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반도체는 주로 전기 자동차나 에너지 산업에 사용된다는 사실, 다들 알고 계시죠? 최근 기존 ‘실리콘 반도체’보다 더 발전한 개념인 ‘실리콘 카바이드 반도체(SiC)’가 새로운 이슈로 떠오르고 있습니다. SiC는 고 전압, 고 전류, 고온에서도 동작이 가능한 것이 특징인데요. 앞으로 SiC 반도체 시장은 연 평균 36.7%씩 성장을 거듭해 2020년까지 약 10억 9500억만달러 규모에 이를 전망입니다. 떠오르는 차세대 반도체 SIC를 광운대학교 구상모 교수님과 함께 자세히 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
에너지 블루오션, 떠오르고 있는 차세대 반도체 소재 SiC
▲ 광운대학교 구상모 교수님
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Q. 안녕하세요. 구상모 교수님! SK 하이닉스 독자들에게 간단한 자기 소개 부탁 드립니다.
영하이라이터 독자 여러분 반갑습니다. 저는 현재 광운대학교 전자재료공학 교수로 재직하고 있으며 SiC 전력반도체 소자 제작과 시뮬레이션 및 측정 분석 및 연구를 하고 있습니다.
Q. 최근 에너지 산업에서 전력 반도체를 이용한다는 이야기가 많은데요, 전력 반도체가 무엇인지 왜 이슈가 되는지 알고 싶어요.
우리가 사용하는 모든 전자제품은 ‘전력’을 소비하게 되어있습니다. 전력이란 것은 ‘전압’과 ‘전류’의 상관관계에서 출력되는 단위이고 시간에 따른 손실 등에 따라 결정 됩니다. 이 때 전력의 변환, 전송에서 손실을 줄이거나, 고 전압, 대 전류, 고 주파수에서 사용하는 반도체를 ‘전력 반도체’라고 합니다. 전력반도체를 전자제품에 사용하게 되면 전력을 얻기 위한 과정에 필요한 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 나타납니다. 기존의 실리콘 기반의 반도체는 고 전압, 대 전류에서 사용될 수 없기 때문에 여기에 적합한 전력반도체가 이슈가 되고 있는 것입니다.
Q. 대표적인 반도체 물질인 Si와 비교했을 때 SiC의 물리적 특성이 갖고 있는 장점이 무엇인가요?
SiC의 장점은 크게 세 가지로 볼 수 있습니다. 먼저 SiC는 Si에 비해 에너지 밴드 갭이 1.1/3.2eV로 무려 3배나 넓습니다. 밴드 갭이 넓게 되면 실리콘의 경우 높은 온도에서 반도체 성질을 잃어버리게 되지만 SiC 반도체는 온도에 상관 없이 반도체 성질이 유지됩니다. 또한 절연파괴전계가 10배 정도 높아지는데, 이는 높은 전압을 걸어 주어도 반도체에 문제가 생기지 않고 적절하게 동작을 하게 합니다. 마지막으로 열전도도가 3배나 높다는 장점이 있습니다. 열이 높을 경우에 열을 냉각 시켜 주어야 하는데, SiC는 상대적으로 열전도율이 높기 때문에 Si보다 적은 에너지를 사용하여 냉각 할 수 있는 것이죠.
Q. 그렇다면 SiC의 이러한 물리적 특성이 전력반도체에서 필요한 이유가 무엇인가요?
앞에서 언급한 SiC가 가진 세가지 물리적 특성은 고온, 고전압에서 강점을 갖고 있다는 것인데요. 이러한 장점들을 가장 필요로 하는 분야가 바로 전력반도체산업이기 때문입니다.
