그린 뉴딜의 핵심, 차세대 전력반도체

그린 뉴딜의 핵심, 차세대 전력반도체

대학생신재생에너지기자단 20기 최예지

 

[정부의 그린 뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획]

   지난해 12월, 정부는 제5차 신재생에너지 기술 개발 및 이용 보급 기본계획을 발표하였다. 이 계획에서는 2050 탄소 중립을 실현하기 위한 신재생 에너지 분야의 대응 방향과 도전 과제를 제시하였다. 2034년까지 신재생에너지로 최종 에너지의 13.7%와 발전량의 25.8%를 달성하는 것을 목표로 삼았으며, 전력변환 효율 강화와 주파수 제어 등 전력계통을 체계적으로 운영할 예정이다.

   또한 올해 4월, 기획재정부는 제7차 혁신성장 BIG3 추진 회의를 개최하였다. 본 회의에서는 시스템반도체, 미래 자동차, 바이오 분야로 구성된 BIG3 산업의 집중 육성 계획을 발표하였다. 그중에서, “차세대 전력반도체 기술 개발 및 생산역량 확충 방안” 안건이 논의되었다. 정부는 현재까지 90% 이상 수입에 의존하고 있는 차세대 전력 반도체 시장을 25년까지 자립시킨다는 목표를 발표하였다.

   이러한 정부의 그린 뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획은 어떤 관련이 있을까? 이것을 알아보기 전에, 전력반도체에 대한 이해가 필요하다.

 

[차세대 전력반도체란?]

    전력반도체는 정보나 신호를 처리하고 저장하는 시스템 반도체와 달리, 전자기기에 들어오는 전력을 변환, 저장, 분배하는 전 과정을 처리하는 핵심 부품이다. 컴퓨터, 가전, 전기자동차, 스마트그리드 등의 인버터나 컨버터에 사용될 뿐만 아니라, 태양광 발전 등 신재생 에너지 분야에도 유용하게 사용된다.

  ‘차세대’ 전력반도체는 기존의 실리콘 기반 전력반도체와 차별화된다. 차세대 전력반도체는 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 갈륨옥사이드(Ga2O3) 등의 신소재 웨이퍼로 제작된 반도체로서, 고전압에서 사용할 수 있고 전력 변환의 효율이 우수하며 고속 동작이 가능하다는 특징이 있다. 그렇기 때문에 차세대 전력 반도체는 고전압과 고온 환경인 신재생 에너지 발전 분야에 기존의 전력반도체보다 적합하다.

[자료1. 차세대 전력반도체] 

출처: SK 하이닉스 뉴스룸

   차세대 전력반도체는 웨이퍼에 사용된 소재에 따라서 활용되는 분야가 다른데, 실리콘 카바이드(SiC)의 경우 고전압, 고효율의 특성을 가지고 있어 전기자동차, 태양광 등 신재생에너지의 인버터로 사용된다. 질화갈륨(GaN)의 경우 반도체 공정이 용이하고 고속 동작과 소형화가 가능하기 때문에 고속 충전시스템, 자동차의 라이다, 통신 분야에 사용된다. 마지막으로 갈륨 옥사이드(Ga2O3)의 경우 SiC, GaN에 비해 고전압 동작과 집적화, 경량화가 가능하여 모터제어 IC, 통신 분야에 사용된다.

 

[신재생에너지 분야에서의 차세대 전력반도체]

[자료2. 차세대 전력반도체의 적용 분야]

출처: KERI 한국전기연구원

   첫 번째로, 차세대 전력반도체는 태양광 발전 기술에 이용된다. 태양광 패널에서 생산된 전력은 수천 kV의 고전압이며, 인버터를 통해 전력변환 과정을 거쳐 우리가 사용할 수 있는 전기로 바꿔야 한다. 이때 인버터의 핵심부품이 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체이다. 특히, 태양광 발전의 간헐성을 극복하기 위해서 ESS를 설치하는 경우 여러 차례의 전력 변환 과정을 거치기 때문에 태양광 발전의 성능을 높이기 위해선 전력 변환의 효율이 매우 중요하다. 이런 이유로 태양광발전에 이용되는 인버터는 고효율과 고전압용 차세대 전력반도체를 이용한다.

   두 번째로, 전기자동차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터에 공급하는 인버터의 핵심부품이 전력반도체이다. 차량의 연비 및 제한된 내부 공간으로 인해서 전력반도체의 경량화와 고집적화가 필수적이다. 또한 차량에 장착되기 위해선 차량 내부의 고온 환경에서도 견딜 수 있는 특성이 필요하다. 이때 탄화규소(SiC) 차세대 전력 반도체로 전기자동차의 인버터를 제작하면, 지금까지의 실리콘(Si) 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있다. 전력손실을 줄이고 자체 중량도 줄어들기 때문에 이중으로 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.

 

[차세대 전력반도체의 미래]

   정부의 그린 뉴딜 사업 추진에 따라서, 화석연료에서 신재생에너지로의 전환은 활발해질 것이며, 신재생에너지 발전기술에 적합한 특징을 가진 차세대 전력반도체의 수요는 더 늘어날 전망이다.  그러나 차세대 전력반도체는 안정적인 동작 및 내구성 확보를 위하여 공정 과정에서 해결해야 할 문제가 많아, 세계적으로도 독일과 일본만이 양산화에 성공하였다. 폭발적으로 늘어나는 전기차 수요에 비해 차세대 전력반도체는 소수의 국가만이 독점하고 있어 전 세계적으로 공급 부족 문제가 발생한 상황이다.

   우리나라의 차세대 전력반도체 시장 또한 아직 초기 성장 단계에 있다. 차세대 전력반도체 기술 발달은 곧 안정적인 신재생에너지 수급과 직결되기 때문에, 정부의 차세대 전력반도체 집중 육성 계획을 통한 공정 기술의 고도화와 양산 능력 확보로 탄소중립 사회로의 점진적인 전환을 희망한다. 

 

참고문헌

[정부의 그린뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획]

1) "기재부, 미래차·바이오 등 혁신성장 BIG3 추진회의 개최", 이예름, Daily NTN, 2021.04.02

https://www.intn.co.kr/news/articleView.html?idxno=2016113

1) 제5차 신재생에너지 기본계획(2020~2034) 발표, 산업통상자원부,  대한민국 정책 브리핑, 2020.12.29

https://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156429610 

 

[차세대 전력반도체란?]

1) "그린뉴딜 핵심부품 '차세대 전력 반도체' 본격 육성", 정 애, 에너지신문, 2021.04.01

https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=75956

 

[신재생에너지 분야에서의 차세대 전력반도체]

1) "'급이 다른' SiC 전력반도체", 한국전기연구원, The Science Times,  2021.05.11

https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=75956

2 ) "차세대 전력반도체와 이에 기반한 최신 전력변환 기술, 정인성, 전기신문, 2018.05.31

http://m.electimes.com/article.php?aid=1527756161158611052