Special 세라믹 열관리소재 기술 개발 동향(2)

전기차용 질화규소 방열기판 시장 및 기술 동향

김하늘_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 실장
박영조_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 책임연구원
김미주_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 기술기원
마호진_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 선임연구원
이재욱_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 선임연구원
고재웅_한국재료연구원 엔지니어링세라믹연구실 책임연구원

1. 서론

최근 들어 전 세계적으로 이슈의 중심에서 가장 많이 회자되는 회사가 뭐냐고 물어본다면, 많은 사람이 미국의 테슬라(TESLA)를 이야기할 것이다. 가까운 미래든 먼 미래든 상관없이 반드시 필요할 것 같은 기술들의 개발 이슈를 선도하는 테슬라지만, 현실에서 실제 구현이 되었으며 전 세계의 관심사인 기후변화에 대응하는 탄소중립에 연계되는 기술은 단연 전기자동차이다. 전기차 기술 자체는 예전부터 있어 왔다지만, 내연기관에 준하는 높은 주행성능과 함께 장거리 주행까지 가능한 전기차를 자동차 시장의 핫 이슈로 만든 것은 테슬라로 여겨진다. 그로 인하여 기존의 내연기관 자동차 제조기업들 역시 새로운 플랫폼의 전기차 양산에 돌입하며 전기차 시대의 서막을 알리고 있다.

그림 1. 테슬라를 위시한 자동차 제조기업의 전기차 시대로의 전환

  기존의 휘발유/경유 등을 연소하는 방식의 내연기관 자동차가 아직은 점유율이 90%를 초과하고 있지만, 기술의 발전과 함께 다양한 글로벌 정책들이 전기차 시대를 본격적으로 열어줄 것으로 전망되고 있다.
  블룸버그 NEF는 2021년 전기차 전망 (Electric Vehicle Outlook 2021)에서 전기차의 급격한 보급률 성장을 전망하고 있다.1) 2020년 판매된 승용차 중 전기차 점유율이 4%에 불과하지만, 전 세계적인 탄소제로 정책이 계획대로 진행되는 경우 전기차 점유율이 2030년 58%, 2040년 99%에 이를 것으로 예측하고 있다. 내연기관차와의 경제성을 고려한 다소 보수적인 전망의 경우에도 전기차 점유율은 2030년 34%, 2040년 70%에 도달할 것으로 예측하고 있으므로, 전기차 시대는 생각보다 빠르게 열릴 것으로 보인다. 승용차가 아닌 버스나 2륜/3륜차의 경우 2020년 현재 이미 39%, 44%의 점유율을 보이고 있을 정도로 전기차는 이미 우리 실생활에 정착 중이라 할 수 있다.

  내연기관 자동차에서 엔진이 하는 파워트레인의 역할을 전기모터가 하고 있는데, 이러한 전기모터를 구동하기 위해 전력을 공급하고 제어하는 핵심 부품인 전력변환 인버터, 스위치 등에 전력반도체 모듈(파워모듈)이 사용되고 있다. 최근 전기차의 고성능화 추세에 따라 전력반도체 모듈은 전력밀도가 높은 SiC, GaN과 같은 넓은 밴드갭(Wide band gap) 전력반도체가 기존의 Si 대신 사용이 확대되고 있다. 특히 근래 들어서 1200V의 SiC 파워모듈 제품이 실제 전기차에 본격적으로 적용되기 시작하고 있다. 2018년 테슬라 모델 3에 최초로 STM(STMicroelectronics)사의 SiC 전력반도체를 탑재한 후 20여 개의 자동차 회사가 SiC 파워모듈 적용 전기차를 출시하고 있다.2) 국내 기업인 현대기아차 역시 아이오닉5, EV6 에 인피니온 테크놀로지스(Infineon Technologies)에서 개발한 1200V·200A, 1200V·400A 규격의 쿨SiC 모스펫(CoolSiC MOSFET)을 적용한다고 최근 뉴스를 통해 밝히기도 했다.3)
  높은 전력밀도를 가진 SiC 전력반도체의 적용은 파워모듈의 작동온도를 200℃ 이상으로 끌어올리고 있으며, 유명한 시장 및 기술전망 컨설팅 기업인 욜 디벨롭먼트(Yole Development)에서는 파워모듈의 소자 접합부 온도(Junction temperature)가 2030년에는 250℃에 육박할 것으로 전망한 바 있다.4)

그림 4. 질화규소 방열기판의 전기자동차 파워모듈 적용 모식도

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