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▲ 다양한 반도체 재료가 가진 직첩천이, 간접천이 특성을 보여주는 그림 (출처 : 웹스페이스)
Q. 전력반도체에 적합한 물질로는 SiC외에도 다양한 재료들이 있는데, 이 중에서 차세대 물질로 SiC가 대표적인 관심을 받고 있는 이유가 무엇인가요?
최근 전력 반도체에 관심을 받고 있는 재료가 ‘SiC’와 ‘GaN’ 이 두 가지입니다. 이 재료들이 가진 물리적 특성은 비슷하지만 이 중에서도 SiC가 주목을 받는 이유는 같은 물리적 특성을 지니고 있더라도 GaN은 ‘직접천이 반도체’이고 SiC는 ‘간접천이 반도체’이라는 점 때문입니다. 직첩천이 반도체는 전력 반도체보다 빛을 통한 소자에 사용하기에 더 적합한 특징을 가지고 있는데요. 현재 사용되고 있는 Si와 동일하게 사용하기에 적합한 간접천이 형태인 SiC가 더 화제 되고 있는 것입니다.
Q. 이외에도 다른 재료와 비교해서 SiC만이 가진 차별화된 장점은 무엇 인가요?
SiC는 실리콘이 포함된 재료이기 때문에 다른 물질에 비해서 Si와 비슷합니다. 그렇기 때문에 Si 반도체를 만들 때 사용하는 공정들을 이용해서 SiC 전력반도체를 제작 할 수 있게 됩니다. 공정을 완전히 바꾸는 것이 아니라 특성에 맞추어 변화시킨 공정을 그대로 활용할 수 있다는 것이죠.
전기 자동차 대중화를 선도하는 SIC 전력반도체
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Q. SiC전력 반도체가 전기 자동차 산업에 어떻게 쓰이는 건가요?
고온, 고전압에서 사용할 수 있는 SiC 전력반도체는 전기 자동차 산업에서 더욱 효과적으로 사용되는데요.
자동차 한 대에는 배터리, 제너레이터, 엔진, 모터 등의 다양한 부품이 필요합니다. 전력 반도체는 이러한 모든 부품의 상호작용 기능을 컨트롤 하는 ‘PCU(Power Control Unit)’에 사용되는데요. SiC 전력 반도체가 전기 자동차 산업에 구체적으로 어떻게 사용 되는지는 하단의 동영상을 참고해 보시면 이해하는 데 도움이 될 것 같습니다.
▲ 출처 : 유튜브
Q. 자동차 PCU에 사용되는 반도체를 SiC로 대체하면서 얻게 되는 혜택은 무엇인가요?
앞서 설명한 것처럼 기존의 Si반도체는 고온에서 동작이 되지 않고, 열전도율이 SiC에 비해 낮기 때문에 냉각시스템에 많은 에너지를 사용해야 한다는 단점이 있었습니다. 이 때 자동차 PCU에 SiC반도체로 그 기능을 대체하게 되면 고온에서도 작동이 가능하고, 연비에서 얻을 수 있는 혜택도 커지는 것이죠. 이외에도 연료 소비량의 감소와 함께 효율적인 에너지 사용이 가능하기 때문에 환경이나 공해 같은 문제 해결에도 도움이 되는 것이죠.
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▲ 2012년부터 2022년까지 전력 반도체 시장조사 현황 (출처 : 솔리드스테이트 테크놀러지)
Q. 앞으로 SiC전력 반도체의 시장성은 매우 높게 평가되지만 상용화에 대한 전망은 확실하지 않다는 의견이 있습니다.
상단의 그래프에서 보듯이 SiC전력 반도체 시장에 대한 투자 금액이 크다는 것은 상용화를 할 수 있다는 충분한 근거가 됩니다. 특히 반도체 기판을 제조하는 출발원료인 ‘웨이퍼(Wafer)’를 이용해서 현재 국내외 많은 연구원들이 이미 SiC전력 반도체 제작에 많은 관심을 기울이고 있는 상황입니다. 매년 SiC 웨이퍼의 가격도 낮아지고 있는데요. 이처럼 많은 연구원들과 기업에서 SiC웨이퍼를 필요로 하고 있기 때문에 전망이 밝다고 생각합니다.
