[딜로이트 테크 인사이트②] 실리콘 반도체 대체 신소재 전력반도체 부상

한국 딜로이트 그룹(총괄대표 홍종성)은 최근 특집호 '딜로이트 전문가가 분석하는 첨단기술, 미디어, 통신산업 2023' 한글판을 발간했다. 딜로이트는 이 한글판에서 글로벌 경영 환경 불확실성에도 불구하고 2023년은 신기술 개발과 혁신을 바탕으로 새로운 비즈니스 모델 확장과 기회를 창출할 수 있을 것으로 전망했다. 지디넷코리아는 세계적 산업전문가 그룹인 딜로이트 TMT(Technology,Media, Telecommunication)가 한국 딜로이트 그룹의 산업 전문가 파트너들과 협업해 작성한 TMT 분야최신 분석과 전망을 매주 한 차례 총 15회 게재합니다. [편집자 주]

모든 전자제품은 ‘전력’을 소비하면서 작동한다. 이때 적합한 전력으로 변환하고 송전 과정에서 전력 손실을 줄이거나, 고전압과 대용량 전류 그리고 고주파수를 제어하는데 사용하는 반도체가 ‘전력반도체’다. 기존 실리콘 반도체는 고전압, 대용량 전류가 사용되는 환경에서 사용될 수 없다. 여기에 적합한 전력 반도체가 필요하다.

*전력 반도체 (파워반도체)는...

전력반도체는 전력을 제어하는 반도체다. 전기를 변환하는 부분에서 전압, 전류, 주파수, 직류/교류 등 전기형태를 변환하는 스위치 역할을 한다. 가전기기, 조명을 비롯한 모든 전기/전자제품을 제어하는데 반드시 필요하다. 전력반도체는 일반적으로 ‘반도체’라고 부르는 메모리 반도체와 차이가 있다. 반도체 소자가 감당하는 전압이 높고 전류용량이 크기 때문이다. 예를 들어 전압의 경우 600~10000V이고 전류는 수A~수백A수준이다. 대표적으로 전기차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터(전동기)에 공급하는 인버터가 있는데, 이 인버터의 핵심부품이 바로 전력 반도체다. 현재 대부분의 전력반도체는 실리콘 웨이퍼를 기초소재로 사용하는데, 최근에는 SiC(Silicon Carbide, 탄화규소)와 GaN(Gallium, Nitride, 질화갈륨)을 소재로 한 ‘전력반도체’ 수요가 급증하고 있다.

◆차세대 반도체 소재– SiC(탄화규소), GaN(질화갈륨)

소비 가전제품 충전 전력이 높아지고 배터리 전기차(BEV, Battery Electric Vehicle)보급이 확대되고 있다. 따라서 고전압, 고출력 전자기기에 적합한 반도체와 그 소재로 탄화규소(SiC, Silicon Carbide)와 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)이 주목받고 있다.

지금까지는 실리콘(Si)이 풍부한 부존자원으로 가격이 저렴하고, 산소 반응으로 산화막을 형성하는 장점이 있고, 무엇보다 도핑(Doping)을 통해 전기 전도와 형태 제어가 용이해 사실상 반도체 소재의 표준으로 자리매김해 왔다.

휴대폰, 컴퓨터 등 대부분의 소비재 가전을 비롯해 데이터 센터와 같은 대규모 전자기기 장치 등에서도 실리콘 소재 반도체를 채택해왔다. 그러나 최근 전기차 성능이 발전함에 따라 발열량 역시 커지고 있고, 전자기기 충전기기와 태양광 패널 그리고 첨단군용 장비들의 성능이 향상되면서 고효율, 고출력 요구가 심화되고 있다. 더 이상 반도체 소재로 실리콘(Si)을 고집하긴 어려운 상황이다. 실리콘(Si) 반도체는 고전압 환경에서 전력효율이 낮아지는 한계를 보이고, 150도 이상이 되면 반도체 성질을 잃어버리는 치명적인 단점이 있기 때문이다.

