그리드 등 관련 산업이 급성장 하면서 전력반도체의 수요는 급증하고 있다. 이러한 분위기로 전력반도체의 신뢰성과 효율성이 주요 이슈가 되면서 지난 1960년대부터 전력반도체 소재로 사용돼온 실리콘(Si) 대신 물질특성이 우수한 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)이 차세대 신소재로 주목받고 있다. 이에 독일, 일본, 미국 등 전력반도체 선진국들은 차세대 전력반도체 개발을 위한 적극적인 R&D 투자와 함께 특허 및 표준 선점에 발 빠르게 나서고 있는 상황이다. 특히 고전압·고내열 성능이 우수한 SiC 전력반도체는 전기차, 스마트카 시장 성장과 함께 가장 상용화가 유망한 분야다. 비싼 가격과 기술적인 문제로 인해 아직 시장이 본격적으로 개화되지 않고 있지만 우리나라를 비롯한 선진국들은 미래 유망 먹거리로 점찍고 투자에 박차를 가하고 있다. 우리나라에서는 Si 전력반도체 인프라를 갖추고 기술사업화를 지원하고 있는 포항공과대학교 나노융합기술원(NINT)이 SiC 전력반도체 기술개발과 기업지원을 위한 준비를 하고 있다. 이에 본지는 NINT와의 공동연재기획을 통해 4차 산업혁명 시대의 마중물 역할을 할 SiC 전력반도체의 현황과 발전 전망을 살펴보고 육성의 필요성을 공감하는 자리를 마련했다.

포스텍 나노융합기술원,

SiC 전력반도체 상용화 기술 확보 박차

 


▲SiC 2017 국제 심포지엄에서 GRDC 사업 및 SiC 연구를 소개하고 있다.(출처:포스텍 나노융합기술원)

■ SiC 전력반도체 기술교류

 

현재 인류는 건강한 지구에서 지속적인 발전이라는 욕구를 충족시키기 위해 부단한 노력을 하고 있다. 그 돌파구로 제한적 에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 고효율 전력반도체를 주목하기 시작했다. “이제 우리의 관심은 전력반도체로서 탄화규소 (SiC)를 얼마나 이른 시일에, 얼마나 많은 영역에 진출 시키느냐 하는 것입니다” 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 지원하는 포스텍 GRDC과제(포스텍-프라운호퍼 국제공동연구과제)는 지난해 11월에 SiC 2017 국제 심포지엄을 개최하고 국내외 전문가를 초청하여 SiC 기술의 미래에 대해 고민하는 시간을 가졌으며, SiC가 차세대 전력반도체 산업을 이끌어 갈 것을 확신했다. 기존의 규소 (Si) 기반 전력반도체는 반세기 전부터 다이오드, 사이리스터를 시작으로 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET), 절연게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT)가 상용화 되었다. 이를 적용한 전자 부품의 보급으로 전력 이용 효율이 크게 향상 되었다. 그러나 4차 산업혁명 시대의 도래와 함께 전기 자동차, 디스플레이/LED 드라이브 IC, 휴대형 기기, 가전기기, 신재생/대체 에너지 등에 사용되는 각종 부품의 절전화 및 친환경화가 필수 조건이 되었다. 이를 위해 고속 스위칭, 전력손실 최소화, 소형 칩 사이즈, 효과적 발열 시스템을 구현해야 하므로, Si의 물성적 한계를 극복할 수 있는 SiC 도입이 시대적으로 요구되고 있다.

 

■ SiC 기반 전력반도체 산업 동향

 

Yole Developpement는 SiC 기반의 전력반도체 시장이 2019년에 전환점을 맞이하여 2020년부터 연평균 40 % 성장률로 성장할 것이며, 2022년에는 그 규모가 10억 달러 이상이 될 것이라고 전망했다. 이는 Green Technology의 부각과 맞물린 태양광 발전 산업과 전기 자동차 부품 산업의 급부상으로 인한 결과라고 볼 수 있다.


SiC 전력반도체 시장은 현재 미국의 Wolfspeed, 독일의 Infineon, 일본의 ROHM과 같은 선진사가 주도하고 있으며, 그 뒤를 Misubish, STMicroelectronics, Fuji, Toshiba, MicroSemi, USCi, GeneSiC 등의 해외 업체들이 뒤 따르고 있어 세계 전력반도체 메이저 10개 업체가 모두 소자 개발 및 생산에 참여하고 있다.

 

국제공동연구로 핵심 기술 개발·실용화
SiC 2018 심포지엄, 산업화 촉진의 場

 

2000년대 SiC 전력반도체 산업은 Si 보다 우수한 소자 성능을 증명하기 위해 연구개발에 집중되어 독자적인 시장 형성이 미흡했으나, 2009~2010년 사이 전력반도체 시장에 SiC 기반 다이오드를 상용화하고, 2016~2017년에는 SiC 기반 MOSFET 공급을 두 배로 증가시키는 등 전력반도체 시장에 새로운 국면을 제공하고 있다.


