[딴딴's 직무면접] SiC, GaN 화합물 전력반도체 산업의 전망 및 Challenge

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점점 더 중요성이 커지고 있는 전력 반도체 시장, 현재 트랜드는 무엇인가요?

전기차의 보급이 확대 되면서 더 많은 전력을 필요로 하는 첨단 어플리케이션의 등장으로 전력을 변환, 분배, 변압 및 제어하는 전력반도체의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 특히 이러한 상황 속에서 기존 Si을 사용한 전력 반도체 소자에서 새로운 화합물 소재인 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드 (GaN)를 사용한 전력 반도체의 필요성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 

출처 : Chosun Biz (세계 전력반도체 시장 규모)

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그럼, 왜 Si 소재에서 SiC, GaN 화합물 소재의 전력반도체 소자가 필요한 것이죠?

첨단 어플리케이션이 고도화 되면서 요구하는 전력이 점차 증가하고 있습니다. 전기차의 보급이 점차 확대되고 있는 상황에서, AI와 같은 첨단 반도체와 이를 뒷받침하는 Data Center는 더 많은 전력을 요구하죠. 그만큼 효율적으로 전력을 관리해야 할 뿐만 아니라 첨단 반도체에서 발생하는 높은 발열과 전압을 견딜 수 있는 전력 반도체가 필요한 상황입니다.

Si을 소재로 제조한 전력 반도체는 이러한 첨단 어플리케이션의 요구사항에 부합되기 어렵습니다. SiC와 GaN 전력반도체의 경우 소재 자체의 Bandgap이 Si 대비 약 3배 이상 되기 떄문에, 고전압, 고주파, 고온 환경에서도 안정적으로 동작 가능합니다. 특히, 고온을 견디도록 큰 부피의 방열 시스템이 필수적이었던 Si 전력 반도체와 달리 공간 활용 측면에서 높은 강점을 보입니다. 

이러한 이유로 인해 올해 80%가 넘는 점유율을 갖을 것으로 보이는 Si 기반 전력반도체 점유율은 28년도에 70% 아래로 떨어질 것으로 보이고, SiC(25.%), GaN(6%) 점유율을 갖게 될 것으로 보입니다.

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SiC, GaN 화합물 전력반도체의 특징에 대해서 설명해주세요.

우선 SiC 전력 반도체에 대해서 설명드리겠습니다. SiC 전력반도체는 고전압, 고열에서도 안정적으로 동작 가능한 소자입니다. 탄소와 규소가 결합된 SiC 소재는 다이아몬드 다음으로 단단하여, 가공의 어려움이 있었으나 현재 기술의 발전으로 6인치, 8인치 Size의 Wafer가 생상되고 있습니다. SiC는 Si 대비 전력 손실이 약 ~30% 정도 적으며, 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압인 절연파괴전계가 Si 대비 10배 이상 높기에, 필요한 신재생에너지 발전설비 및 전기자동차에 적용됩니다.

GaN 전력반도체의 경우 동작속도가 매우 높기에, 고주파 소자로 적합한 소자입니다. 빠른 전자이동이 가능한 특성으로 급속 충전기 Application에 주로 사용되고 있으며, 5G 등 차세대 통신 분야에서 전망이 밝습니다. 또한, 앞으로 전기차 충전 시스템, 데이터 센터, 에너지 저장 장치 등에 활용될 전망입니다. GaN 전력반도체는 SiC 보다 저렴한 Si이나 사파이어 기판에서 소자를 양산할 수 있다는 점에서 SiC 대비 Cost Effective하다는 점도 큰 특징입니다. 

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SiC, GaN의 차이에 대해서 설명해주세요.

SiC와 GaN은 초기 비슷한 물성으로 인해 모두 고전력 소자로 개발을 시작했습니다. 그런데, 개발단계에서 SiC는 수직형 소자로 주로 개발이 되었고, 수직형 소자는 주로 고전압 소자로서 강점이 있습니다. 전력반도체에서는 수평형 보다는 수직형이 성능이나 가격면에서 훨씬 유리하죠. 주로 1200V 이상 혹은 최소 650V 이상의 Application을 목표로 하고 있습니다. 전기차나 신재생 에너지 부문, 운송수단이나 나아가서 전력송배전 분야까지 확장될 전망입니다.

GaN는 개발단계에서 수평형 소자로 연구개발이 되고 있고, 고전압보다는 상대적으로 저전압에 적합하다는 것입니다. 동급에서는 Si이나 SiC 대비 월등한 성능을 나타냅니다. 그렇기에 현재는 650V 이하, 최대는 1200V까지는 개발 될 것으로 예상되고 있습니다. Application 관점에서는 가전, 급속충전기, 모바일, 데이터 센터, e-Mobility 전기차 분야 등으로 다양한 응용으로 확장될 것으로 전망됩니다. 

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SiC와 GaN 전력반도체 중 어느 전력반도체가 시장에서 살아남을 것 같나요.

음. 이 두가지 기술은 모두 공존하고 시장을 점유할 수 있는 기술이라고 생각합니다. 두 어플리케이션 모두 활용분야가 명확하고 나누어져 있고, 중복이 되는 Gray 영역은 Si, SiC, GaN가 가격이 중요한지, 혹은 성능 효율이 중요한지에 따라 결정될 것 같습니다.  

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시장규모가 더 큰 SiC 전력반도체 시장에 대해서 간략하게 설명해주세요.