반면에 SiC와 GaN은 실리콘의 한계를 보완하는 동시에 전력효율과 고온, 고전압에 견디는 강점이 있다. 반도체 소재로 SiC와 GaN이 주목받고 있는 이유다. 그리고 이러한 장점을 가장 필요로 하는 분야가 바로 전력반도체이다.

딜로이트는 SiC와GaN 소재 전력반도체 칩 시장 규모를 2023년 33억달러까지 성장할 것으로 전망하고 있다. 전체 전력반도체 시장 규모 6,800억달러에 비하면 미미한 수준이지만, 각국 정부들이 전력반도체 산업의 성장세와 안보상 중요성을 고려해 자국내 생산 역량을 갖추기 위해 발 빠르게 움직이고 있고, 성장 속도 또한 무시할 수준이 아니다.

◆전력 반도체 부문은 SiC, GaN로 세대 교체 중

기존에 전력 반도체는 실리콘(Si) 단일 소재로 생산되어 왔지만, 현재 SiC와 GaN과 같은 화합물 기반 전력 반도체가 새롭게 부상하고 있다. 잊지 말아야 할 것은, 화합물기반 전력 반도체 시장이 급성장해도 실리콘 기반 전력 반도체가 무용지물이 되는 것은 아니라는 것이다. 실리콘 물성의 이용 범위가 여전히 광범이 하기 때문에 ‘끝난 기술’이라고 볼 수가 없다. 실리콘은 지금과 마찬가지로 앞으로도 반도체 산업을 존재하게 하는 물질이 될 것이다

딜로이트는 SiC와 GaN 소재 전력반도체 칩 시장 규모를 2023년 33억달러까지 성장할 것으로 전망하고 있다. 전체 전력반도체 시장 규모 6800억달러에 비하면 미미한 수준이지만, 각국 정부들이 전력반도체 산업 성장세와 안보 중요성을 고려해 자국내 생산 역량을 갖추기 위해 발 빠르게 움직이고 있고, 성장 속도 또한 무시할 수준이 아니다.

실리콘 반도체는 수 십억개의 소자들이 집적된 손톱만한 크기로 저전압(1~2V)에서 밀리와트(mW)수준의 저전력으로 작동된다. 이것이 PC, 스마트폰 등과 같은 전자 제품이 수 시간 배터리 충전만으로 작동되고, 데이터 센터 서버가 발열 문제없이 돌아가는 이유다. 하지만 실리콘 반도체는 냉장고, 세탁기 등 가전 제품이 작동되는 120~240V 전압을 견딜 수 없다. 스마트폰 반도체 칩을 일반 가정집 전기 콘센터에 연결한다면 새까맣게 타 버릴 것이다. 실리콘 반도체가 이와 같은 치명적인 단점을 보이고 있는 가운데, 전기차 등 고전압을 요구하는 분야가 급격히 확대되면서 전력 반도체칩 수요와 더불어 새로운 소재 요구가 동반 상승하고 있는 것이다.

예를 들어 현재까지 전기차 내장 배터리와 모터시스템은 일반적으로 400V에서 작동되고, 고속 직류 충전기는 480V가 필요하지만, 2025년에 이르면 대부분 전기차는 800V이상 고전압을 요구하게 될 것이다. 전기차 뿐 만 아니라 풍력터빈, 태양광 발전기 등 대부분의 전력공급장치와 전기기관차, 항공과 방산 시스템 등에서 수백에서 수천 볼트에 달하는 고전압을 요구하게 될 것이다.

지금까지 전력 반도체는 실리콘 소재 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )소자를 주로 사용해왔다. 수 년간에 다양한 분야에서 채택해 왔다. 하지만 전력반도체의 구동환경은 고전압, 고열 등의 거친 환경이다. 실리콘 전력 반도체가 제 기능을 발휘할 수 없다. 그래서 고전압 등의 환경에서도 성능 구현이 가능한 새로운 소재로 SiC와 GaN이 주목받고 있는 것이다.

