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 발빠르게 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.
미래 먹거리 SiC 전력반도체,
산학연관 유기적 협력으로 선점해야
■ 4차 산업혁명·전기車 시장 대비 전력반도체 육성
4차 산업혁명은 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터, 모바일 등 첨단 정보통신기술이 경제·사회 전반에 융합되어 혁신적인 변화가 나타나는 차세대 산업혁명을 말한다. 인공지능, 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 모바일 등 지능정보기술이 기존 산업과 서비스에 융합되거나 3D 프린팅, 로봇공학, 생명공학, 나노기술 등 여러 분야의 신기술과 결합되어 실세계 모든 제품·서비스를 네트워크로 연결하고 사물을 지능화하는 특징을 가진다. 4차 산업혁명은 <그림 1>과 같이 특정 분야의 기술에 한정되지 않으며, 다양한 산업과 기술이 서로 복잡하게 얽혀있는 양상을 가진다. 이러한 새로운 패러다임에 발맞추어 정부는 2017년 10월11일 4차 산업혁명위원회를 발족하여 적극적으로 4차 산업혁명을 대응하고 있으며, 대한민국의 새로운 산업 성장 동력을 확보하려는 노력을 기울이고 있다.
4차 산업혁명에 관련된 산업은 표면적으로는 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터 등의 소프트웨어 분야만 생각하기 쉽지만, 소프트웨어 분야의 발전에 기반이 되는 하드웨어 산업의 발전도 필수적으로 수반되어야 한다. 하드웨어 산업 중 특히, 전력 반도체는 인공지능, 로봇, 사물인터넷, 스마트팩토리, 전기자동차 및 자율주행차, 스마트 물류 등의 분야에서 채용이 확대될 것으로 전망되고 있어 그 중요성이 증대되고 있는 산업분야이다. 이중 전기자동차는 최근 폭발적인 관심을 받고 있는데, 실제 도로에서 주행되는 전기자동차를 찾아보기가 어렵지 않을 정도로 우리 실생활에 밀접하게 다가오고 있다. Bloomberg New Energy Finance 보고서에 따르면 미래에는 전기자동차가 기존 내연기관 자동차 시장을 대체할 것으로 전망하고 있다. 본 보고서에서 흥미로운 점은 2015년과 2016년의 예상 시장 규모가 큰 차이가 나는데, 전기자동차 시장이 예상을 벗어날 정도로 빠르게 성장하고 있다는 것을 의미한다.
각종 선진국에서의 최근 환경규제 정책은 전기자동차 시장성장에 가속도를 붙여주는데, 유럽 내에서는 네덜란드와 노르웨이가 먼저 2025년부터 내연기관 자동차의 판매를 금지하고 전기차만 판매한다고 밝혔다. 이어 영국, 프랑스, 독일도 내연기관차 판매금지 정책을 추진 중에 있다.
미국과 중국의 경우에도 친환경차 비율을 점차 늘리는 제도를 확대해 나가고 있고 내연기관 자동차의 생산, 판매를 중단하기 위한 일정표를 마련 중이다. 우리나라 역시 하이브리드 차량을 포함하여 내연기관이 채택된 차량의 판매를 금지하는 법안이 발의된 적이 있으며, 향후 선진국들의 행보에 맞춰 국가 정책을 운영할 것으로 예측된다.
이러한 전기자동차에 핵심부품 중 하나인 전력반도체는 전기자동체 내에서 배터리와 전기모터를 연결시켜주는 인버터로 사용되는데, 안정된 주행과 연비의 향상을 위해서는 고성능의 인버터가 필수적이다.
이에 따라 정부에서는 4차 산업혁명을 준비하고 동시에 전기자동차 시장을 선점하기 위하여 다양한 형태로 전력반도체 개발을 지원하고 있다. 일찍이 시작된 ‘세계일류소재(WPM; World Premier Materials)’ 사업은 2010년 9월에 시작되었으며, 전력반도체 재료 중 가장 실용화에 유망하다고 평가받는 SiC(탄화규소)가 미래 유망 핵심소재 중 하나로 지정되어 대규모의 투자를 지원 받고 있다.
