Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(2)
차세대 자동차용 WBG 전력반도체 기술개발 동향

문재경_한국전자통신연구원 RF/전력부품연구실 책임연구원

1. 서론

전력반도체(Power Semiconductor)는 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시스템 반도체나 메모리 반도체와 달리 전자기기에 들어오는 전력을 그 전자기기에 맞게 직류·교류 변환, 에너지를 저장 또는 배분, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 반도체로, 전력을 생산하는 단계부터 사용하는 단계까지 다양한 기능을 수행한다. 컴퓨터, 휴대폰, 가전제품, 자동차, 태양광 발전, 풍력 발전, 스마트그리드 등에서 전력변환(AC→DC, DC→AC), 전력변압(강압, 승압), 전력안정화, 전력효율 최적화(분배, 제어) 등에 주로 사용되어 제품의 작동 여부 및 성능을 결정짓는 핵심부품으로 작용한다[1]. 최근 들어, 전력반도체는 전기자동차, 태양광발전 등 다양한 분야에 적용이 확대되고 있으며, 특히 4차 산업혁명 시대의 도래로 인해 스마트카, 자율주행차, 로봇, 태양전지, 사물인터넷(IoT), 스마트그리드, 항공우주, 5G 이동통신 등 관련 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어날 것으로 예상된다[2].
  이러한 전력반도체 시장에서는 보다 운전효율이 높으면서 소형화된 전력변환 장치를 요구하고 있으나, 기존 실리콘 반도체는 스위칭 손실, 스위칭 속도, 내환경성 등의 문제로 인해 시장의 요구에 부응하지 못하고 있다. 따라서 기존 실리콘 반도체 소자의 한계를 뛰어넘는 새로운 반도체 소자의 필요성이 제기되고 있는 가운데, 탄화규소(Silicon Carbide: SiC)와 질화갈륨(Gallium Nitride: GaN) 등 와이드밴드갭(Wide-Band Gap; WBG) 반도체가 부상하고 있다. 차세대 WBG 반도체 소자는 실리콘에 비해 3배나 넓은 밴드갭을 가지고 있으며, 매우 큰 절연파괴 전압을 구현할 수 있다[2]. 대표적인 WBG 전력반도체인 SiC와 GaN 전력반도체는 시스템의 사용 전압영역(GaN은 중저전압, SiC는 고전압)과 스위칭 속도(GaN은 고속, SiC는 상대적 저속) 측면에서 응용분야가 서로 차별화될 것으로 판단된다. 즉, SiC 전력반도체는 전기자동차, 풍력, 대형 운송수단, 경전철 등 1200V와 1700V급 고전력 응용 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다. 반면 GaN 전력반도체의 경우 200V급 이하 저전력 소자는 통신기기, DC-DC 컨버터, 무선전력전송 및 무선충전, D-급 오디오 적용을 위하여 개발되고 있는 반면 650V급은 태양광 인버터(PV inverter), ESS(Energy Storage System), 연료전지 인버터등 신재생에너지 시스템의 효율 극대화에 특화되어 신시장 영역을 확대해 나갈 것으로 예측된다[3].
  그림 1에 나타낸 바와 같이 2020년 자동차 사용 지역에서는 EU의 배출가스 규제[4]에 직면하고 있다. 자동차 1대당 생산자에게 허용된 이산화탄소 배출량은 95g.km이다. 규제 장벽을 극복하기 위하여 미래에는 자동차 생산자는 EVs(Electric Vehicles; ), HEVs(Hybrid Electric Vehicles), MHEVs(Mild Hybrid Electric Vehicles), 연료전지 전기차(Fuel Cell Electric Vehicles; FCEVs)와 같은 다양한 종류의 전기차 xEVs를 생산하여야 한다. 그림 2는 다양한 전기차 xEVs의 시장의 예측 트랜드를 보여준다. 비용의 효율성으로 인하여 EVs와 48V MHEVs 시장이 급격하게 증가함을 알 수 있다. 따라서 전력반도체 소자 영역에서는 자동차 사용 지역의 동향과 그들의 요구사항에 귀를 기울여야 한다[5]. 그림 3은 자동차 유형별 전력반도체 코스트 비중을 도식화하여 보여준다. 내연기관 자동차의 경우 차량 1대당 반도체 부품의 가격이 $315로 그 중 전력반도체의 비중이 21% 정도이다. 그러나 하이브리드 자동차의 경우 약 $295 전력반도체가 추가로 필요하며, 순수 전기자동차의 경우 반도체 부품 $719 중 정력반도체 비중이 55%에 달한다. 따라서 전기차의 연비개선을 위하여 일본 도요타자동차를 선두로 글로벌 자동차회사에서는 고효율 WBG 전력반도체의 체택을 위하여 많은 투자가 진행되고 있다[6].
  본 고에서는 이와 같이 최근 들어 급증하고 있는 국내외 차세대 자동차용 전력반도체(Power Semiconductor), 특히 GaN, SiC와 같은 대표적인 WBG 전력반도체 기술개발 동향을 살펴보고 시사점을 도출해 보고자 한다.

그림 8. GaN 전력반도체 패키지용 고속 저손실 전극 구조 (a) EPC사의 LGA 전극 구조 (b) GaN Systems사의 Island Technology 구조 기술

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>