차량 반도체 수급 부족과 전력반도체

차량 반도체 수급부족과 전력반도체

18기 최별 19기 권승호

친환경이라는 모토에 앞장서는 전기자동차와 고객의 편의를 향상 시켜주는 자율주행 자동차는 자동차 산업에 핵심 모델로 자리 잡고 있다. 그런데 차량의 출고에 전혀 영향을 끼칠 것 같지 않던 차량용 반도체의 부족으로 신차 출고가 수개월 이상 지연되는 이상한 상황이 발생하고 있다. 왜 이런 상황이 발생한 것일까?

COVID-19로 산업 전체적으로 큰 타격을 입은 가운데, 자동차 업계도 전염병의 칼바람을 피하기는 어려웠을 것이다. 위축된 경제로 인해 자동차를 구매할 수요자들은 줄어들 것이었고, 그에 따른 매출 감소는 자연스럽게 따라오는 수순이었다.

이런 상황 때문에 업계에서는 차량용 반도체의 생산을 적게 배정하였고, 마진이 많이 남는 전자기기 반도체 생산에 초점을 맞추게 되었다.

그러나 예측과 다르게 자동차 구매의 수요는 오히려 COVID-19 이전보다 증가하게 되었고, 그로 인해 자동차 업계는 이 상황이 자동차 수요의 예측 실패로 직결되어 신차 출고에 수개월 이상을 소비해야 하는 아이러니한 상황이 발생하게 된 것이다.

 본 기사는 이런 상황을 조금이나마 해결해줄 전력반도체를 알아봄으로써 전력반도체의 필요성을 강조해보고자 한다.

[자료 1. 미래 전기차의 핵심, 전력반도체]

출처: MatSQ 

전력반도체, 너는 누구니?

전력반도체는 말 그대로 ‘전력’을 제어하는 반도체이다. 반도체는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 바로 ‘시스템 반도체’와 ‘메모리 반도체’이다. 전력반도체는 이 중 시스템 반도체에 해당하게 된다.

전력반도체는 전기의 형태 변환이 필요한 부분에서 주로 활용되는 소자인데 주로 전압이나 전류, 주파수, 직류/교류 형태 등을 이전과 다르게 변환하는 스위치로서 기능하게 된다. 이러한 기능을 하는 반도체는 사실 어떠한 전자 제품이든 존재한다. 허나 이런 기능을 가진 모든 반도체에 ‘전력반도체’라는 말을 쓰지는 않는다. 

‘전력반도체’는 주로 감당해야 하는 전압이 높고 전류 용량도 큰 경우를 주로 일컫는다. 따라서 자동차에도 이러한 전력 반도체를 사용하고 있다. 보다 자세히 언급하자면 자동차에서는 전기 자동차의 배터리에 있는 직류 전류를 교류 전류로 바꾸어 모터에 공급할 때 이용된다. 이때 이용되는 인버터에서 핵심 부품으로 작용하는 것이 바로 전력반도체이기 때문이다. 

[자료 2. SiC 전력 반도체]

출처: 과학기술(전기연구원)

반도체 수급난을 해결해줄 새로운 전력반도체? 

반도체들은 대부분 웨이퍼라고 하는 기초 기판 위에서 공정이 이루어지고 제작된다. 예를 들어 피자의 경우 아래에 빵이라는 둥근 기판을 사용하고 그 위에 여러 재료들을 순서에 맞게 차례대로 올린 뒤 요리를 하여 완성하는 것처럼 반도체 또한 둥근 실리콘 웨이퍼 기판 위에 필요한 회로를 만들기 위해 여러 재료들을 그 과정에 맞게 공정해 올린 다음 완성하여 사용한다. 

전력 반도체도 기존의 다른 반도체들과 마찬가지로 실리콘 웨이퍼 위에 공정을 진행하는 경우도 많았다. 하지만 두 가지 문제점이 생기며 특히 최근에 새로운 반도체가 나오게 되었다. 그 것이 바로 탄소와 규소를 1:1로 결합한 SiC(탄화규소)를 소재로 한 전력반도체이다. 

