車용 전력모듈 시장, 2016년 4조5천억

■전력변환시스템에 사용되는 주요 전력반도체
◇다이오드
양극 및 음극의 2단자로 구성된 반도체로서 순방향 전압이 인가되면 턴-온(Turn On) 되고 역방향 전압이 인가될 경우 턴-오프(Turn Off) 되는 특징을 갖는 반도체다. 특히 역방향 전압이 인가될 경우 전압저지 능력을 가지며 교류를 직류로 변환하는 용도로 주로 사용된다.

▲ ▲바이폴라(bipolar) 트랜지스터의 일종으로 게이트에 신호를 인가해 애노드(양극, Anode)와 캐소드(음극, Cathode)사이에 흐르는 전류를 도통(道通, Turn-on)시킬 수 있는 3단자(다리 3개) 반도체 소자로 스위치와 같은 역할을 하는 전력용 반도체 사이리스터(Thyristor). ▲바이폴라(bipolar) 트랜지스터의 일종으로 게이트에 신호를 인가해 애노드(양극, Anode)와 캐소드(음극, Cathode)사이에 흐르는 전류를 도통(道通, Turn-on)시킬 수 있는 3단자(다리 3개) 반도체 소자로 스위치와 같은 역할을 하는 전력용 반도체 사이리스터(Thyristor)

◇사이리스터(Thyristor)
게이트 전류를 인가해 턴-온 시킬 수는 있지만 반대로 게이트 신호로서 턴-온 시킬 수 없는 특징을 가진 반도체로서 다이오드처럼 외부회로의 조건에 의해 순방향 전류가 영보다 작을 때 턴-오프 된다. 턴-오프 후에 턴-온 시킬 수 없는 상태로 회복할 때까지 걸리는 시간이 트랜지스터보다 훨씬 길어 대용량의 전력을 낮은 스위칭 주파수로 제어하는 데 주로 사용되고 있다. GTO(Gate Turn-off Thyristor) 사이리스터·MCT(MOS-Controlled Thyristor) 등은 개량된 사이리스터이다.

▲ ▲실리콘 트랜지스터. ▲실리콘 트랜지스터

◇트랜지스터
전류 또는 전압 신호를 주어서 반도체소자를 턴-온 또는 턴-오프 할 수 있는 반도체 스위치 소자를 말한다. 사이리스터의 경우 게이트 신호를 한번 흘려주기만 해도 지속적으로 턴-온 상태를 유지하지만 트랜지스터의 경우 베이스 전류 또는 게이트 전압을 지속적으로 인가해야 턴-온 상태를 유지할 수 있다. 바이폴라 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor)는 베이스 전류를 공급해 턴-온 하는 방식이며, MOSFET는 게이트에 전압을 인가하는 방식으로 턴-온 전류를 조절할 수 있다. BJT와 MOSFET의 장점을 결합한 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)도 전력변환시스템에 광범위하게 사용되고 있다.

◇전력반도체와 전력변환 효율
전력변환시스템에 사용되는 전력반도체 소자는 수십Hz~수백kHz의 주파수로 스위칭하게 된다. 전력변환시스템에서 높은 스위칭 주파수는 에너지축적용 소자를 소형화하는 등 많은 이점이 있다. 하지만 이러한 스위칭 동안 손실이 발생하는데 이를 스위칭 손실이라고 하며 수위칭 주파수에 비례해 스위칭 손실이 커지는 단점이 있다. 또한 반도체 소자의 순방향 전류 통전 시 저항 손실이 발생하는데 이를 통전손실이라고 한다.

전력반도체에서 발생한 손실은 전부 열에너지로 바뀌어 시스템의 열적 안정성을 위협하게 된다. 전력변환시스템의 열적 안정성을 확보하기 위해 열 방출 구조에 대한 연구를 활발히 하지만 근본적으로 SiC와 같은 새로운 반도체를 적용하는 것이 중요하다. SiC와 같은 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap) 반도체는 통전손실이 상대적으로 작아 열 손실이 적을 뿐만 아니라 높은 온도에서도 안정적으로 동작하여 전력변환시스템의 안전 동작 역역을 넓혀주는 장점이 있다.

