[전장부품] GaN, SiC 화합물 전력 반도체의 개념과 밸류체인 이해하기

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화합물 반도체 리포트

 

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1. 화합물 반도체란?

 

화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성돼있는 반도체다. 기존의 반도체라 하면 단일 Si(실리콘) 웨이퍼로 이루어진 반도체를 말하는데, 화합물 반도체는 GaN(질화갈륨), SiC(실리콘 카보네이트)와 같이 두 개의 원소로 이루어진 웨이퍼로 만든다. 

 

 

 

 

기존의 Si 반도체는 계속 발전돼 왔어서 현재 10 나노까지 온 상태다. 집적도가 늘어날수록 Si의 물리적 한계로 더 이상 속도 향상이 어렵고, 발열 현상이 심해지는 문제점이 생긴다.

 

이러한 문제를 해결하고자, 화합물 반도체가 개발되었다. 화합물 반도체는 Si 반도체보다 전력 소비가 낮고, 높은 온도에도 내구성이 높고, 고전압이라는 장점이 있다. 또, 부품 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있다. 단점으로는 아직 제조공정이 비싸다는 것이다.

 

 

 

 

▶ 다양한 화합물 반도체가 존재하지만 근시일 내 폭발적 성장을 나타낼 것으로 확실시되는 건 ① GaN(질화갈륨)과 ② SiC(실리콘 카바이드)다.

 

GaN은 고전압, 높은 열전도율과 높은 주파수 스위칭 속도를 갖추고 있어, 라디오 RF 소자나 가전제품에 적합하다. GaN은 SiC와 유사한 성능을 가지면서도 저렴한 기판에서 만들 수 있기 때문에 비용 절감 가능성도 갖추고 있다. 자동차 분야에서는 충전기, 직류-직류 컨버터, 라이다 센서 소자에 쓰인다. 

 

SiC은 만드는 기술 난이도가 높지만 고전압, 고열에서 견딜 수 있기 때문에 전기차의 소자로 적합하다. 가격은 Si 반도체에 비해 많이 비싸지만 주행거리를 10% 이상 늘릴 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리 잡을 전망이다. 냉각 장치와 같은 부품들의 무게와 부피도 줄여줘 연비가 상승한다.

 

 

 

 

 

 

 

GaN과 SiC로 대표되는 화합물 반도체는 그럼 어디에 주로 쓰일까? 

 

태양전지, LED와 같은 광소자(태양전지 - GaAs, LED - GaN)와 전력 반도체(주로 SiC)에 쓰이게 된다.

 

특히, 전기차 시장이 커지면서 중요해지는 게 바로 전력 반도체다. 전력 반도체에는 SiC가 주로 쓰이는데, 전기차에 SiC가 어떻게 쓰이고, 각 기업들이 어떤 성장 전략들을 취하고 있는지 살펴보자.

 

 

 

 

 

2. 전기차와 화합물 전력 반도체

 

 

전력 반도체는 비메모리 반도체의 하나로, 전력을 변환 · 처리 · 제어해주는 반도체다. 전력 반도체는 MCU로 대표되는 제어용 반도체와 더불어 가장 중요한 차량용 반도체라고 볼 수 있다. 전기차, 자율주행차에는 기존 내연기관차보다 훨씬 다양한 차량용 반도체가 들어가는데 그 종류를 정리하면 아래와 같다. 그중 맨 아래 고효율 화학물 전력반도체에 주목하자.

 

 

 

 

내연기관차에서 전기차로 전환되면서, 전력 반도체도 기존 Si 반도체에서 화합물 반도체로 전환되고 있다. 

특히 SiC 화합물 기반의 전력 반도체가 상용화될 가능성이 크다. 

 

순수 배터리 전기차는 극복해야 할 과제들이 존재한다. 배터리 생산, 성능 개선, 재활용, 충전인프라 확보와 같은 굵직한 문제들에 대한 해결책이 필요한 상황이다. 이러한 극복 과제 중 배터리 성능 개선과 충전인프라 확보는 고성능 전력 반도체 기술로 해결이 가능하다. 이때, SiC 전력 반도체가 급속, 완속 충전기의 인버터 드라이브에 쓰이게 된다.

 

 

 

 

▶ 전력 반도체는 CPU, GPU 수준의 설계가 필요 없기 때문에 결국 경쟁력 있는 양산 기술력 확보가 중요하다.

 

이와 더불어 많은 완성차 업체들이 전력 반도체의 내재화를 위해 많은 투자를 하고 있는 상황이다.

 

도요타는 완성차 회사 중 유일하게 반도체 설계 역량과 생산공장을 보유하여, SiC를 활용한 전력 반도체를 개발하고 있고 실제 하이브리드 자동차 모델에 채용하고 있다. 현대 자동차 또한 SiC 전력 반도체를 직접 설계해 파운드리를 맡길 계획을 세웠으며, 현대 모비스가 현대 오트론 반도체 사업부를 인수하면서 실제 가시화되고 있다. SK그룹도 국내에서 유일하게 화합물 반도체 제작용 웨이퍼 생산이 가능한 SK 실트론을 인수하면서 2차 전지 사업과 함께 화합물 반도체 사업을 영위하며 시너지를 일으키고자 하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

☞ 화합물 반도체와 관련된 국내 기업으로는 실리콘웍스, 예스티, 에이프로, RFHIC, LX세미콘, DB하이텍이 있다. 추천 기업은 보고서를 직접 참고하세요!

 

 

 

 

IT_210413_전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체.pdf

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IT_210727_전환의 시대. 화합물 반도체.pdf

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