‘급이 다른’ SiC 전력반도체

과학기술

‘급이 다른’ SiC 전력반도체
[과학자의 연구실] "차량용 반도체 공급난 해소 기대" SiC 전력반도체 ‘트렌치 모스펫’ 개발 성공

2021.05.11 09:00 한국전기연구원

전기차, 재생에너지 발전, 에너지 저장장치 등의 확산으로 최근 들어 전력반도체 산업이 빠르게 성장 중인 가운데, ‘SiC 전력반도체’의 성능과 가격 경쟁력을 크게 높이면서도 칩 공급을 더 늘릴 수 있는 기술이 국내에서 개발됐습니다.

전력반도체란?

전력반도체(파워반도체)는 전력을 제어하는 반도체입니다. 전기를 변환하는 부분에서 전압, 전류, 주파수, 직류(DC)/교류(AC) 등 전기형태를 변환하는 스위치 역할을 합니다. 가전기기, 조명을 비롯한 모든 전기전자제품을 제어하는데 반드시 필요하죠.

전력반도체는 일반적으로 ‘반도체’라고 부르는 메모리 반도체와 차이가 있는데요. 반도체 소자가 감당하는 전압이 높고 전류용량이 크다는 것입니다. 전압의 경우 600~ 10000V이고 전류는 수A~수백A 수준입니다.

대표적으로 전기차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터(전동기)에 공급하는 인버터가 있는데, 이 인버터의 핵심부품이 바로 전력반도체입니다. 현재 대부분의 전력반도체는 실리콘 웨이퍼를 기초소재로 사용하는데, 최근에는 SiC(Silicon carbide, 탄화규소)를 소재로 한 전력반도체의 수요가 급증하고 있습니다.

SiC 전력반도체 제조용 웨이퍼 ⓒKERI

SiC 전력반도체는 탄소와 규소를 1:1로 결합한 화합물로 만들었습니다. 다이아몬드 다음으로 단단하고 실제 다이아몬드처럼 투명합니다. SiC 전력반도체는 같은 두께의 실리콘에 비하여 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있습니다. 즉, SiC는 10분의 1 두께만으로도 실리콘 반도체의 성능을 발휘합니다. 또, 섭씨 수백도 고온에서도 동작하며 전력 소모도 작아 에너지 효율을 높일 수 있습니다.

SiC 웨이퍼 및 전력반도체 소자 ⓒKERI

SiC 전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 지금까지의 실리콘(Si) 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있습니다. 무거운 냉각장치도 줄이거나 아예 없앨 수 있게 됩니다. 전력손실도 줄이고 차제 중량도 줄어드니 이중으로 에너지 효율을 높일 수 있는 것이죠.

e-모빌리티용으로 최적인 까닭에 최근 공급이 부족해진 SiC 반도체 소재는 미국 기업의 대중국 금수 품목에 포함되는 등 미·중 기술전쟁의 대상이기도 합니다.

SiC 전력반도체로 인버터를 만들면 부피와 무게가 줄어들고 에너지 효율이 최대 10% 좋아진다. ⓒKERI

도랑 파고 면적 잡고, ‘트렌치 구조’

전력반도체에서는 저항을 줄이는 것이 중요합니다. 저항 성분이 클수록 손실이 커지기 때문입니다. 이에 국내 연구진은 소자의 저항을 줄이기 위해 도랑 형태의 구조를 가진 ‘트렌치 구조’의 모스펫(MOSFET)을 가진 전력반도체를 개발하게 됐습니다.

이번에 개발한 SiC 트렌치 모스펫 기술은 SiC 웨이퍼에 좁고 깊은 골(트렌치)을 만들고, 이 골의 벽면을 따라 전류 통로인 채널을 상하 방향으로 배열한 것으로, 지금까지 수평으로 배열했던 채널 구조와 차별화한 것입니다. 수평으로 배열된 채널을 수직으로 세운 만큼 채널이 차지하는 면적을 절약할 수 있어서 전력 소자의 면적을 최대 수십 퍼센트 줄일 수 있습니다.

트렌치 구조는 바로 수직으로 형성된 채널을 통과하여 전자들이 효율적으로 이동한다(면적 활용도를 높여 칩 크기를 줄일 수 있음) ⓒKERI

SiC 전력소자를 사용하게 되면 기존의 실리콘 전력소자를 이용한 경우에 비해서 전력변환장치의 효율이 5~6% 정도 향상됩니다. 거기에 SiC의 우수한 열적, 전기적 특성을 고려하여 인버터 등의 전력변환 시스템을 가볍고 작게 만들 수 있게 됩니다.

이처럼 SiC 전력반도체를 전기차에 적용할 경우 최대 10% 전비 향상을 기대할 수 있을 정도로 효과가 매우 큽니다. 하지만 폭발적으로 늘어나는 전기차 수요에 비해 SiC 전력반도체는 소수의 선진 국가들만이 독점하고 있어 전 세계적으로 공급 부족에 시달리고 있습니다.

SiC 트렌치 구조는 전력반도체의 생산량을 증가시킬 수 있지만, 안정적인 동작 및 장기 내구성 확보 등 해결해야 할 난제가 많아 세계적으로도 독일과 일본만이 양산화에 성공할 정도로 기술 장벽이 높은데요. 수년 내에 SiC 시장의 주역이 될 트렌치 모스펫을 국산화함으로써 SiC 기술 1부 리그에 후발국인 한국이 합류했다는 의미가 있습니다.

SiC 전력반도체 제조용 웨이퍼 ⓒKERI

핵심기술을 개발한 KERI 문정현 박사는 “SiC 전력소자에서 가장 난이도가 높은 이 기술이 적용되면 웨이퍼당 더 많은 칩을 만들 수 있어 공급량도 늘리고 소자 가격을 그만큼 낮출 수 있다”고 말했는데요. 따라서 이 기술이 상용화되면 궁극적으로 전기차의 가격을 낮추는 효과로도 이어질 전망입니다.

KERI 방욱 전력반도체연구센터장은 최근의 자동차용 반도체 부족 사태와 미·중 반도체 갈등 국면에서 이번 기술이 어떤 변수가 될지에 대해 “SiC 웨이퍼는 트럼프 행정부 시절부터 이미 미국 기업의 대중국 금수 품목일 정도로 산업적 중요성이 높다는 증거”라고 밝히며 “전기차 시대 도래로 전 세계적으로 SiC 전력반도체의 공급난이 일어나고 있는 만큼, SiC 기술의 고도화와 양산 능력 확보가 국가 경쟁력 향상으로 이어질 것”으로 내다봤습니다.

한국전기연구원 전력반도체연구센터(왼쪽부터 나문경, 문정현, 방욱, 강인호, 김형우 박사) ⓒKERI

한편, KERI는 개발한 ‘트렌치 구조 SiC 전력반도체 모스펫’ 제조 원천기술을 포함해 제품 상용화를 위한 각종 측정·분석 기술 등 종합적인 기술 패키지를 SiC 전력반도체 전문업체인 ㈜예스파워테크닉스(대표 김도하)에 최근 기술이전했습니다. 기술이전 금액은 과제수탁 계약 포함 총 20억원에 이르는 대형 계약입니다. 연구팀은 장비 구매부터 양산화 라인 구축까지의 전 프로세스를 지원하는 등 그동안 수입에 많이 의존했던 SiC 전력반도체의 국산화 및 대량 생산화를 적극 지원할 예정입니다.

* 이 글은 한국전기연구원(KERI)으로부터 제공받았습니다.

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