전력반도체에 대해서 #1

요즘 차량용 반도체 부족으로 인한 이슈가 뜨겁다.

그래서 차량용 반도체에 대해서 알아 보기 위하여 웹서핑을 하다보니, 전력반도체에 관심이 가기 시작했고, 전력반도체 공부를 시작하게 되었다.

개인적으로 IT 분야의 기술 동향을 파악하기 위하여 자주 애용하는 사이트에서 괜찮은 자료를 찾게되어 정리를 해볼까 한다.

https://www.itfind.or.kr/publication/regular/weeklytrend/weekly/list.do

주간기술동향 1982호

자료는 2019년 4월 17일에 발행되었다.

* 참고자료

https://www.itfind.or.kr/WZIN/jugidong/1892/file9065119882266495651-198201.pdf

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인피니언 전력반도체

 

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전력반도체(Power Semiconductor)란?

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전기 에너지를 활용하기 위해 직류·교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 반도체로, 전력을 생산하는 단계부터 사용하는 단계까지 다양한 기능을 수행하는데, 스마트폰, 자동차, 가전제품 등 전기로 작동하는 제품의 작동 여부 및 성능을 결정짓는 핵심부품으로 작용한다.

최근 들어, 전력반도체는 전기자동차, 태양광발전 등 다양한 분야에 적용이 확대되고 있으며, 스마트폰과 태블릿PC 등 모바일 디바이스의 급성장으로 수요가 증가하고 있다. 특히, 4차 산업혁명 시대의 도래로 인해 스마트카, 자율주행차, 로봇, 태양전지, 사물인터넷(IoT), 스마트그리드, 항공우주, 5G 이동통신 등 관련 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어날 것으로 예상된다.

전력반도체는 디스크리트와 모듈로 나뉜다. 

디스크리트로는 모스펫(MOSFET), 절연게이트양극성트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등이 있고,

모듈은 하나의 패키지 안에 두 개 이상의 디스크리트 제품과 집적회로(IC)를 통합한 것을 말한다.

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전력반도체 종류

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최근 들어, 전기자동차와 모바일기기, 태양광발전 등 전력반도체 적용의 확대로 시장에서는 보다 운전 효율이 높으면서 소형화된 전력변환 장치를 요구하고 있으나, 실리콘은 스위칭 손실, 스위칭 속도, 내환경성 등의 문제로 인해 시장의 요구에 부응하지 못하고 있다. 따라서 기존 실리콘 반도체 소자의 한계를 뛰어넘는 새로운 반도체 소자의 필요성이 제기되고 있는 가운데, 탄화규소(Silicon Carbide: SiC)와 질화갈륨(Gallium Nitride: GaN) 등 화합물 반도체가 부상하고 있다. 차세대 반도체 소자는 실리콘에 비해 3배나 넓은 밴드갭을 가지고 있으며, 매우 큰 절연파괴 전압을 구현할
수 있다

출철 : 한국전자통신연구원 기획 글

실리콘 기반 소자

특징 :

전원장치(Power device)라고도 하며, 일반적인 반도체 소자에 비해 고내압화, 큰 전류화, 고주파수화되어 있다. 전력반도체 소자로는 1960년대부터 실리콘이 널리 사용되어 왔다. 실리콘은 지구상에 존재하는 물질 중 25%를 차지하여 가격이 매우 싸고, 게르마늄에 비해 동작온도 범위가 넓고 산소와 반응하여 자연적으로 산화막(SiO2)을 형성하는 이점 을 갖고 있다.

종류 :

Bipolar

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor; 절연 게이트 양극성 트랜지스터)

 

화합물 기반 소자

특징 :

결정이 두 종류 이상의 원소 화합물로 구성되어 있는 반도체로, 갈륨-비소(GaAs), 인듐-인(InP), 갈륨-인(GaP) 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 황화카드뮴(CdS), 텔루르화 아연(ZnTe) 등의 Ⅱ-Ⅵ족, 황화연(PbS) 등의 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 등이 있다. 태양광 발전에서의 전력 변환의 효율성 증대와 하이브리드차나 전기자동차에서의 차량 연비 및 제한된 장착공간으로 인해 전력변환장치는 경량화와 고밀도화를 요구한다. 실리콘 기반 반도체의 신뢰성과 효율성 문제로 인해 차세대 반도체 소자로 넓은 에너지 준위(Wide Bandgap: WBG) 특성을 가지는 화합물 반도체가 부상하고 있다. 