SiC 반도체의 현재와 미래
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▲(왼쪽) SiC 물질을 이용한 SBD(SHOTTKY BARRIER DIODE) 반도체 소자, (오른쪽) SiC 물질을 이용한 MOSFET 반도체 소자
Q. 현재 연구 단계에서 SiC를 이용한 전력 반도체 소자에는 어떤 것들이 있나요?
전력 반도체는 일반 반도체와는 물리적으로 필요한 요소가 다르기 때문에 구조적인 측면에서 다르게 제작을 하게 됩니다. 현재 연구 단계에서 SiC를 이용한 전력반도체 소자들은 Si를 이용한 반도체 소자들과 대부분 동일합니다. 일반적으로 알고 있는 다이오드와 트랜지스터를 제작하고 있고, 최근 ‘1200V급 SBD(Shottky barrier diode)’, ‘600V 급 JFET’, ‘600/1200V 급 MOSFET’ 등 같은 소자 연구가 진행 되고 있습니다. 이러한 반도체들은 전력손실을 최소화 하고 고전압에서 사용 할 수 있도록 제작된 소자들입니다. 현재 더 높은 전압에서 사용 가능하면서 전력손실을 줄이는 방향으로 연구들이 진행되고 있습니다.
Q.최근 현대자동차가 2015년 11월 SiC 다이오드 개발 결과를 발표했습니다. MOSFET과 관련된 소자에 대한 연구 역시 많이 진행 하고 있는지 궁금합니다.
최근 SiC 반도체에 대한 많은 연구들이 이루어짐과 동시에 상용화에 대한 발표가 이어지면서 국내외 많은 자동차 기업들 역시 관심을 가지게 됐습니다. 실제로 국외 기업에서는 SiC 공정을 위한 FAB을 만들어 연구를 진행 하고 있는데요. 대표적인 나라로 일본과 미국이 있습니다. 이러한 이유로 현대 자동차 역시 SiC 전력 반도체에 대한 관심을 보이고 있는데요. MOSFET 은 자동차 기술에서 핵심이 되는 기술이기 때문에 SiC 전력반도체를 사용하고자 하는 기업들은 사전에 많은 연구를 하고 있는 것으로 알고 있습니다.
Q. 현재 SiC반도체 상용화를 위한 연구과정에서 생기는 공정이나 제작과정 중 생각해야 할 것은 무엇이 있을까요?
현재 반도체를 제작하는 과정에서 생기는 공정 조건들의 문제에 대해 많은 연구들이 진행 되고 있습니다. 특히 구조적인 부분에서 ‘TRENCH용법’을 사용하는 등 새로운 기술들이 등장하면서 더 높은 전압을 다룰 수 있는 전력반도체가 개발되고 있는데요. 하지만 공정의 패키지와 모듈부분의 문제들은 아직 개발이 많이 필요한 부분입니다. 반도체를 생산해 제품이 되기까지의 과정에서 생기는 예기치 못한 문제들을 해결하는 것이 중요하다고 생각합니다.
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▲ SiC 전력반도체 적용 분야 (출처 : 한국전기연구원 꼬꼬마케리 트위터)
Q. 마지막으로 SiC 반도체를 이용하면 우리 실생활에서 어떠한 긍정적인 효과를 기대할 수 있을까요?
SiC 전력반도체는 자동차 산업부터 방산 우주 항공과 같은 첨단산업까지 적용 할 수 있는 분야가 매우 다양합니다. SiC 전력 반도체가 개발되어 상용화 된다면, Si기반의 저전력 반도체를 통해서 얻게 된 현재 실생활의 많은 긍정적인 효과들처럼 미래에는 SiC 반도체로 실생활에서 방대한 변화를 기대할 수 있을 것이라 생각합니다.
지금까지 구상모 교수님과의 인터뷰를 통해 SiC전력반도체에 대한 전반적인 설명을 들어봤는데요. SiC 전력 반도체가 무엇인지 또 어떻게 활용이 되는지 쉽게 이해가 되셨나요? 교수님께서 말씀하셨듯이 SiC 전력 반도체의 상용화는 멀지 않은 시기에 이루어 질 것이고, 이를 통해서 우리의 삶은 더욱 편리해질 것 같습니다. 국내외 다양한 연구진과 기업들이 관심을 가지고 있는 SiC 전력 반도체의 미래를 기대해보겠습니다!
