[인터뷰] SiC 선도 기업이 그리는 오토모티브 반도체의 미래
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[인터뷰] SiC 선도 기업이 그리는 오토모티브 반도체의 미래
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.12.03 08:40
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SiC 저전력 반도체의 특성과 해결 과제

[테크월드=선연수 기자] 최근 전자 기기나 부품의 장점을 이야기할 때 빠짐없이 강조되는 특성이 바로 ‘저전력’이다. 자율주행의 시대로 달려가기 위해서는 라이다(LiDAR)나 레이더(RADAR)와 같은 각종 차량 센서에서 쏟아지는 데이터를 처리해야 해, 이전과는 차원이 다른 많은 전력을 소모하게 된다. 이를 더 가볍고 안전하게 처리하기 위해 자동차 제조업체들은 기존의 실리콘(Si) 반도체에서 실리콘카바이드(SiC) 반도체로 눈을 돌리고 있으며, 이미 주요 업체들은 SiC 반도체를 적용한 차세대 차량 모델을 개발하고 있다.

 

ST마이크로일렉트로닉스 한국지사 파워·디스크리트 마케팅 부문 전성환 이사

ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 20년간 저전력 반도체 기술인 SiC 기술을 발전시켜왔으며, 현재 오토모티브 SiC 분야에서 100%에 가까운 시장 점유율을 나타내고 있다. ST 한국지사 파워·디스크리트 마케팅 부문 전성환 이사와 함께 ST만의 독보적인 SiC 기술력, 그리고 시장 선도 기업 입장에서 바라보는 미래에 대해 이야기를 나눴다.

 

Q. ST는 20년간 꿋꿋이 SiC 기술에 투자해오고 있다. SiC 기술의 미래 가치가 장기간 투자를 이끌어 낼 만큼 충분하다고 생각했나?

SiC는 Si에 C(탄소)를 적정량 섞은 것이다. 이 소재로 반도체 웨이퍼를 만들고, 그 위에 에피(Epitaxial)를 올려 원하는 형태로 만든 후, 웨이퍼 절단 작업인 소잉(Sawing) 등을 거쳐 원자재를 확보한다.

1996년 투자를 시작할 당시에는 사업성이 없었으며, 정부와 대학이 참여한 산학연 공동 개발 방식으로 진행했었다. 초기 기술력만으로는 수율이 30% 이하일 정도로 일반 제품에 적용하기가 매우 어려운 단계였고, 연구용 등으로 하이엔드의 제품에만 적용해볼 수 있었다. 그럼에도 불구하고 ST는 미래 가치를 보고 계속적으로 투자했으며, 현재 시장에서 연평균 성장률 20~30%의 높은 성장세를 보이고 있다.

SiC 제품 시장 전망   출처: IHS 마킷

SiC는 굉장히 강력한 소재다. Si에 입혀진 C 성분으로 인해 소재는 높은 항복 전압(Breakdown Voltage)을 갖게 된다. 이는 기존 실리콘 대비 1/300이라는 매우 낮은 저항성을 띠게 만들어, 전기적 손실을 최소화한다. 자율주행 전기차의 경우 에너지 소모가 상당해 큰 소자가 들어가게 된다. 이 경우 조그만 저항에도 발열량이 상당한데, SiC는 전도성이 높아 열 발생률도 줄여준다.

또한, 열전도율(Thermal conductivity)이 우수해 일렉트리컬 필드에서 버티는 힘이 Si 대비 10배가량 강하다. 즉, Si 소자의 1/10 크기인 SiC 소자로 똑같은 성능을 낼 수 있는 것이다. ST의 특정 제품은 200℃까지도 보장하며, 낮은 저항과 높은 열전도율로 인해 시스템의 고속 실행에도 낮은 전력 손실률을 보인다. 주파수 대역의 경우 기존 실리콘 활용 애플리케이션은 100-200KHz 대역을 사용했다면, SiC로는 300-500KHz 대역까지 사용할 수 있을 것으로 보고 있으며, GaN 소재는 MHz 대역까지도 활용할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

 

Q. 전력 효율이 탁월한 차세대 주목 기술이라는 점은 알겠다. 그러나 현재 SiC 시장의 점유율은 주요 업체들이 나눠가지고 있으며, 진입 장벽이 높은 것으로 보인다. SiC 기술 확보에 있어 까다로운 점은 무엇인가?

SiC 제품 공정은 마치 다이아몬드와 같은 견고한 물질을 가공하듯 만들어진다. 실리콘은 800℃에서 가공이 이뤄지지만, SiC는 1700℃ 이상의 온도에서 담금질해야 한다. 에칭, 이온 주입 공정 또한 고온에서 처리되며, 이를 위해선 기존에 Si 공정에 사용되던 장비 외의 새로운 장비의 도입이 필요하다.

그러나 장비는 투자 비용만 있다면 확보할 수 있는 부분이다. 제조 과정에서 가장 중요한 것은 불순물을 처리하는 것이다. SiC는 소재 특성상 웨이퍼에 굉장히 많은 불순물을 포함하고 있다. 이에 에피를 쌓게 되면 더 많은 불순물이 생기고, 이로 인해 스크리닝(Screening) 과정도 여러 번 거치는 등 매우 복잡한 공정을 겪게 된다. 이런 상황에서 웨이퍼를 최대한 효율적으로 사용하는 능력이 ST의 기술력이며, 20년간 쌓아온 노하우다.

