[반도체] 전력 반도체는 무엇? <반도체 슈퍼사이클을 준비하며>

전력 반도체가 무엇일까요?

전기차, 자율차 수요 확대로 차량에 사용되는 모터 탑재 수가 늘어나면서 이를 제어하기 위한 전력반도체 수요 확대 - KIET 산업연구원 

 

■ 전력반도체와 메모리반도체의 차이

출처. KERI 한국전기연구원 블로그

전력반도체는 높은 전압과 큰 전류를 제어하는 기능을 하며, 말 그대로 전력을 사용하는 모든 제품에 사용됩니다. 거기에 4차 산업혁명으로 모든 사물이 전기로 연결되고 있기 때문에 그 영역이 확대되고 있습니다.

많은 영역 중 특히 전기자동차와 전력반도체가 함께 언급되는 이유는 전기자동차 시장의 성장이 예상되고 있는 상황에서 (2040년 내연기관 자동차 역전 예상) 전기자동차의 배터리와 전기모터를 연결하는 인버터에 들어가는 핵심부품이 전력반도체이기 때문이 아닐까 합니다. 

 

■ 전력반도체 소재에 따른 분류

다양한 형태와 용도의 전력반도체가 있는데 최근의 이슈는 기존 실리콘 전력반도체의 한계를 뛰어넘는 새로운 반도체 소자가 개발되고 있어 소재에 따른 분류를 정리 해 보았습니다

전력 반도체 소재별 강점 / 출처. arrow.com

 

전력반도체는 SiC(탄화규소)가 좋다 GaN(질화갈륨)이 좋다라는 관점에서 조금 벗어나서 전체 소재를 놓고 보면 각각의 장점이 있습니다.

• Si(실리콘) - 400V 미만, 1KW 미만에서 저주파 작동이 필요한 경우 적합하고, 단가가 낮음.
• GaN(질화갈륨) - 소자의 크기를 줄여야 하고, 높은 스위칭 주파수가 필요한 USB충전기와 같은 소형 애플리케이션을 구축할 때 적합.
• IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) - 1KW 이상의 전력수준과 600V 이상의 정격전압, 저주파에 적합.
• SiC(탄화규소) - 1KW 이상의 전력, 600V이상의 정격전압 더 높은 스위칭 주파수, 더 높은 전력밀도(출력밀도)가 필요한 경우 SiC(탄화규소)가 적합.

 

■ Si(실리콘, 규소) 전력반도체와 SiC(탄화규소) 전력반도체의 특징과 장점

구분	실리콘 (Si, 규소) 전력반도체	SiC(탄화규소) 전력반도체
가격	저비용	고비용
- 안정성	높음	(상대적으로) 낮음
- 도핑기술	확산 기술, 이온 주입 기술 선택 가능	이온 주입 방법만 가능 확산 기술 사용불가(단단함)
- 산화속도	빠름	(실리콘에 비해) 느림
연비	나쁨	좋음
- 냉각장치	많이 필요	적거나 없어도 됨
- 열전도율	낮음	높음

 

□ 실리콘(Si, 규소) 전력반도체

기존 전력반도체는 실리콘(Si, 규소) 반도체가 대부분을 차지하고 있었습니다.

▶장점 = 저비용

• 풍부한 자원(모래)으로 인한 가격적 장점
• 화합물이 아닌 원소반도체로 높은 안정성
• 정제기술의 발달로 초고순도 실리콘 단결정 구조 제작이 용이

▶단점

• 열전도율이 낮아(=열손실이 많음) 연비가 나쁨
• 열이 많이 발생하여 충분한 냉각장치가 필요 즉, 냉각장치의 무게로 연비가 너 나빠짐
• 고온(150℃이상)에서 기능을 잃는 치명적인 단점이 있습니다.   

 

□ 탄화규소(SiC) 전력반도체

▶장점 

• 150도 이상의 고온에서 동작이 가능
• 고주파 동작(1,000kHz)이 가능
• 소자로 만들었을 때 손실이 적음
• 실리콘의 10분의 1두께로 같은 전압을 견딜 수 있음
  = 실리콘(Si) 보다 두께가 줄어든 만큼 저항이 작고, 전력손실(열 발생)이 거의 없음
  = 연비가 좋음 
• 즉, 냉각장치를 줄이거나 없앨 수 있음
  = 연비가 더 좋아짐

▶단점 = 고비용

• 소자를 만들 때 결함을 피해 만들어야 한다(안정성이 낮다)
• SiC는 단단한 물질이라 확산 기술을 사용할 수 없다
• 고온에서 탄소 등이 승화하며 표면이 거칠어지는 측면이 있다
• 실리콘(Si)에 비해 산화막을 키우는데 시간이 오래 걸린다

 

결론적으로, 전기자동차의 폭팔적인 수요 증가가 예상되는 상황에서, 전기자동차의 핵심 부품인 전력반도체의 수요도 함께 증가할 것으로 예상됩니다. 이에 따라 전력반도체에 대한 관심이 증가되고 있고, 특히 전기자동차에 더 적합한 탄화규소(SiC) 전력반도체에 관심이 증가되고 있는 것이지요.   

조금 더 깊게 살펴봐야 하겠네요~

좋은 하루 되세요.

 

참고자료. 

• Electric Vehicle Outlook 2020 - BloombergNEF, 2020.
• Silicon Carbide Enables PFC Evolution - arrow.com 2020. www.arrow.com/en/research-and-events/articles/silicon-carbide-enables-pfc-evolution
• 미래전략산업 브리프 - 산업연구원, 2020.
• 탄화규소 반도체 기술해설 - 방욱
• 전기자동차, 국산 SiC 전력반도체 기술로 10% 더 달린다! - 한국전기연구원, 2018.7
• 탄화규소 반도체 특성 및 연구 동향 분석 - 한국원자력연구소 2017.
• 차세대 반도체 소재, 실리콘 카바이드(SiC) news.skhynix.co.kr/1267
• SiC 전력반도체 기술 동향 - ELEC4, 2012.11 www.elec4.co.kr/article/articleView.asp?idx=3605
• 화학증착 탄화규소 - 세라믹스대백과 drm.kist.re.kr/cerapedia/process/ywk009.html
• ROHM 반도체 홈페지 www.rohm.com/electronics-basics/sic/what-are-sic-semiconductors