SiC와 GaN 소재 전력반도체는 다양한 장점이 있다. 먼저 SiC 전력반도체는 탄소와 규소를 1:1로 결합한 화합물로 만들어져, 다이아몬드 다음으로 단단하고 실제 다이아몬드처럼 투명하다. 그리고 같은 두께의 실리콘에 비해 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있다. 즉, SiC는 10분의 1 두께만으로도 실리콘 반도체의 성능을 발휘한다. 또, 섭씨 수백도 고온에서도 동작하며 전력 소모량도 적어 에너지 효율을 높일 수 있다.

실제 SiC 전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 인버터 자체의 부피와 무게를 줄일 수 있고, 전기차 또한 무거운 냉각장치 용량을 줄이거나 아예 없앨 수 있다. 그래서 실리콘반도체 인버터를 사용했을 때 보다 전기차 에너지 효율을 최대 10% 높일 수 있다. 전력손실도 줄이고 자체 중량도 줄어드니 이중으로 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다.

SIC 전력 반도체는 2018년 테슬라 모델3에 최초로 채택됐고, 도요타는 2020년 2세대 연료전지 전기차 ‘미라이’에 SiC 전력 반도체를 탑재하는데 성공했다. 최근 현대자동차는 ‘아이오닉5’에 독일 반도체 기업 인피니온 테크놀로지스(Infineon Technologies)가 새로 출시한 SiC 소재 전력 반도체 모듈을 장착했다.

한편 GaN은 실리콘 전력반도체보다 스위칭 속도가 수십 MHz로 빠르고, 밴드갭(Band Gap) 이 3배 이상 높을 뿐만 아니라, 1/3크기까지 소형화가 가능하다. 이런 특징으로 5G통신 장비와 가전 전력변환 장치 등에 활용이 높아지는 추세이며, 최근에는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 및 레이더를 비롯해 군용 애플리케이션과 민간 선박, 발광다이오드(LED) 소자 등 다양한 분야에서 각광받고 있다.

특히 GaN 반도체는 실리콘(Si) 제품보다 향상된 성능을 제공하면서도 SIC보다 더 저렴하다. 다만 아직까지는 실리콘 반도체 장비를 그대로 활용할 수 있는 SiC 반도체를 더 선호하고 있지만, GaN의 성능은 SiC 반도체보다 더 높은 것으로 알려져 있어 지금보다 가격경쟁력 측면을 더 강화한다면 SiC 시장 규모보다 더욱 성장할 수 있을 것이다. 흥미로운 점은 SiC와 GaN 반도체칩이 상호 경쟁하지 않고 별도의 시장을 나눠 가진다는 것이다.

2026년 SiC는 전기차 등의 시장에서(채택비중 60%), GaN은 전자제품 충전 장비 등의 시장(채택비중 66%)에서 강세를 보일 것으로 전망된다.

먼저 SiC 반도체칩 시장의 매출은 2023년 28억 달러로 전망되며 전기차 산업 성장에 힘입어 계속 견고한 성장세를 이어 나갈 것으로 기대된다. 전 세계 전기차 판매량을 보면 2020년 310만대에서 2021년 600만대로 약 두배 증가했는데 글로벌 공급망 붕괴에도 2022년 710만대, 2023년 860만대까지 증가할 전망이다. 또 2022년 2분기 유럽 시장에서 판매된 승용차 신차 10대 중 1대가 전기차로 신고점을 기록했고, 오는 7월 영국에서 판매될 신차 중 절반 이상이 전기차가 될 것이라는 예측도 나왔다.