후공정에서는 온도 측면에서 강점을 가지는 멀티 신터링(Multi sintering) 접합 패키징 공법을 일부 제품에 사용한다. 기존의 업체들은 모두 솔더링(Soldering) 기술로 제작하고 있다. 신터링 패키징 공정을 통해 900℃까지 온도를 견뎌낼 수 있다. 다만 리드 연결 시 SiC와는 버틸 수 있는 온도의 한계가 달라 주의해야 한다. 현재 이 공법으로 제작된 제품을 미국의 일부 업체에서 사용하고 있다.

 

현재 자동차 제조업체들도 SiC 제품 개발에 뛰어들고 있는데, 이는 새로운 경쟁자의 등장보단 ST 기술력 적용 확대의 기회로 볼 수 있다. 오랜 노하우를 단기간에 구축하는 것은 무리다. ST 기술에 기반한 모듈과 같은 최종품을 생산하는 방식으로 진행될 것으로 예상되며, 이런 제품끼리의 경쟁도 발생할 수 있다.

 

Q. ST는 현재 오토모티브 SiC 분야에서 특히 강세를 보이고 있다. 실제로 차량에 SiC 제품을 적용했을 때의 효율은 Si 제품 대비 얼마나 높아지는가?

객관적인 기준이 없어 확답하긴 어렵지만, ST가 협렵업체와의 제품 개발 과정에서 검증한 결과, 자동차의 경우 마일리지 효율이 15% 정도 개선된다. 전기차는 화석연료차와 달리 전기로 모터를 구동하는 3상 모터 BLDC(Brushless Direct Current motor) 구조를 가지며, 150-250KW의 높은 전력을 요구한다. 기존에는 Si 소재의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용했지만, SiC를 적용하면 에너지 손실률을 80%까지 절감할 수 있다.

또 다른 강점은 소형화다. 앞서 설명했듯 SiC는 강한 소자로 저항이 낮아 전력 손실이 적고, 열에 강하다. 이로 인해 소자 단에서는 Si 대비 10배 작은 크기로 같은 성능을 달성할 수 있어, 보드단에서는 약 3~4배의 공간을 절약할 수 있다. 현재 차량용 애플리케이션으로는 트랙션 인버터, 온보드 차저, DC-DC 이 세 가지가 주로 이용되고 있으며, Si에서 SiC로의 변환율도 매우 가파른 것으로 분석된다.

 

Q. SiC 반도체가 강점으로 작용할 또 다른 시장이 있는가?

우선은 고부가가치의 하이엔드 산업용 제품 분야에서의 활용을 기대하고 있다. 태양에너지, ESS, 풍력에너지, UPS, 서버 등의 높은 전력대를 활용하는 분야로, 여기서는 전력 효율과 함께 가성비 또한 중요한 요인 중 하나다. SiC 제품을 도입하게 되면 초기 투자 비용으로 인해 BoM이 상승하나, 장기적으로 볼 때 더 높은 비용 효율성을 지니기 때문에 도입하는 고객사들이 늘고 있는 추세다.

에너지 영역별 SiC 기술 활용이 주목되는 애플리케이션

특히, 데이터센터에서의 활용이 주목할 만하다. 데이터센터는 서버, 스토리지, UPS 등 많은 제품이 집적되는 곳으로 제품의 부피만큼 무게로 인한 밀도를 줄이는 게 이슈다. SiC 제품을 통해 공간을 효율적으로 구성할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 협소한 공간에 수많은 파워들이 모여있기 때문에 발열량이 높아, 우수한 열 특성을 가지는 SiC 기술이 좋은 솔루션이 될 수 있다.

 

Q. ST가 고민하고 있는 SiC 기술의 과제, 향후 계획은 무엇인가?

현재 양산 중인 2세대(Gen2) 제품으로 자동차, 산업, 일반 컨슈머 시장까지 공략하고 있으며, 3세대(Gen3) 제품은 신뢰성을 확보하는 단계에 놓여있다. 검증을 완료한 후 내년에 시장에 선보일 계획이며, 커스텀화하는 최근 전략 트렌드에 따라 유수의 글로벌 업체들과 함께 협업 개발을 진행 중이다. 또한, 4세대(Gen4) 제품의 경우 트렌치(Trench) 기술이라는 새로운 공정 방식을 통해 제작하고 있다.

SiC 기술은 빠른 속도로 상업화의 길을 열어가고 있다. 2024년에는 20억 달러 이상의 시장 규모를 형성할 것으로 예상되며, 올해 성장세를 볼 때는 더욱 가속화될 것으로 보인다. 특히 오토모티브 부문에서 매년 2배의 성장 규모를 보이며, 내년에도 이 속도가 이어질 것으로 예측된다.

시장의 형태로 볼 때, 전력 소자의 포지션이 점점 확대되고 있으며, 전기차로 넘어가는 순간 더 급진적인 변화가 일어날 것이다. ST는 이에 대비해 디스크리트 제품뿐만 아니라 모듈 형태의 제품을 함께 제공하고 있으며 다양한 단계에서 고객사가 원하는 제품을 공급할 수 있도록 범위를 확대해 나가고 있다.

이번 3분기에 ST는 노스텔(Norstel)을 100% 인수 완료했다. 크리(Cree)와도 현재 5년간의 장기 공급 계약을 맺고 있다. 이렇게 협력을 늘려가는 이유는 사실 SiC 시장의 성장세에 비해 생산량이 부족해 이를 대비하고 가격적 메리트를 선점하기 위한 차원이다. 이와 함께 싱가포르에서 새로운 생산라인 확대를 검토 중에 있다. 현재는 SiC 기술 리드 기업으로서 SiC 기술의 전 과정을 맡아 공급 안정성을 확보하는 게 목적이지만, 장기적으로는 SiC 핵심 기술력 확보를 통해 수율을 높이고 고객의 신뢰성을 얻어 40% 이상의 시장 점유율을 달성하는 게 목표다.


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