전기차 시장이 점점 더 확대 되면서 SiC 전력반도체 시장이 급 부상하고 있습니다. SiC 전력반도체 산업의 Supply Chain은 대부분 국외에서 진행되고 있었으나, 현재 국내 기업들의 시장 진입으로 활발히 그 입지를 다져가고 있습니다. 국내 주요 기업들로 SK실트론, 온세미컨덕터, LX세미콘, DB하이텍, LG이노텍, 현대모비스 등이 주요 SiC 전력반도체 글로벌 공급망에 포함되어 있습니다. 최근 삼성전자가 LED 사업팀을 전력반도체 사업팀으로 개편하여 SiC와 GaN 전력반도체 시장에 적극적으로 참여한다는 소식이 들려오고 있으며, SK키파운드리 역시 8인치 Wafer로 SiC 전력반도체를 양산할 수 있도록 Wafer 제조기업과 협력 중이라고 밝혔습니다. 

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SiC 전력반도체 시장에서 현재 일어나고 있는 변화는?

SiC 전력반도체 대부분 6인치 Wafer에서 생산되고 있습니다. 하지만 더 많은 Bare Die를 생산할 수 있으며, 비용을 절감할 수 있도록 8인치 Wafer를 사용하고자 하는 움직임이 활발히 일어나고 있쬬. 특히, WolfSpeed, ST마이크로일렉트로닉스, 온세미, 인피니온, ROHM, 등 8인치 Wafer를 사용한 SiC전력반도체 생산의 변화를 주도하고 있습니다. 

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전기차 사이클에 따른 전력반도체의 전망에 대해서 어떻게 생각하나요?

기존의 내연기관 대비 전기차는 전력의 변환과 관리가 매우 핵심적인 기술 분야입니다. 특히 전력반도체의 역할이 매우 중요하며, 수요 역시 크게 증가할 것으로 보입니다. 전기차에 보면 베터리를 충전하는 충전기가 있고 그리고 바퀴를 돌리는 인버터가 있고 다양한 전장시스템을 구동하는 DC 컨버터가 있습니다. 

전기차 보급이 확대되면서 충전 인프라나 혹은 에너지 저장 시스템의 발전도 동반 될 수밖에 없습니다. 이러한 것들이 모두 전력반도체 시장 성장의 기여한다고 할 수 있습니다. 

하지만, 최근에 베터리 화재 이슈도 있고 이러한 상황들이 전기차의 캐즘현상을 심화하고 있는 상황인데요. 이러한 캐즘현상은 초기 시장 진입에서 대중화로 넘어가는 데에 있어서 중간에 거쳐야 하는 하나의 단계라고 생각합니다. 그러한 단계에서는 기술적으로 해결해야 하는 문제점을 시사한다라고 볼 수 있습니다. 

여기에서 전력반도체가 고효율화, 저손실, 열적 안정성 기술을 확보한다면 전기차 성능이 개선될 것이고, 이러한 것들이 캐즘의 시기를 지나서 대중화로 넘어가는 데에 견인차 역할을 할 것으로 생각합니다. 

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첨단 어플리케이션 시대, 전력반도체의 중요성과 활용분야는?

첨단 어플리케이션 시대가 오면서 전력반도체 부문은 매우 강조가 되고 있습니다. 예를 들어, 데이터 센터, 통신 인프라, 고성능 컴퓨팅 시스템에서 막대한 전력을 사용하고 있고, 발생하는 열관리가 매우 중요하게 대두되고 있습니다. 그런 관점에서 고효율 전력반도체 개발과 고신뢰성 전력반도체, 또한 고온에서 동작할 수 있는 전력반도체 기술이 반드시 필수적으로 필요한 상황입니다. 

나아가서 전기차, 신재생에너지 분야, 특히나 에너지 사용 효율이 매우 중요하기 떄문에, 전력반도체의 역할이 매우 중요합니다. 또한 실시간 데이터 전송이 요구되는 IoT나 스마트 가전분야에서도 전력반도체의 중요성이 강조되고 있습니다. 

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전력반도체 산업 성장을 위한 주요 Challenge는 무엇인가요.

전력반도체 산업이 성장하면서 기업 입장에서는 기회인 동시에 기술적인 도전과제들이 많이 있습니다. 특히, 지금은 신기술인 새로운 SiC, GaN로 전력반도체가 세대전환이 되고 있기에, 소자뿐만 아니라, 모듈이나 시스템 레벨에서의 변화가 필요하다고 생각합니다. 이는 이 전체를 아우를 수 있는 고급 엔지니어가 굉장히 핵심적인 역할을 합니다. 국내에서 보면 사실은 수요에 비해서 지금 공급이 좀 많이 딸리는 상황입니다. 그래서 중장기적으로 전문인력을 양성하는 분위기 형성이 필요합니다.

그리고 이 신기술이 지금 초고효율화 전력반도체 기술로 발전하기 위해서는 소자, 패키지, 모듈이 융합해서 일체형 제품으로 나아가는 것이 하나의 발전 방향입니다. 그러기 위해서는 Supply Chain이 지금 각각 나뉘어져 있는 업체들 간의 공동개발이나 협력관계를 통해서 혁신기술 을 개발하는 것이 국내 전력반도체 산업 성장에 있어서 큰 기회를 맞이할 수 있는 부분이라 생각합니다.