게다가 배터리 전기차 전압이 400V에서 800V이상으로 높아지는 환경이 실현되고 있어 2023년 SiC 반도체칩 매출이 28억 달러에 이를 것이라는 전망은 오히려 상향 조정이 필요해 보인다. 또 GaN 반도체칩 시장을 보면, 전 세계적으로 GaN칩을 채택한 전자 제품과 충전기 수는 100억개 이상이다. SiC 보다 훨씬 더 안정적인 결합 구조와 더 높은 절연 파괴 전계 강도를 가지고 있어 전원 공급 장치 및 소형/고주파 응용 분야에서 이점이 있기 때문이다. SiC 반도체보다 높은 항복 전압을 가질 수는 없지만 고주파 응용 분야에 적합하며 스위칭 전원의 경우 고주파에서 스위칭함으로써 인덕터 및 기타 주변 부품의 소형화가 가능하다.

특히 GaN을 탑재한 충전기의 완전 충전 기준이(98%) 실리콘칩 충전기의 완전 충전기준(90%)보다 크다. 8% 차이가 큰 차이로 느껴지지 않겠지만, 전 세계 100억 충전기의 에너지 효율이 8% 개선되었다고 가정한다면 매년 기가와트 단위의 에너지를 절약하는 셈이다. 이에, GaN 소재 전력반도체가 가장 높은 성장이 기대되는 분야는 스마트폰 고속 충전기 분야다.

충전기에 탑재된 반도체칩은 전기 콘센트의 120V 또는 240V와 스마트폰 배터리 전압 5V사이에서 작동되기 때문에 과열 위험이 있다. 하지만 스마트폰에 탑재된 전력관리 집적회로(PMIC)와 연동되어 배터리 과열을 방지하기 때문에 끊김없이 안전하게 충전이 완료된다. 기존에는 실리콘 MOSFET소자를 사용했으나 GaN 칩이 크기가 작고, 소형화되는 충전기에 탑재가 용이하기 때문에 실리콘 반도체를 대체하고 있다.

최근 스마트폰 OEM사는 고속 충전 기능을 위해 GaN 전력 반도체를 채택하는 비율이 늘고 있다. 지금까지 삼성전자, 애플, 샤오미, 레노버, 리얼미 등의 10개의 스마트폰 OEM사가 GaN 충전기가 있는 스마트폰 모델을 18개 이상 출시한 것으로 집계된다.

5G 및 데이터 통신 분야는 GaN 칩이 두번째로 높은 비중으로 채택될 전망이다. 최근 엘텍, 델타, 벨파워 등이 GaN 기반의 전원공급 장치를 소량으로 채택하기 시작했다. 마지막으로 GaN 시장에서 자동차 분야는 가장 높은 성장률을 기록할 전망이다. 업계는 내년부터 자동차 OEM 및 티어1 업체들이 DC/DC 컨버터와 차량 내 충전 시스템인 OBC(On board Charger)에 GaN 반도체를 채택할 것으로 보고 있다. 향후 GaN 소자는 1kW 이하의 전원 공급 장치에 적용될 것으로 예상되며, 소형 설계에 대한 수요가 높을 전망이다.

◆반도체 제조업체들 SiC, GaN 개발 박차

화화물 기반 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있다. 화합물 전력 반도체 중 가장 사업성 높은 SiC와 GaN 소재 전력 반도체가 시장에서 관심을 받고 있지만 본격적으로 성장하기에는 충분한 인프라가 조성되지 못했다. 전 세계적으로 SiC, GaN 반도체칩 생산에 가동 중인 공장과 신설 계획 중인 공장을 합쳐도 61개에 불과, 부족한 상황이다. 하지만 증가하는 수요에 따라 생산시설 구축과 원료 물질 확보는 쉽지 않다. 안정적인 공급망 확보에 각 국가의 이익과 안보 문제가 얽혀 있기 때문이다.

실리콘과 탄소, 그리고 질소는 전 세계 어디서나 풍부하지만 갈륨(Gallium)은 프랑스와 카자흐스탄 그리고 러시아가 독점하고 있다. GaN 전력 반도체 생산에 필요한 물질을 소수의 국가가 독점하고 있기 때문에 생산 위험이 높아질 수 있다. 실리콘(Si) 반도체의 경우 전 세계 생산량의 80%가 한국, 일본, 중국 그리고 대만 등 동아시아 지역에 집중되어 있지만 전력반도체는 비교적 고르게 분산되어 있다.

