전기자동차 이야기① - 차세대 전력반도체 유망주 분석노트

 전기자동차 이야기①  - 차세대 전력반도체 유망주 분석노트

:WBG 반도체소자

대학생신재생에너지기자단 15기 최명근

[자료1. 전기자동차 구조]

출처: 네이버 블로그

다음은 전기자동차의 간단한 구조이다. 완충충전의 경우 상용교류전원(220V) 전압이 들어와서 직류의 형태로 배터리에 저장되고, 자동차가 구동을 할 시에는 이러한 직류가 교류로 변환되어 모터가 작동한다. 또한, 저압의 전장품을 사용할 때에는 고압직류 배터리에서 저압 직류로 변환되어야 한다.

[자료2. 전력변환의 형태]

출처: 네이버 블로그

전공자가 아니라면 무슨 말을 하는지 정확히 모를 수도 있지만 확실한 것은 전기자동차가 작동하기 위해서 전기의 형태가 목적에 따라 끊임없이 변화한다는 것이다. 우리는 이러한 것을 전력변환이라고 부른다. 현재 전기자동차에서는 직류→직류(컨버터), 직류→교류(인버터), 교류→직류(컨버터) 형태의 전력변환이 이용된다. 이러한 전력변환을 위한 회로를 설계할 때, 가장 주체가 되는 것이 바로 전력반도체이다. 차량용 전력반도체는 전기자동차의 고전압을 안정적으로 견뎌내고 변환해야하기 때문에, 전기자동차 설계에 있어 가장 중요한 요소이다.

현재 전력반도체 시장의 대부분은 실리콘 반도체(Si)가 차지하고 있다. 하지만 실리콘 전력반도체는 스위칭 속도나 효율(85-95%) 등에서 한계를 보이고 있고, 150도 이상이되면 반도체로서의 성질을 잃게 된다는 단점이 있다. 전기자동차의 성능이 발전함에 따라 발열량 역시 커지고 있기 때문에 미래형 전기자동차에서 실리콘 전력반도체를 사용한다는 것은 위험할 수 있다.

 

SiC 전력반도체와 GaN 전력반도체

[자료3. SiC와 GaN 전력반도체]

출처:  산업일보,  The elec

실리콘 반도체의 단점을 보완하기 위하여 등장한 것이 SiC(탄화규소) 반도체와 GaN(갈륨나이트로젠) 전력반도체이다.

[자료4. Si, SiC, GaN 전기물성 비교]

출처: KiPost

[1] 넓은 밴드갭

자료4에서 확인할 수 있듯이 SiC 전력반도체와 GaN 전력반도체는 밴드갭이 각각 3.26eV, 3.5eV로 실리콘(1.12eV)에 비하여 3배 이상 높다. 여기서 밴드갭이란 전자가 가질 수 있는 에너지와 에너지 대역 사이의 틈, 즉 전자가 존재할 수 없는 에너지 범위를 의미한다. 밴드 갭이 좁으면 전자가 쉽게 에너지를 넘을 수 있어 전도성이 향상되지만 이로 인해 전자의 활동범위가 좁아진다. 따라서 밴드갭이 적당히 넓어야 자유전자의 움직임이 자유롭고 임계전계 조절에도 유리하다. 그래서 우리는 SiC와 GaN 전력반도체를 WBG(Wide-band-Gap) 소자라고도 부른다.

[2] 높은 절연파괴전계

절연파괴전계는 SiC 전력반도체와 GaN 전력반도체가 각각 3.0Ec와 3.3Ec로 0.3Ec인 실리콘에 비하여 10배 이상이다. 이는 WBG 소자가 Si 반도체에 비하여 정격전압을 10배 이상 높일 수 있다는 것을 의미하고, 칩 크기를 1/10로 줄일 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 전기자동차에서 정격전압이 높아진다는 것은 더 좋은 성능을 나타낼 수 있고, 소형화가 가능하다는 것은 자동차 무게에 직접적인 영향을 끼치기 때문에 WBG 소자의 결정적인 장점으로 작용한다.

[3] 고온 특성

앞서 말했듯이, Si 반도체는 150도 이상에서 반도체의 성질을 잃게 되지만, SiC와 GaN 전력반도체는 각각 500-700도, 400도 까지 동작할 수 있기 때문에 점점 더 높은 정격을 요구하는 전기자동차에 적합하다.

[4] 열전도율

실리콘의 열전도율에 비하여 SiC 전력반도체의 열전도율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 열전도율이 높다는 것은 냉각 효과가 뛰어나다는 것이기 때문에 냉각장치의 부피를 줄일 수 있고, 냉각하는데 더 적은 에너지가 소모되어 에너지효율이 증가한다.

 

SiC GaN 차이?

두 재료 모두 고효율, 높은 에너지밀도, 고온 특성을 가지고 있는 Wide-band-Gap 소자이다. 두 소자의 물리적 특성은 같지만 SiC는 ‘간접천이 반도체’, GaN는 ‘직접천이 반도체’라는 차이가 있다. 여기서 직접천이 반도체는 빛을 이용하는 소자이기에 사용에 어려움이 있을 수 있다. 반면 SiC 반도체는 Si와 특성이 비슷하여 기존의 반도체 공정을 일부 수정하여 공정할 수 있으므로 생산 및 제조에 있어 조금 더 효율적이다. 그래서 현재 GaN보다는 Si과 특성이 비슷한 간접천이 형태의 SiC 반도체가 더 주목받고 있다. 하지만 GaN의 높은 스위칭 주파수는 인덕터와 변압기 등의 수동소자의 크기를 줄일 수 있고, SiC보다 빠른 변환속도와 고효율을 가진다는 점에서 앞으로 더 주목받아야 하는 반도체임은 틀림없다.