전기車 급속 성장, 韓 WPM 등 국책과제 통한 전력반도체 개발 지원
SiC 전력반도체 수입의존 심화, NINT 기술확보·산업화 촉진 중점 추진
소재부분뿐만 아니라 소자 분야에도 투자가 이뤄졌는데 2017년부터 ‘소재부품산업 미래성장동력사업(신산업 창출 파워반도체 상용화사업)’을 국책과제로 선정하여 지원을 아끼지 않고 있다. 본 사업은 Si(규소), SiC, GaN(질화갈륨) 소재를 기반으로 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET; Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 소자를 개발하는 것이 주를 이루고 있으며, MOSFET 소자는 전기자동차의 인버터에 사용되는 전력반도체 소자이다.
이밖에 2017년 4월에는 2022년까지 수행되는 국제 공동연구 지원 국책과제인 ‘해외우수연구기관유치사업’에 SiC기반 MOSFET 소자개발 주제가 선정되는 등 국내의 기술 개발 뿐만 아니라 해외기관과의 공동연구에도 정부의 적극적인 투자가 이루어지고 있다. ‘해외우수연구기관유치사업’에서는 포항공과대학교 나노융합기술원이 독일 프라운호퍼 IISB와 SiC 전력반도체의 실용화를 위해 공동연구를 진행하고 있다.
■ 가장 상용화에 근접한 SiC 전력반도체
앞서 살펴보듯 정부의 적극적인 투자에 힘입어 국내 산·학·연 기관들의 기술개발도 활발히 진행되고 있다. 전력반도체는 그 성능에 따라서 에너지를 효율적으로 사용할 수 있으며, 전력공급 장치나 전력변환 장치의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 기존에는 Si 기반의 전력반도체가 대부분의 제품에서 사용되어 왔지만, 동작온도나 속도, 효율 등에서 차세대 전력반도체의 요구를 충족시키기 어려워지면서 재료특성이 Si에 비해 우수한 SiC와 GaN 등의 차세대 전력반도체 연구가 활발히 이루어지고 있다. SiC와 GaN은 넓은 에너지 밴드 갭(wide energy band gap)물질들로 절연파괴전계, 열전도도 및 전자이동도의 특성이 우수하기 때문에 고전압 및 고온동작에 유리하며 전력 손실의 감소에 유리하다.
전력반도체는 전압 범위에 따라서 응용분야가 달라지며, 소형 전자기기에서부터 고속철도 및 풍력발전 등 대규모 전력 시설에도 사용되고 있다. 저전압 응용분야의 경우 Si기반 전력반도체 소자가 차세대 전력반도체 소자 개발 이후에도 지속적으로 시장을 확보할 것으로 예상되며, 중·고전압 응용분야의 경우 SiC 및 GaN기반 전력반도체 소자가 그 시장을 차지할 것으로 예상된다. 특히 SiC의 경우 다른 차세대 전력반도체 물질과는 다르게 양질의 상업용 기판이 구현 및 발전되고 있기 때문에 상용화에 가장 근접한 전력반도체 물질로 평가되고 있으며, 전기자동차 분야에서도 SiC 재료의 전력반도체를 채용한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
SiC 전력반도체 소자는 그 활용 용도에 따라서 다이오드(diode), MOSFET, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT; insulated gate bipolar mode transistor) 등으로 나뉠 수 있다. 이중 인버터로 활용될 수 있는 SiC MOSFET 소자에서 구동 특성과 신뢰성에 직·간접적인 영향을 미치는 다양한 이슈들이 존재하며, 특히 고성능 소자 구현을 위한 소자 구조 설계, 고품질 게이트 산화막 형성, 에피 성장된 SiC 내부의 다양한 결함 등이 선결해야 할 핵심 이슈들이다.
SiC MOSFET은 구조적으로 <그림3>과 같이 planar MOSFET에서부터 최종적으로는 superjunction MOSFET 구조까지 개발될 것으로 전망된다. 그 이유는 SiC와 비슷한 재료 및 공정을 가진 Si MOSFET소자 역시 planar MOSFET을 시작으로 최종적으로 superjunction MOSFET까지 개발된 역사가 있기 때문이다. 현재 선진국에서는 planar MOSFET은 제품화까지 완료가 된 상황이며 trench MOSFET과 superjunction MOSFET의 제품화를 위해 연구개발에 힘을 쏟고 있다.