물론 이들 4개국이 전력반도체 분야에 있어서도 가장 많은 생산시설을 확보하고 있지만, 미국과 EMEA(유럽·중동·아프리카) 그리고 동남아시아 국가들도 생산 능력을 갖춰가고 있다. 따라서 전력반도체가 필수적으로 필요한 전기차와 재생에너지 장치 등의 공급망은 전 세계 거의 모든 지역에서 자급력과 회복력을 갖추고 있다고 봐도 무방하다.

전력반도체 웨이퍼는 식각, 불순물 주입, 박막 등 공정이 실리콘 반도체와 다르기 때문에, 전력반도체 제조사들은 각 기술을 위한 특화 설계 툴, 제조 툴, 패키징·테스트·조립 능력을 개발해야 하는 과제를 안고 있다. 현재 각국의 기술 투자는 매우 활발하다. 중국은 3대 SIC 반도체 제조사가 2022년부터 관련 분야에 총 40억 달러를 투자할 예정이고, 관련 업계 스타트업에 대한 사모펀드(PE)와 벤처캐피털(VC)의 대규모 투자가 이어지고 있다(2022년 6월에만 총 투자액 15억 달러 추산). 지난 2021년에는 중국에서 기업공개(IPO)에 성공한 첫 SiC 반도체 제조사가 나와 3억 달러 이상의 자본을 끌어모았고, 기판 제조사 한 곳도 IPO에 나섰다.

중국 뿐 아니라 한국, 미국, 유럽, 일본의 탄화규소 및 질화갈륨 반도체 제조사들이 2022년 한 해 계획한 자본지출액은 100억 달러를 넘는다. 캐나다의 GaN 반도체 제조사는 VC로부터 2억 캐나다달러에 육박하는 자본을 조달했고, 미국의 한 질화갈륨 반도체 제조사는 기업인수목적회사(SPAC)와 역합병해 10억 달러 이상의 자본을 조달했으며, 프랑스의 한 대형 탄화규소 반도체 제조사는 2021년 말에 동종업계 업체 한 곳을 인수했다.

특히 SK(주)는 지난 1월 국내 유일의 SiC 전력반도체 생산 기업인 예스파워테크닉스에 268억원을 투자해 지분 33.6%를 인수했다. 현대 오트론은 지난 5월 현대차와 함께 SiC 전력 반도체를 공동 개발하는 랩(Lab)을 열었다. 전통적으로 8인치 웨이퍼를 생산해온 DB하이텍 역시 최근 GaN, SiC 등의 차세대 전력 반도체 사업을 추진하겠다고 밝힌 바 있다.

SiC와 GaN이 실리콘을 완전히 대체할 수는 없다. 실리콘은 현재 전 세계 수 조개의 반도체칩 소재로 사용되고 있으며 앞으로도 우월한 지위를 유지할 것이다. 하지만 고전압을 견딜 수 있는 전력반도체가 필요한 전자제품과 전기차가 늘면서 이들 신소재 틈새시장은 실리콘 주류 시장보다 훨씬 빠르게 성장할 것이다.

SiC 및 GaN 반도체의 특성을 효과적으로 활용하면 그동안 이루기 어려웠던 전기기기의 소형화와 에너지 효율 향상에 기여할 수 있다. 또한 SiC 및 GaN 반도체는 기존의 Si 반도체보다 훨씬 높은 전압을 처리하면서 안전이 중요한 애플리케이션에서 그 유용성이 입증돼 다양한 분야서 기존 Si 반도체를 빠르게 대체할 것이다. 특히 친환경 정책과 관련 기술이 글로벌 화두로 자리잡으면서 전기 자동차 관심과 수요가 폭발적으로 증가하고 있어 전기자동차 및 관련 분야가 차세대 전력 반도체의 시장 성장을 견인할 전망이다.