이러한 SiC(탄화규소) 기반의 반도체가 나오게 된 첫 번째 이유는 바로 보다 높은 안정성을 갖추는 동시에 현재보다 높은 전압, 전류용량을 견디는 반도체가 요구되었기 때문이다. 두 번째 이유가 바로 이번 반도체의 공급이 부족 상황이다. 반도체 업계는 위에서도 언급하였듯이 코로나로 인해 차량용 반도체의 제작 비율을 줄였으며 마진이 많이 남는 전자기기에 반도체 생산에 초점을 맞추었다. 때문에 자동차 업계는 새로운 전력 반도체의 생산에 박차를 가할 수밖에 없었고 이러한 배경으로 인해 SiC 반도체가 등장하게 된 것이다.

 

SiC 전력반도체가 떠오르는 이유?

SiC(탄화규소) 반도체는 이전의 Si(실리콘) 반도체보다 넓은 에너지 밴드갭을 가진다. 이처럼 보다 더 넓은 에너지 밴드갭을 가지는 것을 ‘고에너지갭’ 이라 하는데 이런 특성을 지니는 반도체는 다음의 두 가지 이점을 갖게 된다. 

또한 ‘고에너지갭’ 반도체라는 점 외에도 SiC 반도체는 공정 과정에서도 이점을 가질 수 있는데 이 또한 아래에서 함께 설명한다.

1. 기존보다 고전압에서 이용이 가능

결론을 먼저 언급하자면, SiC 전력반도체는 같은 두께의 실리콘에 비하여 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있다. 즉, SiC는 10분의 1 두께만으로도 실리콘 반도체의 성능을 발휘한다는 것이다. 

보다 자세히 설명하자면, 먼저 전력반도체는 에너지 손실을 줄이기 위해선 전류와 전압을 정확히 통제하고 제어하는 능력이 요구된다. 예를 들어 소자의 ON, OFF 상태에 맞추어 전류가 원하는 크기로 잘 흐르게 하거나 아예 전혀 흐를 수 없게 동작하도록 제작해야 한다. 따라서 전류가 흐르지 않도록 OFF 시켰을 때, 반도체에 전압을 가하면 얼마나 높은 전압이 걸리든 누설전류가 발생하지 않고 소자가 손상되지 않아야 한다. 이를 버틸 수 있는 전압의 수치가 Si 반도체에 비해 SiC는 10배라는 것이다.  

따라서 SiC로 앞서 말한 전기차 인버터를 만들게 되면, 지금까지의 실리콘 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10%나 높아지고 인버터의 부피와 무게도 줄일 수 있다. 또한 전력 소모가 작아 에너지 효율까지 높일 수 있다.

이러한 이유 때문에 SiC 전력반도체는 e-모빌리티에 최적의 반도체로 떠오르고 있다.

2. 기존보다 고온에서 이용이 가능

에너지 밴드 갭이 클수록 더 높은 온도에서도 소자가 망가지지 않고 반도체의 성질을 유지할 수 있다. 실리콘과 비교해 3~4배의 넓은 에너지 밴드갭을 자랑하는 SiC 반도체는 섭씨 수백 도의 고온에서도 동작할 수 있다.

나아가 발생 된 열을 효율적으로 분산해 냉각시켜주는 열 전도 특성 또한 전력 반도체에 요구되는 중요한 특성이기에 이 또한 상당히 유리한 장점이 된다고 판단할 수 있다. 

3. 도입 과정에서 기존 공정 장비 및 공정 과정을 이용 가능

새롭게 개발된 소자가 기존의 공장에서의 장비들로 인해, 공정 과정들로 인해 쉽게 제작될 수 있는가도 생산성과 이익, 출시 시기를 위해 굉장히 중요한 문제이다. 아무리 좋은 소자가 개발되었다 하더라도 공정장비를 모두 바꾸어야 하거나 공정 설계 과정을 모두 새롭게 구축해야 한다면 시간과 비용이 많이 소모된다. 특히 공정 장비는 몇 대 생산되지 않아 구매가 어려우며 그 금액 또한 상당히 크기에 대학교 규모에서도 구매가 어렵다. 

