[전력반도체] 화합물 반도체 SiC, GaN

 

화합물 반도체란? 시장동향 및 투자상황은?

· 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로 우리에게 익숙한 Si( 실리콘), Ge( 게르마늄) 과 같은 단원소 반도체와 구분 할 수 있음

· 단원소 반도체는 지난 반세기 동안 가파른 기술진보를 나타냈지만 반도체 공정 선폭이 10나노 미만에 다다르며 생산의 어려움과 발열 문제등 Si의 물성 한계에 따른 근본적 문제점이 부각되고 있음

· 트랜지스터 집적도가 늘어날수록 실리콘 반도체의 물리적 한계로 인해 더 이상 속도 향상을 기대하기 어려워짐

· 반도체 소자 성능 개선과 발열 문제 해결을 통한 효율성 개선을 위해 화합물 반도체 활용이 필수적이며 실리콘 기반 반도체 소자 한계를 극복하기 위해 실리콘 보다 전자 이동 속도가 5 ~10배 이상 빠르고 전력 소모량도 10배 이상 적은 화합물 반도체가 실리콘 대체 물질로 각광받고 있음

· 하지만 지금의 반도체 회사들이 실리콘 기반 반도체 생산을 위해 투입한 투자금액이 너무 커 신소재와 신기술이 개발되더라도 쉽게 반도체 생산 공정을 바꾸기는 어려움

 

· 화합물 반도체의 주된 어플리케이션은 비메모리 반도체이며 시스템 반도체, 개별 소자, 광 소자 로 구분 할 수 있음

· 시스템 반도체 점유율은 미국 58.1% 일본 18.5% 한국 5.1% 수준이며 화합물 반도체 시장 기술 성숙도도 이와 유사함

· 화합물 반도체가 폭넓게 사용된 시장은 방위산업 분야 였지만 5G 통신망 확대 전기차 시장 성장 신재생 에너지 생산시설 확대로 보편적 사용이 가시화되고 있음

· SEMI 에 따르면 2019년 기준 전세계적으로 804개의 전력 및 화합물 반도체 생산시설이 존재하고 있으며 이 생산시설 CAPA 는 200 mm(8 인치) 웨이퍼 기준 월 800만장 이며 2024년에는 약 38개의 신규 생산시설이 추가로 운영을 시작해 +20% 의생산량이 증가한 월 960 만장이 될 것으로 전망

 

· 지역별로 구분해 보면 중국 전력 반도체 CAPA는 2024년까지 +50% 증가, 화합물 반도체는 +87% 성장할 것으로 전망되며 전세계적으로 가장 빠른 성장세 나타낼 것으로 예상

· 향후 전기차 5G 시대 주도권 확보를 위해선 전력 및 화합물 반도체 산업에서의 리딩 파워가 필요해 각국은 공격적 투자를 이어갈 것

· 대만은 전력 반도체에 집중 북미 지역은 화합물 반도체 생산량 증가에 중점을 두고 있는 것으로 판단됨

 

 

 

전력반도체 구분

 

 

 

왜 화합물 반도체인가?

· 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮음

· 전력 소비가 낮을수록 발열량도 낮아짐

· Ⅲ-V 족 화합물 반 도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있음

· 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금 까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용되고 있었음

· Ⅲ-V 족 화합물로는 현재 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP) 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행중

· Ⅲ-V 족 화합물 반도체에서 전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르고 소비전력도 기존 반도체 대비 1/ 8 ~ 1/10 수준

 

 

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화합물 반도체 시장 주인공은 둘 GaN , SiC

· 다양한 화합물 반도체가 존재하지만 근시일내 폭발적 성장을 나타낼 것으로 확실시 되는건 GaN 질화갈륨 과 SiC 실리콘 카바이드

· GaN 은 빠른 스위칭 속도와 밴드갭이 Si 대비 3배가 높아 RF 장비 및 가전 전력 변환 장치 사용에 용이

· SiC 는 고전압과 고내열성을 보유하고 있고 밴드갭이 Si 대비 3배가 높아 전기차 및 전력 변환 장치 사용에 용이

· 글로벌 자동차 반도체 전문 기업들과 전력반도체 전문 업체들은 이미 8인치 웨이퍼 상용화 단계에 돌입

· 국내 기업들은 이제 4인치 웨이퍼 상용화를 끝내고 6인치에 도전하고 있어 아직 글로벌 리딩 기업과의 기술 격차가 존재

· 향후 가장 빠르게 성장할 것으로 예상되는 전기차 시장과 RF 시장 내 부가가치 확보를 위해 화합물 반도체 시장 진출은 필수적

 