 

WBG 소자의 한계

WBG 반도체가 주목받고 있는 것은 사실이지만 당장 상용화 되기에는 한계가 있다.

공정 시 Si 반도체 칩은 8,12인치 웨이퍼에서 제조되지만, SiC 웨이퍼의 크기는 최대 6인치에 불과하다. 또한, 동일한 크기를 기준으로 했을 때, SiC 웨어퍼의 가격은 Si 웨이퍼의 가격보다 10-15배 더 비싸, SiC 반도체의 가격이 기존의 Si 반도체보다 더 높다.

[자료5. 반도체 소자의 기생성분]

출처:  XD Electric Technology

또한, 전력반도체의 빠른 스위칭 속도는 반도체 내의 기생성분을 자극하여 손실을 만들어 낼 수 있고, 전동기에서 구동할 시 높은 스파크 전압이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 부분을 고려하여 적절한 WBG 전력반도체를 설계해야한다.

[자료6. Desat 회로]

출처:  KIPE

마지막으로, 차세대 전력반도체의 안전을 위한 적절한 보호기법이 개발되지 않았다는 점이다. SiC Mosfet의 경우 전압이 증가하면서 전류도 빠르게 증가하는데, 이러한 과전류를 빠르게 차단할 수 있는 보호기법이 적절하지 않다. 기존의 Si Mosfet에서 사용하고 있는 Desat 방식을 적용했으나 검출시간이 목표보다 느리게 나타나 적용할 수 없다는 연구 결과가 도출되었고, 그 이후, PCB 패턴으로 구현한 로고스키 코일법 등이 빠르게 연구되고 있다.

 

전력반도체의 전망 및 결론

[자료7. SiC 쇼트키 다이오드와 SiC MOSFET]

출처:  SK hynix

현재 짧은 역회복 특성을 갖는 SBD-SiC(SiC Schottky 다이오드), SiC Mosfet, SiC JFET, GaN Mosfet 등 WBG 소자를 이용한 다양한 전력반도체가 연구개발 중에 있다.

[자료8. 차량용 반도체 시장전망]

출처:  한겨레

그래프에서 볼 수 있듯이, 업계에서 메모리 반도체가 핵심부품이지만 전력반도체는 큰 폭은 아니지만 매년 꾸준하게 증가폭을 유지하고 있다. 그만큼 차세대 전력반도체의 중요성은 점점 높아지고 있고, 앞으로가 더 중요할 것이라는 예측이 끊이지 않고 있다. 국내에서도 실제로 SK 하이닉스는 2016 말부터 차량용 반도체 전담팀을 만들어 개발 중이고, 2030년까지 비메모리 반도체 1위를 목표로 하는 삼성전자 역시 2018년 반도체 프로세서 브랜드 ‘엑시노스 오토’를 출시하며 본격적으로 차량용 반도체 시장에 뛰어들었다.

WBG 소자는 고효율, 고밀도, 고온 특성을 가지는 미래형 전력반도체 소자이다. 전기자동차의 성능이 끊임없이 발달되고 있는 상황에서 차량 내부 회로에 요구되는 정격 또한 높아지고 있다. 전기자동차에서 고출력을 내는 것이 가장 중요하지만, 이러한 출력을 어떻게 효율적으로 다룰 것인지는 앞으로의 전력반도체에 달려있다. 전기 자동차의 전기제어의 핵심! 전력반도체의 미래를 기대해도 좋을 것 같다.

 

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참고문헌

[전력반도체 소자 분석]

1) 영하이라이터, '차세대반도체 소재, 실리콘카바이드(SiC), SKhynix newsroom', 16.05.26

https://news.skhynix.co.kr/1267

2) 김주연,  '화합물 반도체 시장 열린다... SiC·GaN 주목',  KiPOST,  17.12.26

https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=4445

3) Laurent Beaurenaut,  '자동차에서 고효율, 고성능 SiC 전력반도체 활용',  autoelectronics,  2018.05

http://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=2768

4) 강해령,  '[이슈분석] 반도체 업계, SiC 전력반도체 주도권 경쟁 가열',  ROHM,  20.04.22

https://m.etnews.com/20200422000110

5) 이도홍 외 3명,  "SiC 전력반도체와 전력전자기술",  KIPE, 38p-42p,  2019

https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO201915540675243&oCn=JAKO201915540675243&dbt=JAKO&journal=NJOU00290643

[전력반도체 전망]

1) SOD, '단언컨대 이게 한국의 미래 핵심 사업이 됩니다. (삼성, 하이닉스, 현대차가 미래를 건 미친 잠재력의 시장이 온다)', youtube,  20.08.14

https://www.youtube.com/watch?v=ImbwLQ2TQoQ

2) 최용석,  '메모리 다음은 차량용 반도체…삼성·SK하이닉스 어디까지 왔나',  iT Chosun  19.05.13

http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2019/05/13/2019051302106.html

3) 송경화,  '삼성전자, 차량용 반도체 본격 진출…아우디에 엑시노스 오토 공급',  한겨레,  19.05.30

http://www.hani.co.kr/arti/economy/it/896011.html