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전력 반도체 / 관련 회사

by 제이드마 2021. 5. 31.
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신재생에너지 발전, 에너지 저장장치, 전기자동차, 전기차, 로봇 등 산업의 전력 제어에 필요한 전력반도체에 대하여 알아보겠습니다. 최근 전력의 변환, 변압, 안정, 분배, 제어를 통하여 효율적인 에너지 관리를 필요로 하는 부분에 떠오르는 차세대 반도체라 불리는 “ 전력 반도체 “ 적용이 관련 산업에서 주목을 받고 있습니다.

전력 반도체 란?

전력을 효율적으로 제어하는 반도체이며 전력을 변환하고 전송할 때 손실을 줄이거나 고전압, 대전류, 고주파수에서 사용 가능한 반도체를 전력 반도체라 합니다. 기존의 실리콘 Si 반도체보다 소자가 감당하는 전압, 전류 용량이 높고 온도에 대한 특성 더욱 향상 된 반도체입니다.

전력반도체의 소재 (재료)

전력 반도체의 소재는 실리콘 카바이드 (탄화규소) SiC 와 갈륨 나이트라이드 (질화 갈륨) GaN 두 가지이며 현재 일반적인 전력반도체의 소재는 실리콘 카바이드 SiC 가 많이 사용되고 있습니다.

SiC, GaN 두 재료 모두 고효율, 높은 에너지 밀도, 고온 특성을 가지고 있는 소자입니다. SiC 전력반도체는 실리콘이 포함된 재료이기 때문에 기존 Si와 비슷하여 기존 Si 반도체를 만들 때 사용하는 반도체 공정을 이용하여 공정을 완전히 바꾸는 것이 아니라 특성에 맞추어 변화시킨 공정을 그대로 활용하여 SiC 전력반도체를 제작 수 있기 때문에 현 추세는 많이 적용되고 있습니다. 앞으로는 GaN 전력 반도체가 SiC 전력 반도체보다 더 높은 스위칭 주파수의 특성을 가지기 때문에 SiC보다 빠른 스위칭 변환 속도와 고효율이 가능하여 새롭게 주목받고 있습니다. 다만 공정 상의 전용 장비 등의 설비 기반이 추가적으로 필요한 부분입니다...

전력 반도체의 장점

  • 에너지 밴드 갭이 넓어서 기존 실리콘 반도체의 경우 높은 온도에서 반도체 성질을 잃어버리게 되지만 전력 반도체는 온도에 상관없이 반도체 성질이 유지되어 높은 온도에서 동작이 가능합니다. 현재는 패키지의 내열성 제약으로 150℃~175℃ 보증이지만, 패키지 기술이 발전하게 되면 200℃ 이상의 보증이 가능해집니다. ※ 반도체의 에너지 밴드 갭은 전자가 도체와 부도체 사이를 이동할 수 있는 에너지의 범위입니다. 기존 Si 실리콘 12eV에 비하여 3배 정도 높은 SiC 3.26eV, GaN 3.5eV입니다.
  • 절연 파괴 강도가 10배 정도 높아져 600V~수천 V의 높은 전압을 걸어 주어도 반도체에 문제가 생기지 않고 정상 동작을 하게 합니다. ※ 절연파 괴전계는 실리콘 0.3Ec에 비하여 10배 이상 높은 SiC 3.0Ec, GaN 3.3Ec입니다.
  • 열전도도가 3배나 높은 장점이 있습니다. 열전도율이 높기 때문에 적은 에너지를 사용하여 냉각할 수 있게 됩니다. 열전도도가 높다는 것은 냉각 구조 소형화 또는 불필요가 가능하기 때문에 에너지 효율에도 큰 장점을 가질 수 있습니다.

전력 반도체 활용

전력 반도체는 소재 특성상 열에 강해 실리콘 반도체에 비해 고전압에서도 잘 버틸 수 있어서 태양광에너지, 전기차 배터리, 고속충전기, 5G 통신장비 등에서 많이 활용되며 특히 기존 실리콘 반도체가 사용되던 배터리 충/방전기에 전력반도체를 적용하면 충/방전 효율이 증가하고 장비 소형화로 인하여 공간대비 생산량이 증가가 가능해집니다. 뿐만 아니라 전력반도체는 배터리 외에도 자율주행차에 적용되는 라이다(LiDAR), 무선충전, 데이터센터, 통신 등 다양한 분야에 적용이 가능합니다.

태양광 에너지 포스팅 참고 바랍니다.