▲ ▲히타치제작소가 기손 실리콘을 대체하는 차세대 파원소자용 재료로 SiC를 이용해 만든 쇼트키베리어 다이오드(SBD, Schottky Barrier Diode)를 탑재해 만든 철도차량용 인버터는 기존의 실리콘 pn다이오드보다 30%정도 전력변환 손실을 줄인 제품이다.. ▲히타치제작소가 기손 실리콘을 대체하는 차세대 파원소자용 재료로 SiC를 이용해 만든 쇼트키베리어 다이오드(SBD, Schottky Barrier Diode)를 탑재해 만든 철도차량용 인버터는 기존의 실리콘 pn다이오드보다 30%정도 전력변환 손실을 줄인 제품이다.

■전력변환시스템의 급성장
전력변환시스템은 전동기 제어·무정전 전원장치·고급 가전제품의 전원장치 등에서 그동안 널리 사용돼 왔다. 특히 2000년대 들어서 전력변환 산업의 새로운 성장이 시작됐는데 대표적인 요인으로는 친황경 자동차의 대두, 신재생에너지의 보급 확대, LED 등 친환경 조명의 출현, 대기전력 문제 등 가전제품의 고효율화를 들 수 있다.

◇자동차 산업의 성장
친환경 자동차는 하이브리드 자동차·플러그인 전기자동차·연료전지 자동차 등을 일컫는데 이들의 공통점은 종래의 내연기관 자동차에 비해 동력의 일부 또는 전부를 전기에너로 사용한다는 것이다. 예를 들면 하이브리드 자동차의 경우 동력의 일부를 배터리 전력으로부터 사용하는데 배터리의 DC를 받아 DC-AC 인버터가 필요한 실정이다.

이러한 자동차용 전력변환 시스템은 1990년대 후반부터 수요가 창출되기 시작해 2000년대에 들어서 신성장 분야가 됐다. 2016년 친환경자동차용 전력모듈의 세계시장규모는 4조5,000억원 규모로 증가할 전망이며 국내외 연평균 성장률은 31~55%로 급격히 증가될 것으로 예상된다.

자동차용 전력변환장치에 탑재되는 파워 반도체는 다이오드·파워 MOSFET·IGBT 등이 있으며 집적회로를 포함해 하나의 패키지에 포함하는 지능형 파워모듈(Intelligent Power Module)까지 포함한다. 자동차용 전력반도체의 주요한 용도는 △모터/액튜에이터의 제어와 구동 △전력분배 시스템(기계식 릴레이를 전력반도체로 대체) △파워트레인의 제어 △하이브리디 자동차의 PCU(Power Control Unit) 내장 인버터, 컨버터 등이다.

EV·PV·LED·대기전력 등 수요 급증

고효율 소재 개발이 승패 결정

▲ ▲한국전기연구원 신재생에너지연구그룹 유동욱 박사팀이 맥스컴과 공동으로 개발한 태양광발전소용 250㎾급 전력변환시스템(PCS)(左)과 내부의 22kW 컨버터. ▲한국전기연구원 신재생에너지연구그룹 유동욱 박사팀이 맥스컴과 공동으로 개발한 태양광발전소용 250㎾급 전력변환시스템(PCS)(左)과 내부의 22kW 컨버터

◇신재생에너지 보급 확대
국제에너지기구(IEA)의 세계 에너지전망 2010(World Energy Outlook)에 의하면 신재생에너지 발전은 2008년과 2035년 사이 3배로 증가할 것이며 발전비중은 2008년 19%에서 2035년 약 1/3로 증가할 것으로 전망하고 있다.

태양광 에너지·풍력발전 등 대표적인 신재생에너지 시스템은 독자적인 전력망을 구축하기 보다는 기존의 전력망 즉 전력계통과 연계돼 사용된다. 즉 태양광발전의 경우 DS로 발전된 전력은 200V Ac로 변환돼야 거정용 전력으로 서용될 수 있다. 또한 풍력발전은 주파수나 전압을 변환시켜야 전력계통과 연계될 수 있으며 이러한 전력변환을 통한 전력계통 연계기술이 반드시 필요하다.

