전력반도체 산업에 대해 깊이있게 공부해보고자 한다. 21년 4월 출간된 전력 반도체 관련 리포트부터 최근 발간된 리포트까지 찬찬히 읽어보고 발간된 순서대로 정리해보며 전력반도체에 대해 알아가 보겠다. (대충 6개의 산업분석 리포트 수집 완료)

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전력반도체 산업을 선택한 이유는 이제 막 성장이 시작되는 산업이라고 판단되었고, 나의 판단에 대한 확신을 얻고자 공부해본다.

*해당 글은 21년도 출간된 리포트이므로, 해당 시점의 전력 반도체 분석이라는 점을 감안해주세요. 리포트 발간 순으로 정리해 전력반도체 이해를 높여가려고 합니다.

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화합물 반도체는 2종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로 우리에게 익숙한 실리콘(Si),게르마늄(Ge)과 같은 단원소 반도체와 구분된다. 단원소 반도체는 가파른 기술적 진보를 이루어 냈지만 반도체 공정 선폭이 작아지며 생산공정의 어려움과 발열 문제 등으로 새로운 해결책이 필요하게 되었다. 발열, 기능 개선을 위한 차세대 반도체로 화합물 반도체 활용이 확대될 전망이다.

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대표적인 화합물 반도체로 SiC, GaN, GaAs 등이 있다. 단원소 반도체와 달리 화합물 반도체의 경우 원소의 조합을 목적에 따라 변화시킴으로써 특화성 있는 반도체를 제조 가능한 장점이 있다.

SEM은 21년 전력 및 화합물 반도체 투자 예상 금액을 7조원으로 전망했다. 삼성전자, TSMC와 같은 글로벌 반도체의 연간 투자 금액이 30조원 수준임을 고려했을 때 큰 금액은 아니다. 하지만 성장 속도 및 활용되는 어플리케이션의 확대에 따라 폭발적 성장이 예상된다.

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화합물 반도체는 방위 산업에서 많이 사용되었지만 5G 통신망, 전기차 시장, 신재생 에너지 생산시설 등으로 확대될 것으로 예상된다. 대만은 전력 반도체에 집중, 북미 지역은 화합물 반도체 생산량 증가에 중점을 두고 있는 것으로 판단된다.

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기존의 단원소 반도체를 사용할 때 전력소비량의 증가와 누설 전류로 발열 현상이 심해지는 문제점이 발생하자 화합물 반도체가 대체 물질로 각광받고 있다. 하지만 실리콘 기반 반도체 생산을 위해 투입한 투자금액이 너무 커 신소재와 신기술이 개발되더라도 쉽게 반도체 생산 공정을 바꾸기는 어려운 상황이다.

화합물 반도체는 기존 단원소 반도체 대비 우수한 성능을 가지고 있다.

• 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮고, 전력 소비가 낮을수록 발열량이 낮아짐

• 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체 대비 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적음

• 화합물 반도체의 전자 이동속도 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠름, 소비전력 기존 반도체 대비 1/8 수준

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전력 반도체 (SiC, GaN)

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전력반도체는 전력 변화에 쓰이는 반도체로 스마트 그리드, 전기차 등 신규 수요에 힘입어 급성장 하고 있는 반도체이다. 전력반도체 시장은 국내 뿐 아니라 해외에서도 상용화 초기 단계이기에 기업들의 노력에 따라 점유율 확대가 가능한 상황으로 판단된다.

• SiC, GaN 전력 반도체의 판매액은 18년 5억 달러 -> 20년 8억 5천만 달러로 2년간 49.6% 성장함

• 화합물 전력 반도체 시장은 향후 10년간 매년 2자릿수 성장을 지속해 29년 시장 규모는 50억 달러를 넘어설 것으로 전망됨

• SiC 파워 모듈은 전기차와 충전기에 적용이 확대될 것으로 예상됨

• 전력 반도체의 작동온도는 상한 600도로 높고 열전도율이 높아 인버터 소형화가 가능함

• 송배전용, 분산 전원용 전력 소자로 화합물 반도체 적용 시 전력 변환 손실폭 감소, 소비전력 감소, 주변부품의 소형화 가능

• 화합물 반도체 적용 시 부품 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있음

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대부분의 글로벌 리딩 기업은 GaN과 SiC에 집중하고 있음

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GaN(질화갈륨) 반도체

• 우수한 전자 이동성, 열전도 특성으로 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력 및 라디오 주파수 소자에 이상적임

• 가전, 통신HW, 전기자동차 등 반도체가 사용되는 모든 부품에 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상은 필수적

• GaN은 SiC와 유사한 성능 이점을 제공하지만, 비용 절감 가능성이 높음

• 자동차 분야에서는 PHEV 온보드 충전기 어댑터, 자동차용 DC-DC컨버터, LIDAR용 드라이버에 사용됨

• GaN은 집적도가 높은 IC회로 제작엔 한계가 있음

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SiC(탄화규소) 반도체

• SiC 반도체 : 실리콘 + 탄소를 1대 1로 결합해 만든 반도체

• SiC반도체를 이용하려면 약 2400도 초고온에서 단결정 생성 후 얇게 절단 공웨이퍼를 제작해야 해 기술 난이도가 높음

• SiC 반도체는 같은 두께의 실리콘 반도체 대비 10배의 전압을 견뎌낼 수 있어 고전압 고열에서 정상 작동 가능

• 즉 Si 반도체 대비 1/10 크기로 동등한 전압 제어 기능 확보, 이에 따른 부피 감소

• 가격은 Si 대비 2배 이상, but SiC 사용 시 전기차 주행거리 10% 증가, 충전시간 감소로 필수 부품으로 자리 잡을 전망

• SiC전력 반도체 20년 7억 달러 -> 30년 100억 달러로 연평균 +32% 성장 전망

• EV 모터용 인버터에 SiC 전력반도체 사용 -> 인버터 고효율화, 저소음,소형화,경량화,공간 절약 가능에 따른 시스템 경량화 및 소형화 가능

• 현재는 태양광용 인버터 분야 중심으로 사용 확대 중이지만, 전기자동차 분야에 빠르게 확산될 것

GaN, SiC를 동시에 개발하는 업체로는 독일의 인피니온(Infineon)이 있음

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Infineon Technologies( IFX GR)

• 독일을 대표하는 자동차 반도체 기업

• 완전 전기차에는 750달러 이상의 반도체가 사용되고 있음

• 동사는 차량용 전력반도체 시장에서 높은 생산 경쟁력 보유, 경쟁력 강화를 위해 반도체 개발 진행 중

• 실리콘 기반 전력반도체 300mm 웨이퍼로 생산, 경제성 확보

• Cree와 장기계약으로 SiC 웨이퍼 공급선 확보

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On semiconductor (ON US) -온세미컨덕터 ( 21년 당시 주가 $42.96)

• 글로벌 2위 전력 반도체 기업, 900V, 1200V SiC MOSFET제품군 보유중

• 올해 650V SiC MOSFET 출시를 통한 제품 라인업 확대 준비 중

• 산업용 전력 부분과 에너지 Control 분야에는 SiC 반도체 시장 개척 중

• 5G 시스템과 소비자 전원공급 시장은 GaN 활용 중

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21년도 4월 발간된 전력 및 화합물 반도체 산업 분석에 대한 리포트를 정리해보았습니다. 전력 반도체에 대한 대략적인 이해와 방향성이 어느정도 잡힌 것 같습니다. 아직 5개 가량의 리포트가 남아있으니 찬찬히, 더 깊게 공부해보도록 하겠습니다. 다음 전력반도체 산업분석 리포트로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다!