본 산업 시장은 크게 SiC 기판, 에피 성장, 소자 제작 기술 분야로 나눠지며, 대부분 미국, 일본, 유럽의 선진업체와 연구기관의 핵심 원천 기술을 기반으로 산업 발전이 이루어지고 있다. 이는 관련 기술개발에 선진 업체의 지속적인 투자와 국가 정책 및 산·학·연 네트워크를 기반으로 실용화가 성공적으로 이루어졌기 때문이다.


국내의 경우 원천 기술 부족과 해외 특허 등으로 인해 전력반도체 시장의 90 % 이상을 해외 수입에 의존하고 있다. 따라서 향후 급성장할 전력반도체 시장의 수입 의존도 개선을 위한 산업화 노력이 산업체, 연구기관, 대학에서 지속적으로 이루어지고 있다. 일례로 산업통상자원부의 WPM (World Primier Materials) 사업에 맞춰 LG 이노텍, 포스코 등 국내 기업들이 6인치 SiC 단결정 웨이퍼, 에피 성장 기술을 확보하였으며, SKC와 사파이어테크놀러지, LG 화학 등은 물리기상증착법 (PVT)과 상단 종자정 성장법 (TSSG)을 적용한 SiC 단결정 개발을 수행하여 고품위 기판 생산 기술의 상용화를 추진하고 있다. 한편 소자 분야에서는 한국전기연구원이 2000년대 초반부터 지속적으로 다이오드와 MOSFET 관련 기술을 기업에 이전하여 제품화 단계에 이르는 등 다수의 실용화 성과에 두각을 보였으며, 한국전자통신연구원, 한국나노기술원도 산업화를 위한 원천 기술 확보에 매진하고 있다.

 

■ SiC 기반 전력반도체 실용화를 위한 한-독 국제협력사업 추진

 

국내 SiC 기반 전력반도체 소자의 실용화를 위한 노력이 산업체와 연구기관 뿐만 아니라 대학에서도 이루어지고 있다. 포스텍 나노융합기술원은 과학기술정보통신부, 한국연구재단에서 공모한 ‘2017년 해외우수연구기관유치사업’에 선정되어 독일의 프라운호퍼와 SiC 기반 전력반도체 실용화 국제공동연구를 수행하고 있다. ‘해외우수연구기관유치사업’은 2017년부터 총 6년간 진행하는 사업으로 우수한 역량을 보유한 해외연구기관을 국내에 유치해 국제공동연구를 추진할 수 있도록 지원하는 사업이다.


한국 포스텍의 전력반도체 전문연구기관인 나노융합기술원과 독일의 실용화 전문연구기관인 프라운호퍼 IISB (에를랑겐)의 연구자들은 상호방문, 공동연구 등을 통해 4차 산업혁명을 지탱할 핵심 소자로 떠오르는 SiC 기반 수퍼-정션 (Super-Junction) MOSFET의 핵심 원천 기술 개발 및 실용화를 목표로 하고 있다. 이 과제의 특징은 국제 공동연구 성과를 국내기업에게 기술이전 등 상용화를 목표로 하고 있으며, 연구과제 수행에도 국내 기업이 참여하고 있어 연구목표를 제품화에 목표를 맞추고 있다.


포스텍은 이를 계기로 한국과 독일 양국의 협력을 강화하기 위하여 2017년 5월 프라운호퍼 마이크로일렉트로닉스 그룹과의 MOU 체결하고 4차 산업혁명의 선도기술 개발 등 양국과 양 기관에 도움이 되는 다양한 사업을 추진하기 위한 협력방안 마련을 추진 중에 있다.


지자체인 경상북도와 포항시는 전력반도체 시스템 및 소자분야의 실용화 기술 확보와 선점을 위해 ‘포스텍-프라운호퍼 IISB 국제공동연구’를 전폭적으로 지원하고 있다. SiC 2017 국제 심포지엄도 경상북도, 포항시가 주최하고 포스텍 나노융합기술원이 개최하였다. 포스텍 나노융합기술원 조무현 원장은 올해에도 “SiC 2018 심포지엄을 개최함으로써 국내·외 전문가를 위한 교류의 장을 만들어 SiC 기술개발과 산업화를 촉진하는 계기를 지속적으로 만들어 가겠다”고 해 국내 SiC 기반 전력반도체 활성에 앞장서겠다는 의지를 표명했다.


앞으로 ‘포스텍-프라운호퍼 IISB 국제공동연구’와 같이 산·학·연 및 지자체의 유기적인 협력을 통한 실용화 연구가 지속적으로 이루어질 경우 국내 SiC 전력반도체 분야 산업체의 시장 및 기술 경쟁력 확보는 먼 미래의 일이 아닐 것이다.



▲SiC 기반 전력반도체 시장 규모(출처: Yole Developpement, 2017)

▲세계 SiC 기반 전력반도체 산업체(출처: Yole Developpement, 2017)

▲‘포스텍-프라운호퍼 IISB 국제공동연구’는 해외우수연구기관유치사업으로 선정됐다. 

▲국제공동연구의 목표는 SiC 기반 Super-Junction MOSFET 핵심 기술 개발 및 실용화이다.

▲한-독 국제공동연구 MoU 체결(2017년 5월24일)

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