하지만 SiC 반도체는 현재에도 꽤나 다양한 크기와 품질의 웨이퍼를 생산하는 업체들이 존재하며 기존에 Si로 진행되던 공정 과정을 그대로 이용할 수 있다. 특히 기존에 이용되던 공정 장비까지 이용이 가능하다. 따라서 생산성과 경제성에 있어 도입에 어려움이 없는 최적의 전력반도체인 것이다. 

[자료 3. SiC 전력반도체 적용 분야]

출처: 과학기술(전기연구원)

 

이러한 이점들을 갖는 SiC 반도체는 따라서 그 전망이 매우 높을 것으로 예측되며 특히 고온, 고전압의 특성들로 인해 자동차 외에도 고속철도, 우주&항공, 국방 분야에서 사용될 수 있을 것으로 보인다.


우리가 가져야 할 시사점 : SiC 반도체가 우리나라에서 많이 개발 되어야 하는 이유 

지금까지 전력 반도체의 개념에 대해 알아보있으며 특히 SiC 전력 반도체에 대하여 그 등장 배경과 이점들을 알아보았다. 이러한 전력 반도체가 앞으로 꾸준히 개발되어야 하며 보다 안정적으로 많이 생산되어야 함을 모두가 인지 할 수 있었을 것이다.

허나 특히 이러한 SiC 반도체는 우리나라에서 많이 개발되고 양산되어야 할  필요가 있다. 그 이유는 앞부분에 나왔던 메모리 반도체와 시스템 반도체 이야기를 하며 다시 논할 수 있다.

우리나라가 흔히 반도체 강국이라 불리는 것은 맞지만 그 것은 어디까지나 메모리 반도체에 있어서이다. 세계에서 메모리 반도체의 수출은 70%이지만 시스템 반도체의 경우 5% 남짓이다. 보통 50%의 시장 점유율을 보이면 해당 시장을 ‘독점하고 있다’ 라고 표현하는데 우리나라는 메모리 반도체는 시장에서 독점하고 앞서나가고 있지만 시스템 반도체에서는 전혀 그렇지 못하고 있다는 것이다. 

하지만 전체 반도체 시장에서 메모리 반도체는 30%를, 비메모리 반도체는 70%를 차지한다. 비메모리 반도체의 비중은 나날이 커지고 있으며 이는 우리나라가 계속 반도체 선도 국가로 자리매김 하기 위해서는 보다 많은 노력을 기울여야 함을 의미하고 있는 것이다. 

허나 우리나라는 그동안 반도체에 있어 이를 개발하고 인재를 유치하려는 노력을 국가적 차원에서는  많이 이루지 못했다. 기업들의 과제로 여겨 국가와 시민 차원에서는 별로 주목해오지 않은 탓이다. 하지만 이러한 반도체의 자급자족을 이루어야 반도체를 포함한 여타 관련 산업들까지 타격받지 않고 경쟁력을 가질 수 있다.

그러므로 특히 앞으로의 전망이 높은 이 SiC 전력반도체에 대해 우리는 관심을 기울기고 기업과 정부 차원에서 연구 개발 및 양산에 많은 노력을 기울일 필요가 있다.

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[참고문헌]

1) 권선연, Kotra, "글로벌 차량용 반도체 부족 사태, 현황과 전망", 2021.02.19 

https://news.kotra.or.kr/user/globalBbs/kotranews/782/globalBbsDataView.do?setIdx=243&dataIdx=187176

2) "미래전기차의 핵심, 전력반도체", materials square, 2021.08.06,

https://www.materialssquare.com/blog/power-semiconductor-device

3) 영하이라이터, "자동차에도 반도체가 들어있다?", SK 하이닉스 뉴스룸, 2016.06.07

https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductors-in-cars 

4) 테크월드, " 시스템 반도체의 핵심 '전력 반도체'! 한국도 잘 되고 있나요? ", 2020.06.11 

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=28511815&memberNo=38316664

5) 한국전기연구원, " '급이 다른' SiC 전력반도체 ", The Sicence Times, 2021.05.11 

https://www.sciencetimes.co.kr/news/save-%EA%B8%89%EC%9D%B4-%EB%8B%A4%EB%A5%B8-sic-%EC%A0%84%EB%A0%A5%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4/