종류 : 현재 상용화된 대표적인 WBG 반도체로는 탄화규소(SiC) 반도체와 질화갈륨 (GaN) 반도체가 있다.

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전력반도체 소재 특성

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화합물 기반 소자의 장점 :

기존 실리콘 반도체 밴드갭(1.1eV)에 비해 3배의 넓은 밴드갭 특성(3.3~3.4eV)을 가지고 있으며, 안정적인 고온 동작, 높은 열 전도율, 낮은 저항과 높은 내전압 특성으로 전력 스위칭 시 손실을 저감하고, 빠른 스위칭, 방열시스템 부피 축소 등의 장점을 갖고 있다.

화합물 기반 소자의 단점 :

실리콘보다 뛰어난 기술적 특성에도 불구하고 공정을 구현하는 것이 어렵고 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

SiC 소자는 규소(Si)와 탄소(C)로 이루어진 물질로 매우 강하고, 산에 침식되지 않아 고전압·고내열 등 에너지를 대폭 절감할 수 있으며, 고출력·고효율의 전력변환 스위칭소자로 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있어 태양광 인버터, 전기자동차, 모터 드라이브 분야에 적용되고 있다. 그러나 관련 장비와 소재의 제약으로 본격적인 상용화에는 상당한 시간이 소요될 것이다.

GaN 소자는 넓은 밴드 갭, 높은 항복전압, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도의 특성을 가지고 있어 차세대 화학물 반도체 플랫폼으로 각광받고 있다. 저전압 응용 분야에 강점을 가지고 있어 전원공급장치, IDC(인터넷데이터센터), 전기자동차/하이브리드차에 적용될 전망이다.

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차세대 전력반도체 전망

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SiC와 GaN 등 차세대 전력반도체 소자는 여러 장점을 지니고 있음에도 불구하고 낮은 단락내량 및 오작동의 위험성 등 기술적 문제로 인해 제대로 이용되지 못하고 있다. 앞으로 기술적 진전이 이루어져 난관이 해결되면 현재보다 운전손실을 줄이고, 부피를 반 이상 축소할 수 있으며, 효율적이 고 고성능으로 운전하면서 전기 소비를 절감할 수 있다.
시장에서는 GaN보다 SiC가 더 선호되고 있어 SiC 전력반도체는 부분적으로 상용화되어 제품이 판매되고 있으나, GaN 기반 전력반도체 기술은 초기단계로 아직 상용화가 되어 있지 않다. SiC 전력반도체는 고전력 장비에, GaN 전력반도체는 중, 저전력 장비에 사용될 것으로 전망된다. 과 같이 기술발전 단계를 보면 MOSFET는 쇠퇴하는 반면, IGBT, SiC 소자, GaN 소자, 모듈/IPM/파워IC는 모두 성장기에 진입해 있다. 

해외에서는 미국과 일본, 유럽 등 선진국 기업들이 SiC 및 GaN 기반의 전력반도체를 개발 중이다. SiC와 GaN 반도체의 최종 소비자(End-User)는 태양광발전, 인버터, 무선충전, 데이터센터 등이 될 것이다. BMW, 포드, 닛산 등 글로벌 자동차업계는 신소재 전력반도체를 적용한 전기자동차를 출시할 계획이다.

 

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국외 업체 동향

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IHS에 따르면 전력반도체 시장은 1위 업체인 인피니온, 2위 업체인 온세미컨덕터, 미쓰비시전기, ST마이크로일렉트로닉스, 비쉐이, 도시바, 후지전기, 르네사스, 세미크론, NXP 등이 주요 사업자로 경쟁하고 있다.

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국내 업체 동향

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국내 전력반도체 업계는 기술수준이 선진국 업체에 비해 50∼70%에 불과해 세계 전력반도체 시장의 1%를 점유하고 있고, 국내 수요의 95%를 해외업체들로부터의 수입에 의존하여 무역적자를 기록하고 있다. 고집적 BMIC, 수소연료전지차용 PMU(Power Management Unit), Smart PFC, 오디오 프로세서 등은 선진국에 비해 기술수준이 50%에 불과할 정도로 매우 열악한 편이다. 