◇LED 등 신조명 분야
교통신호동·일반 조명·자동차 및 의료용 조명·LED TV 등 다양한 용도로 사용되는 LED는 이론적으로 수명이 반영구적이며 전력소모량은 백열전구의 10분의 1에 불과하다. ‘LED조명 15/30 보급 프로젝트’는 2015년까지 LED의 조명시장 점유율을 30%대로 높이겠다는 정부의 LED 보급계획으로서 에너지효율이 상대적으로 낮은 백열등·할로겐 등 일반 유도등 등을 에너지 효율이 높은 LED조명으로 대체하기 위한 것이다. LED조명을 위해서는 LED에 직류전류를 공급해야 하며 이 과정에서 전력반도체를 채용한 전력변환시스템이 필요하다.

◇대기전력 등 고효율 가전기기 확대
한국에서 보급된 가전제품의 대기전력은 약 3W로 국제에너지기구가 권장하는 1W에 미치지 못하고 있다. 지식경제부는 이미 2010년 7월부터 19개 가전기기 품목에 대한 대기전력 의무화 기준을 고시한 바 있는데, 가령 TV의 경우 대기전력 1W 이하라는 기준을 만족시키지 못할 경우 경고라벨의 부착을 의무화하고 있다. 특히 어댑터(외장형 직류전원장치)는 대기전력 기준을 만족시키지 못할 경우 국내에서는 유통시킬 수 없다.

이와 같이 가전기기의 대기전력을 만족시키기 위해서는 효율이 낮은 기존의 리니어 전원장치 대신에 효율이 높은 스위칭 전원장치를 사용해야만 한다. 세계적으로도 OECD에 가입된 선진국들을 중심으로 가전제품의 효율을 높여 에너지 절약을 꾀하고 대기전력 등의 효율 기준을 강화하고 있는 추세다. 이러한 가전제품의 고효율화에 전력반도체를 채용한 전력변환기술은 필수적이며 향후 큰 폭의 성장이 예상된다.

■전력변환시스템에서 소재의 역할과 위상
대표적인 전력변환시스템인 SMPS에서 전력반도체가 차지하는 비중은 제조지용의 10~30%, 전력손실의 40~80%에 달하고 있다. 전력변환장치의 전력손실은 어떠한 전력반도체를 채용하느냐에 따라 매우 큰 편차를 보이고 있다. 일본 미쯔비시 자료에 의하면 인버터에서 발생하는 손실은 바이폴라트랜지스터를 사용하던 경우(1985년)에 비해 IGBT를 사용한 경우(2005년)에 무려 1/3 수준으로 격감했다. 특히 최근에 개발된 전력용 SiC MOSFET을 사용해 인버터를 동작시킨 경우 IGBT 인버터 손실의 30% 수준으로 격감했다는 보고가 있다. 이는 SiC 전력반도체가 종래의 실리콘 전력반도체에 비해 낮은 통전저항과 함께 우수한 고속스위칭 특성을 실현할 수 있었기에 가능한 것으로 평가된다.

새로운 반도체소재를 사용해 전력변환 효울을 크게 향상시킬 경우 시스템 운용상 많은 장점을 가져올 수 있다. 전력변환 효울이 개선돼 열손실이 작아지면 시스템의 경박단소( 輕薄短小, '가볍고', '얇고', '짧고', '작은')화가 가능하다. 특히 냉각장치를 줄이거나 없앨 수 있는 장점까지 내다볼 수 있어 가격경쟁력은 물론 부피 및 무게 대비 출력밀도를 획기적으로 높일 수 있다. 이러한 출력밀도 향상은 전기 자동차 등에 있어서 커다란 장점으로 부각될 수 있다. 결론적으로 ‘반도체소재의 개선→전력변환효율 향상→시스템 경박단소 및 저렴화→제품경쟁력 향상’의 가치사슬이 완성될 수 있다.

                                                                                  <다음호에 계속>