전력 반도체

· 전력 반도체는 전력 변화에 쓰이는 반도체로 스마트 그리드 전기차 등 신규 수요에 힘입어 급성장 하고 있음

· 글로벌 전력반도체 시장은 2019년 400억 달러 2020년 450억달러까지 +12.5% 성장

· 화합물 전력 반도체 시장 규모는 2021년 10억달(1조 2천억원)에 도달 할 것으로 전망

· 국내 전력반도체 시장은 소비량의 90% 를 해외에서 공급 받고 있음 PMIC(전력관리반도체) 일부만 국내 생산 중

· 해외기업 특허 선점으로 국내 기업이 자체적으로 생산하기엔 채산성이 맞지 않았음

· 하지만 최근 전기자동차 보급확대로 화합물 전력반도체 시장이 집중을 받고 있어 글로벌 기업들의 투자와 연구가 집중되고 있음

· 화합물 전력 반도체 시장은 해외에서도 상용화 초기 단계라 국내 기업들 노력에 따라 점유율 확대가 가능한 상황으로 판단됨

· Omdia 에 따르면 SiC, GaN 전력 반도체의 판매액은 2018년 5억 7100만 달러 2020년 8억 5400만 달러로 2 년간 +49.6% 성장함

· 화합물 전력 반도체시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수 성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50 억 달러를 넘어 설 것으로 전망

 

전력반도체별 기술 발전 단계

 

 

전력반도체 성장이 화합물 반도체 시장을 이끌 것

· 화합물 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있음

· 화합물 전력 반도체 중 사업성 높은 GaN 과 SiC 전력 반도체가 시장 관심을 받고 있으며 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN 과 SiC 에 집중

· 다만 생산 비용이 Si 전력 반도체 대비 높고 공정 개발이 성숙되지 않아 생산성이 떨어짐

· 하지만 전기차 보급 확산으로 시장이 빠르게 성장해 기술이 점차 축적되고 있어 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상

 

 

GaN(질화갈륨)

· 질화갈륨 GaN 은 우수한 전자 이동성과 강한 파괴 전압 우수한 열전도 특성을 지니고 있어 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력과 라디오 주파수(RF) 소자에 이상적

· 가전 통신 하드웨어 전기자동차를 막론하고 전력 변환율 향상 전력 밀도 증진 배터리 수명 연장 스위칭 속도 향상이 필요

· GaN 은 2005 년 이후로 여러 산업에 상당한 파급효과를 끼쳤음

· GaN 은 SiC 와 유사한 성능 이점을 제공하지만 비용 절감 가능성은 더 높음

· SiC 보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 양산할 수 있기 때문에 가격과 성능 두 마리 토끼를 잡을 수 있음

· 전력 반도체는 크게 군수 무선 통신망 고전력 및 케이블 TV/ 위성통신섹터가 주된 사업영역이며 전력 공급 애플리케이션을 담당

· 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터 / 자동차용 DC-DC 컨버터 / LIDAR 용 드라이버에 사용

· GaN 트랜지스터를 사용하고 있는 엔드제품 중 최근 가장 빠르게 대량 생산되고 있는 제품은 USB C 타입 전원 어댑터와 충전기임

· GaN 은 가격이 비싸고 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있음

· GaN 을 구성하는 Ga 와 N 원자간 내부 전기장이 높고 전자와 정공의 결합에너지가 낮아 양자효율이 떨어짐

· 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6 인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야함

 

 

 

 

SiC(실리콘카바이드)

· 실리콘과 탄소를 일대일로 결합해 만든 SiC 는 탄화규소 또는 실리콘 카바이드로 표현

· 다이아몬드 다음으로 단단한 특성 때문에 반도체 재료보다는 사포나 숫돌 등 연마용 재료로 많이 사용했음

· SiC 를 반도체로 이용하려면 약 2,400℃ 초고온에서 단결정을 만든 후 얇게 절단 공웨이퍼를 제작해야 함(기술 난이도 上)

· SiC 반도체는 같은 두께의 실리콘에 비해 약 10 배의 전압을 견뎌낼 수 있어 고전압 고열에서 정상 작동 가능

· Si 반도체 1/10 크기로 동등한 전압 제어 기능을 확보할 수 있어 부피를 줄일 수 있음

· SiC 전력 반도체는 기존 재 료 인 실리콘 대비 10 배의 전압과 5 배 고열에도 동작 가능해 고전압이 쓰이는 전기차에 적합(600 V)

· 가격은 Si 대비 2 배 이상이지만 주행거리를 10% 이상 늘릴 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리 잡을 전망

· SiC 는 Si 보다 밴드갭이 넓어 절연파괴 전압 (Breakdown Voltage) 이 큰 소자를 제조할 수 있음 (2.86~ 3.2eV)

· 결국 소자를 얇게 할 수 있으며 도프 농도를 높일 수 있어 온저항(RON)을 줄여 냉각 장치 무게와 부피까지 줄여 연비가 상승

 