 

파워테크닉스는 전기연구원으로부터 기술을 이전받아 2018년 7월부터 SiC Diode MOSFET 제품 라인업 구축을 완료했다. 2018년 웨이퍼 기준 월 300매 생산을 목표로 가동을 시작하여 2019년에는 월 550매로 확대할 계획이다. 앞으로 안정적 매출을 확보하고 핵심 장비 증설을 통해 2020년 이후에는 1,500매 이상을 생산할 예정이다.

열 제어 장비업체인 예스티는 빠르게 성장하고 있는 SiC 전력반도체 사업에 진출하여 2018년 8월 SiC 전력반도체를 양산하는 예스파워테크닉스에 70억 원을 투자하고 관계사로 편입시켰다. 또한, 기본 원자재인 SiC 에피 웨이퍼를 개발하고 있는 업체와 공동으로 국산화 프로젝트를 진행하고 있다.

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주누히댓의 끄적끄적

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어디를 투자하면 좋을 지 고민을 하면서 위의 자료를 요점 중심으로 훑어보았다.

그 중에서 가장 눈에 띈 곳이 "예스티"이다.

그것은 1월 29일에 아래와 같이 기사가 표출되었고, 그 내용은 SK㈜가 SiC 전력반도체 분야 진출을 위해 예스파워테크닉스에 268억원을 투자, 지분 33.6%를 인수했다는 것이다.

http://www.thebell.co.kr/free/Content/ArticleView.asp?key=202101291134169040101843&svccode=

SK, '예스파워' 투자로 SK실트론 시너지 모색

오랜 시간 SK를 지켜보아온 결과, 확실히 반도체 분야에서는 속된 말로 냄새를 잘 맡는 것 같다.

최태원 회장이 개인 투자는 모르겠지만, 사업 경영에서 만큼은 타짜 기질이 있어 보인다. 주인 없던 하이닉스 인수를 해서 지금의 SK하이닉스를 키운 것부터, 예전에 투자도 했었고 관심 갖고 있던 기업들을 하나씩 인수하는 것을 지켜보면 그런 생각이 든다.

옛날에 '소디프신소재'라는 이름으로 반도체 제조 과정에 필요한 화학 소재 제조 기업이 있었는데, 이 기업을 당시 동양제철화학, 지금의 OCI가 인수를 했었다. 그래서 기업명이 'OCI머티리얼즈'가 되었고, 그것을 다시 SK가 인수해서 지금의 'SK머티리얼즈'가 되었다. 당시에 괜찮은 회사라고 생각을 했지만, 개인적으로 투자 철학이 확립이 되지 않았던 때라, 주식을 투자가 아닌 매매를 했던 기억이 난다.

아마 지금 같았더라면, 소디프신소재 시절에 주식을 사서, 지금까지 계속 보유하고 있지 않았을까 싶다.

그리고 또 한 기업이 있다.

'실리콘화일'이라는 시모스 이미지센서(CIS)를 만드는 회사인데, 이 기업을 2014년에 SK하이닉스가 인수를 하여 자회사를 만들었고, SK텔레콤의 손자회사가 되어 지분 100%를 만들면서 상장 폐지하여 비상장회사로 만들었던 이력이 있다. 지금은 SK하이닉스시스템IC라는 회사에 흡수합병된 상태이다.

이야기가 다른 곳으로 빠졌는데, 

SiC 반도체는 탄화규소 웨이퍼에서 만들어진 반도체로 위에서 살펴본 것과 같이 기존 실리콘(Si) 반도체보다 열에 강한 특성이 있다. 따라서 데이터 연산처리가 단시간에 급격히 필요한 분야에 쓰이는데, 전기자동차, 수소차, 5세대 이동통신(5G) 등에서 사용될 수 있겠다.

이번 투자는 SK(주)의 자회사 SK실트론과의 시너지가 고려됐다고 한다. 실리콘 웨이퍼 제조업체인 SK실트론은 2019년 9월 미국 듀폰사의 SiC 웨이퍼 사업부를 4억5000만달러(약 5366억원)에 인수한 바 있는데, 기사 내용과 같이 반도체 기초재료인 웨이퍼와 SiC 전력반도체 제조 간의 밸류체인이 유기적으로 연결될 수 있는 그림이다.

SK의 예스티파워테크닉스에 대한 투자가 SiC 전력반도체 분야에서 큰 성과가 있기를 기대한다.

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[ 추가글 ]

2021.02.10 - [주식투자/투자생각] - 전력반도체에 대해서 #2 - 예스파워테크닉스

전력반도체에 대해서 #2 - 예스파워테크닉스