[테크다이브] 미래 에너지 핵심 `UHV 전력반도체`…경쟁력 강화 총력전

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[테크다이브] 미래 에너지 핵심 'UHV 전력반도체'…경쟁력 강화 총력전

디지털데일리 발행일 2023-10-30 17:46:15

배태용 기자

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[디지털데일리 배태용 기자] 최근에는 전기차, 태양광, 스마트 그리드 등의 시장이 확대되면서, 초고전압(UHV) 전력반도체의 수요도 증가하고 있습니다. 여러 반도체 기업들이 이 분야에 진출하고, 신규 개발과 사업화를 추진하고 있는데요. 초고전압 전력 반도체, 뭐길래 기업들이 이렇게 주목받고 있을까요?

반도체는 전력을 효율적으로 제어하고 변환하는 기술이라는 것이라고 다들 알고 있지요. 초고전압 전력반도체는 이러한 반도체 기술 중 하나입니다. 쉽게 말해 매우 강한 전압을 견딜 수 있는 반도체라고 할 수 있습니다.

우리가 쓰는 전기는 보통 220볼트(V) 정도의 전압을 가지고 있지요. 하지만, 공장이나 발전소에서는 수천 볼트나 수천 볼트의 전압을 다루기도 합니다. 이렇게 강한 전압을 제어하거나 변환하기 위해서는 일반적인 반도체로는 부족합니다. 그래서 필요한 것이 초고전압 전력반도체입니다.

일반적으로 고전압 전력반도체는 600볼트 이상의 전압을 다루는 반도체를 말합니다. 그러나 최근에는 1200볼트 이상의 전압을 다루는 반도체가 등장하면서, 이를 초고전압 전력반도체라고 부르기 시작했습니다.

이 기술은 가전, 자동차, 통신, 산업 등 다양한 분야에서 모터를 구동하는 역할을 하는 '게이트 드라이버 IC'라는 칩을 통해 구현됩니다. 게이트 드라이버 IC는 일종의 전력의 입력을 켜고 끄는 스위치 같은 역할을 하는데요. 다시 말해 전력을 높은 전압에서 낮은 전압으로, 또는 낮은 전압에서 높은 전압으로 바꿔줄 수 있습니다. 이렇게 하면 전력의 손실을 줄이고, 에너지 절약과 환경 보호에 도움이 됩니다.

이러한 초고전압 전력반도체는 다른 전력 반도체와 같이 실리콘(Si) 재료로는 만들 수 없습니다. 실리콘 재료는 고온과 고전압에 약하며, 스위칭 속도가 느리고 크기가 커서 발열에 약하기 때문입니다.

따라서 새로운 재료가 필요합니다. 그래서 나온 것이 바로 SiC와 GaN입니다. SiC는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide), GaN은 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride)의 약자입니다. 이들 재료는 실리콘보다 높은 온도와 전압에 견딜 수 있으며, 스위칭 속도가 빠르고 크기도 작아서 초고전압 전력반도체를 만드는 데 적합합니다. SiC와 GaN 재료를 사용한 초고전압 전력반도체는 실리콘 재료를 사용한 것보다 10배 이상의 성능 향상을 기대할 수 있습니다.

현재 우리나라 반도체 기업들은 이런 초고전압 전력반도체 기술을 고도화하려고 움직이고 있습니다. 시장 성장세가 강하고, 수요가 게속해서 증가할 것으로 예상되기 때문입니다. 특히, 전기차나 태양광 같은 신재생 에너지 분야에서는 이 기술이 필수적인데요. 업계에 따르면 게이트 드라이버 IC 시장은 2022년부터 2027년까지 연평균 109% 성장할 것으로 전망되고 있습니다.

초고전압 전력반도체가 8인치 파운드리라는 반도체 규격에 적합한 것도 또 하나의 이유입니다. 우리나라 반도체 기업들은 8인치 파운드리라는 반도체 위탁생산 업계에서 세계적인 경쟁력을 가지고 있습니다.

이에 현재 다수의 기업이 게이트 드라이버 IC를 설계하고 제조하는 데 필요한 공정 기술과 칩 내장 기술을 개발하고 특허를 출원하고 있습니다.

최근에는 DB하이텍 게이트 드라이버 IC 칩을 만드는 데 필요한 공정 기술과 칩 내장 기술을 개발했으며, 로옴은 GaN 디바이스의 성능을 최대화하는 초고속 게이트 드라이버 IC 개발에 성공했습니다. 이 디바이스는 고주파 특성을 통해 전력 밀도를 향상시켜 회로의 소형화, 저전력화에 기여할 수 있다고 합니다.

이외에 LX세미콘, SK실트론, 하나머티리얼즈, 에스티아이 등도 차세대 전력반도체 연구회를 결성해 소재, 부품, 장비 개발을 추진할 계획이라고 합니다. 이들 기업들은 전력 반도체 글로벌 시장 동향을 교류하고 글로벌 수요 확대에 맞춰 향후 정부 국책 과제도 수행할 예정이라고 밝혔습니다.