테슬라·현대차 등 글로벌 기업, 실리콘카바이드 인버터 앞다퉈 도입
글로벌 기술 혁명의 새로운 국면으로 에너지 효율 시대가 도래하면서 전력반도체가 전기 시스템의 핵심 요소로 떠오르고 있다. 메모리와 중앙처리장치(CPU)가 정보의 저장과 연산을 담당하는 것과 달리, 전력반도체는 전기의 흐름을 제어하고 조절함으로써 시스템 전반의 작동을 실질적으로 가능하게 하는 역할을 수행한다. 모빌리티, 에너지 인프라, 인공지능(AI) 데이터센터 등 전기를 생산하거나 소비하는 모든 산업 분야에서 전력 효율을 극대화하고 에너지 손실을 최소화하는 기술력이 미래 경쟁력을 결정짓는 핵심 척도로 자리매김하고 있다. 이런 추세는 전력반도체 기술의 중요성을 더욱 부각시키며 관련 시장의 성장을 견인할 것으로 전망된다. 이에 <알파경제>는 전력반도체 시리즈를 준비하게 됐다. [편집자주]
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| (사진=연합뉴스) |
[알파경제 = 차혜영 기자] 전력 반도체 시장이 기존 실리콘(Si)의 물리적 한계를 넘어 실리콘카바이드(SiC) 중심으로 급격히 재편되고 있다.
전기차와 데이터센터 등 고전압·고효율이 필수적인 차세대 인프라를 중심으로 SiC 도입이 가속화되는 추세다.
지난 1960년대 이후 전자산업을 주도해온 실리콘은 최근 고전압 환경에서 임계점에 도달했다는 평가를 받는다.
실리콘은 600V 이상의 전압에서 저항이 급증하며, 150도 이상의 고온에서는 반도체로서의 성능이 급격히 저하되는 특성을 보이기 때문이다.
반면 실리콘과 탄소의 결합체인 실리콘카바이드는 다이아몬드에 가까운 강한 구조를 바탕으로 고온과 고전압 환경에서도 안정적인 작동이 가능하다.
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◇ 와이드 밴드캡 특성, 3.2eV로 10,000V 이상의 초고전압 견뎌
SiC의 핵심 경쟁력은 '와이드 밴드갭(Wide Bandgap)' 특성에 있다.
SiC의 밴드갭은 3.2eV로 실리콘(1.1eV)보다 3배가량 높아 10,000V 이상의 초고전압을 견딜 수 있다.
또한 열전도율이 구리 수준으로 우수해 방열 시스템의 소형화가 가능하며, 항복 전계가 실리콘 대비 10배 높아 칩 두께를 10분의 1 수준으로 줄이면서도 저항을 최소화할 수 있다.
실제 산업 현장에서의 효율 개선 효과는 수치로 증명된다. 1200V, 100A 기준 실험에서 SiC MOSFET은 기존 Si IGBT 대비 전력 손실을 약 87% 절감하는 것으로 나타났다.
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◇ 테슬라·현대차 등 글로벌 기업, 실리콘카바이드 인버터 앞다퉈 도입
테슬라 모델 3를 시작으로 현대자동차 등 주요 완성차 기업들이 SiC 인버터를 도입하는 이유도 주행거리 연장과 차량 경량화라는 실익이 크기 때문이다.
다만, 높은 제조 원가와 공정 난이도는 여전히 해결해야 할 과제로 꼽힌다.
SiC는 소재의 경도가 매우 높아 가공 시 다이아몬드 톱이 필요하며, 웨이퍼 가공 비용은 실리콘 대비 최대 100배에 달한다.
그럼에도 데이터센터의 전력 효율을 99%까지 끌어올려 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다는 점이 시장의 수요를 견인하고 있다.
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◇ “서버용 전원공급장치(PSU)·고속 충전기 분야 시장 확대 전망”
국내 반도체 기업들이 앞다퉈 SiC 시장에 뛰어드는 이유다.
국내 반도체 기업인 dicio는 이런 시장 변화에 대응해 SiC 기반의 AI 전원 특화 설계 및 모듈 솔루션을 제공하고 있다.
강미선 dicio 대표는 알파경제에 “서버용 전원공급장치(PSU)와 고속 충전기 분야에서 기술 컨설팅을 병행하며 국산 SiC 반도체의 경쟁력을 확보해 나갈 방침”이라고 말했다.
저전압 고속 스위칭 영역에서는 질화갈륨(GaN)이 SiC와 상호 보완적인 관계를 형성하며 시장을 분점할 것으로 전망된다.
*다음 3회차 예고
“모래가 컴퓨터가 되기까지, 반도체 제조의 마법”이라는 주제로 반도체가 생산되는 과정, 미래 반도체의 최첨단 기술 등을 흥미롭게 살펴볼 예정이다.
알파경제 차혜영 기자(kay33@alphabiz.co.kr)