■ SiC 전력반도체 원천기술 확보 위한 산·학·연 협력 시급
SiC 전력반도체는 기판, 에피 성장, 소자 제작 기술 개발로 나눠지며 대부분 미국, 일본, 유럽의 선진업체와 연구기관이 핵심 원천 기술을 보유하고 있다. 이에 반해 국내 SiC 전력반도체 분야는 원천기술 부족과 해외 특허 등으로 인해 다이오드 위주의 소자가 주력으로 개발되었으며, MOSFET와 IGBT와 같은 3단자 전력소자 개발 및 제작은 선진국들에 비해 아직 미흡한 상황이다.
국내에서는 고품질의 SiC 단결정 웨이퍼 공급을 위해 LG 이노텍, 포스코, SKC, 사파이어테크놀로지, LG화학, 세라믹기술원 등이 단결정 기판 및 에피성장 기술개발을 수행 중이며 SiC 소자개발을 위해서 한국전기연구원, 한국전자통신연구원, 한국나노기술원, 광전자, 트리노 테크놀로지, 광운대학교 등이 소자 개발을 진행 중이다. 국내 최초의 SiC 전력반도체는 2007년 한국전기연구원과 ㈜이츠웰이 공동 개발한 600V-5A 급 SiC 쇼트키 다이오드로 당시 600V의 내전압 및 순방향 통전 특성 등의 기본적인 성능을 구현하였다.
포스텍 나노융합기술원은 2017년도부터 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 국제공동연구 과제인 ‘해외우수연구기관유치사업(GRDC)’을 독일 프라운호퍼 IISB와 공동으로수행중에 있다. 이 연구는 SiC MOSFET 기술 로드맵의 최종에 자리하고 있는 SiC superjunction MOSFET의 개발을 최종 목표로 하고 있으며 기술개발의 수준이 높은 만큼 실용화부분 세계 선진연구기관인 프라운호퍼 IISB와의 긴밀한 협업이 필수적이며 이를 위해 상호 전문 연구인력을 파견하여 연구를 진행해 오고 있다. 또한, 과제에서 개발된 기술은 경상북도와 포항시의 지원으로 구축 예정인 ‘첨단기술사업화센터(2019년 준공 예정)’와 연계하여 전력반도체 관련 유망 중소벤처기업을 유치하고 육성할 계획에 있기 때문에 SiC전력반도체 기술 확보 및 기업을 통한 실용화에 있어 ‘해외우수연구기관유치사업(GRDC)’ 은 매우 중요한 seed 사업의 역할을 담당하고 있다.
또한, SiC 전력반도체 저변확대 및 산업화를 촉진하기 위해 2017년부터 ‘제1회 SiC 2017 심포지엄’을 개최하였으며 올해도 SiC 2018을 11월 중에 개최할 예정이다. 올해에는 미국, 일본, 스웨덴, 폴란드, 스위스 등의 실력있는 전문가가 참여하여 SiC 연구 및 실용화 결과를 발표할 계획이다.
국내의 경우 원천 기술 부족과 해외 특허 등으로 인해 SiC 전력반도체 시장의 90% 이상을 해외 수입에 의존하고 있다. 따라서 향후 급성장할 SiC 전력반도체 시장의 수입 의존도를 개선하기 위해 국내의 산업체, 연구기관, 대학의 지속적인 연구가 필수적이다. 앞서 소개한 바와 같은 공격적인 연구 및 투자가 지속적으로 이루어져 우리나라가 세계전력반도체 시장을 제패하기를 희망하며, 국내 각 연구기관들의 유기적인 협력을 기대해 본다.
▲<그림1>4차 산업혁명 관련 과학·기술-산업 간 연계도(4차 산업혁명위원회 회의자료)
▲<그림2>전기자동차 시장전망관련 Bloomberg New Energy Finance 보고서
▲<그림3>SiC MOSFET 구조 개발 전망
▲SiC 2017 심포지엄 단체사진 및 포스터