태양광 에너지 / 원리 / 관련 회사

태양광 에너지 전 세계 국가적으로 친환경 에너지 육성 정책이 본격적으로 시행될 것을 예상하고 있습니다. 이 전망이 투자 심리도 자극하고 있습니다. 태양광의 가장 큰 수출처가 미국이기 때

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예를 들면 전기차 배터리의 경우 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터(전동기)에 공급하는 인버터의 핵심부품이 전력반도체입니다.. SiC 전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 에너지 효율이 높아지고 무거운 냉각장치를 줄여 작고 가볍게 시스템을 만들 수가 있어서 전력 손실도 줄이고 시스템 중량도 감소하여 에너지 효율을 극대화할 수가 있습니다.

관련 회사

  • 예스 파워테크 닉스 (예스티 계열) : 반도체 제조공정 장비 전문 업체인 예스티는 2018년 8월, SiC 전력반도체를 양산하는 예스 파워테크 닉스에 약 70억 원을 투자하였고 최근 SiC 전력반도체 수요가 급증하면서 세계 시장 규모는 2017년 약 3억 달러(약 3,500억 원)에서 2023년 15억 달러(약 1조 8,000억 원) 이상으로 성장할 회사로 전망됩니다.
  • 광전자 : 광반도체 및 파워디바이스 전문 회사이며 2017년 11월 전기자동차 및 신재생에너지용 1200V급 트렌치형 SiC MOSFET 소자 개발 국책과제 주관기관으로 선정되어 한국전기연구원, 광운대, 아이언 디바이스 등과 함께 산업통상자원부의 소재부품 산업 미래 성장동력사업에 참여하여 기술 개발을 진행한 경험이 있습니다.
  • KEC : 반도체 제품 및 부품 제조업 회사이며 19년 3월, 산업통상자원부가 시행하는 소재부품산업 국책과제 사업자로 최종 선정되었고 향후 고성능 SiC 파워 반도체를 시장에 내놓을 예정입니다.
  • 트리노테크놀로지 (아이에이 계열) : 아이에이의 계열사인 트리노테크놀로지는 2018년에 SiC 기반의 전력반도체 상용화를 위한 샘플을 개발하는 데 성공하여 관련 시험평가를 하고 있으며 고전력 모듈(HPM:High Power Switch Module)용 전력반도체 국산화에 성공하였습니다.
  • 에이프로 : 2차 전지 생산 장비 업체이며 갈륨 나이트라이드(GaN) 전력 반도체를 적용한 소형화 장비를 개발하고 있습니다.

시장성, 전망

전력반도체는 고효율, 고밀도, 고온 특성을 가지는 소자이기 때문에 자동차 산업부터 방산 우주 항공과 같은 첨단 산업까지 적용할 수 있는 분야가 매우 다양합니다. 최근 자율주행 기술, 인포테인먼트 시스템 확대, ADAS 등의 부문에서 인버터/컨버터, 충전기와 같은 보조 시스템의 수가 증가하면서 등으로 차량의 전장화가 급격히 추진 중이고 향후 2023년까지 전 세계 자동차에 탑재되는 전력반도체의 사용은 큰 폭으로 성장하여 연평균 10%의 성장률이 예상되고 인포테인먼트 부문에서도 전력반도체 수요가 늘 것이라 전문가들은 예상하고 있습니다.

ADAS 포스팅 참고 바랍니다.

ADAS (Advanced Driver Assistance Systems)

자율 주행의 핵심 기술로 많은 자동차 제조사에서 관심을 갖고 기술 개발 및 첨단 장치로 소개하고 있는 ADAS에 대해 살펴보겠습니다. 지능형 운전자 보조 시스템 (ADAS) 지능형 운전자 보조시스템

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아직 전력반도체 부문에서 국내 산업 기반은 미미한 상황이어서 현재 미국과 일본이 주도하고 있고 한국 기업은 시장 점유율 1% 미만입니다. 국내 시장의 크기는 20억 달러 정도로 90%를 수입에 의존하고 있으며 전력반도체 시장이 점차 커지는 상황에서 미국의 크리(Cree), 독일의 인피니언(Infineon), 일본의 로옴(ROHM) 사 등이 시장을 주도하고 있어 아쉬운 부분인데요.. 국내 사들도 점차 점유율을 높여 가길 기대를 해봅니다.

전력 반도체 차량내 적용 사례_출처 : 온세미컨덕터


실리콘 Si 반도관련 포스팅 도 참고 바랍니다..

반도체 / 제조공정 / 관련 회사

반도체 반도체는 핸드폰, 컴퓨터, 텔레비전, 자동차, 의료기기, AI, 통신, 군사, 위성 등 현대 사회생활에 없어서는 안 될 정도로 밀접하게 사용하고 있는데요 반도체가 무엇이며 제조 공정은 어

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