· SiC 전력 반도체 2020년 7억 달러 2030년 100억 달러로 연평균 32% 성장 할 것으로 전망

· 도요타 자동차는 2014 년 부터 SiC 전력 반도체를 채용한 하이브리드 자동차를 시범 운용 중

· 전기차에 탑재되는 모터 회로 1 개 스위치에 2~3 개의 IGBT 칩을 병렬로 실장하는데 SiC 는 회로에 탑재하는 칩의 개수를 줄일 수 있어 인버터 소형화와 비용 절감을 가능하게 해줄 수 있음

· 실장 칩 개수를 줄이기 때문에 주변 부품 간소화 가능하며 시스템 경량화 및 소형화 가능

· 현재는 PFC 와 태양광용 인버터 분야를 중심으로 사용 확대되고 있지만 향후 전기자동차 분야로 빠르게 확대될 것

· 24 년까지 SiC 전력반도체 시장이 20 억달러 규모까지 성장할 것으로 전망(2020년 글로벌 파워반도체 시장 344 억 달러)

· 세계 20 위권 내 국내 기업 없음

· 전력 반도체용 SiC 소재는 일부 상용화되어 판매되고 있지만 고품질화와 가격 현실화 문제가 남아있음

 

 

 

전력반도체 국내 동향

· POSCO 는 21년 상용화를 목표로 SiC 웨이퍼 제작에 필요한 소재 개발 중

· 현대 자동차 또한 SiC 전력반도체를 직접 설계해 파운드리를 맡길 계획을 보유중

· 최근 공개한 아이오닉 5 에 탑재된 인버터 파워모듈은 인피니언이 개발한 제품을 사용했지만 향후 독자 개발한 SiC 반도체가 들어간 전력 모듈 출시할 것으로 전망

· 현대자동차 그룹은 현 현대오토에버 구 현대오트론을 통해 SiC 전력 반도체 개발 연구를 2016 년 부터 진행해 왔으며 그룹의 이러한 프로젝트는 현대 모비스 전력변환 설계팀과 현대차 남양 연구소 전력 변환 설계팀도 참여해 진행된 것으로 확인

· 현대차는 도요타의 반도체 기술 직접 개발 전략을 빠르게 습득하고 있음

· 현대 모비스 현대 오트론 반도체 사업 인수 결정

· 향후 자동차를 넘어 모빌리티 전문 기업이 되기 위해서 반드시 반도체 관련 기술을 보유해야 한다고 판단한 것

· 현대 모비스는 E GMP 모듈을 현대차 뿐만 아니라 해외 브랜드향 판매도 염두하고 있어 화합물 전력반도체 기술 내재화는 필수

 

· 국내에서 유일하게 화합물 반도체 제작용 웨이퍼 생산이 가능한 기업은 SK 실트론

· SK 실트론은 지난 7 월 15 일 미국 미시간주 공장과 듀폰으로부터 5 400 억원에 인수 관련된 인력 150 명을 충원하겠다고 발표

· 투자 금액은 3 년간 3 억달러 약 3 400 억원 를 투입할 예정이며 금번 투자가 완료되면 동사가 보유한 SiC 웨이퍼 생산능력은 현재보다 6 배 증가할 것으로 전망

· 투자를 통해 SK 그룹은 전기차 관련 사업 두개를 2 차전지 화합물 전력 반도체용 웨이퍼 미국 시장에서 직접 수행

 

 

· 25 년까지 수요 연계 R&D 를 통해 차세대 전력 반도체 상용화 제품을 5 개 이상 개발

· 25 년까지 양산 가능한 6 8 인치 파운드리 인프라 국내 구축

· 2025 년까지 300 억원을 지원해 제품개발 기반기술 강화 제조공정 확보

· 전력반도체는 CPU, GPU 수준의 설계는 필요 없어 결국 경쟁력 있는 양산 기술력 확보가 중요

· 현재 SiC 공정은 6 인치가 주력으로 2025 년 8 인치 전환이 유력하며 2025 년이 전력반도체 시장의 본격 성장기 진입이라 예상

 

 

 

 

 

 

주요 실리콘카바이드 업체 동향

 

 

충전인프라 문제 해결엔 SiC 전력반도체

· 순수 배터리 전기차는 배터리 생산 성능 개선 재활용 충전 인프라 확보와 같은 굵직한 문제들에 대한 해결책이 더 필요한 상황

· 위에 언급된 극복 과제 중 성능 개선과 충전인프라 확보는 고성능 반도체 기술로 해결 가능

· 특히 충전 인프라 문제는 전기차 충전시간을 기존 화석연료 차량의 연료 충전 시간과 유사한 수준까지 끌어 올려야 함

· 다이오드 MOSFET 드라이버는 고전력 충전 회로에 있어 중요 소자이며 화합물 전력반도체로 전환해 효율과 성능개선 가능