차세대 파워반도체 시장을 잡아라 : CMOS 호환 GaN 전력반도체 개발
GaN(질화갈륨)은 Si MOSFET(실리콘)의 물리적한계를 극복함으로써 시스템의 고속 스위칭과 전력 절감을 극대화할 수 있는 차세대 화합물반도체 소재입니다. 고속, 저손실, 고효율화에 최적인 반도체로 주목 받고 있죠. GaN전력반도체는 IT, 자동차, 가전, 신재생에너지 등 다양한 응용분야에서 활용도가 높은데요. 특히 가전기기 및 자율주행 자동차 시장이 커짐에 따라 그 수요는 더욱 늘어날 것으로 보입니다.
GaN 전력반도체 시장 동향
세계 GaN 전력반도체 시장은 연간 17% 비율로 성장해 2023년에는 약 $2.6B(약 3조원) 규모에 이를 것이라고 합니다. 해외의 경우 일본, 미국, 유럽의 주도 아래 6인치 기반의 GaN 전력반도체 생산 기술을 이미 확보한 상태인데요. 국내 GaN 전력반도체 연구 개발 수준은 아직 선진국에 비해 미미한데다 다품종 소량생산의 산업 특성 때문에 대부분을 수입에 의존하고 있습니다. 이러한 상황이 지속될 경우 해외 기업의 과점화와 기술 종속이 우려되는 만큼 GaN 전력반도체에 대한 기술력 확보가 시급합니다.
국내 반도체 기술은 최고 수준이지만 지금까지는 메모리 분야에만 한정되어 있었습니다. 하지만 이러한 기술력을 기반으로 CMOS 호환 GaN 전력반도체 제조 기술을 확보한다면 높은 해외 수입 의족도를 줄이고 기술 격차를 해소하는데 기여할 수 있을 것입니다.
GaN 전력반도체의 특장점
저손실, 고전류동작으로 칩 면적을 최소화할 수 있다.
GaN 전력반도체는 Si나 SiC(실리콘 카바이드)에 비해 온저항이 현저히 낮고 고효율 전력변환장치입니다. 그만큼 칩면적을 최소화하면서도 기존 디바이스의 성능을 능가하는 전력반도체를 만들 수 있는데요. 이러한 특성 덕분에 소형 IT 기기 충전기나 전자제품, 스마트폰 등에 적합해 수요가 급격히 늘어나고 있습니다.
고속스위칭과 고내압동작이 가능하다.
이전까지 자도아춍 전력반도체로 SI MOSFET이 사용되어 왔습니다. 그러나 전기차(EV), 하이브리드카(HEV) 등 고전압의 전력을 사용하는 자동차가 늘어나며 고속과 고압에도 견딜 수 있는 전력반도체가 필요해졌죠. GaN 전력반도체는 Si에 비해 동작전류/스위칭특성의 trade-off가 매우 우수합니다. 그렇기 때문에 전기차나 하이브리드 자동차는 물론 자율주행차의 라이다 구동에도 활용될 수 있습니다.
고온동작이 가능해 냉각시스템 부피를 줄일 수 있다.
전자부품 내 소자가 소형화, 고밀도화되면 부품 당 소모 전력이 증가해 고발열 현상이 나타나는데요. 반도체 소자에서 작동 중에 발생한 열이 적절하게 발산되지 않으면 소자의 성능이 급격하게 떨어지고 수명이 감소하기 때문에 냉각시스템이 반드시 필요합니다. 그러나 GaN 전력반ㄷ도체의 경우 200도 이상의 높은 온도에서도 별도의 냉각장치 없이 동작할 수 있으며, 그만큼 품질에 대한 높은 신뢰성도 확보할 수 있습니다.
주요 연구내용 및 기대효과
국내에서는 GaN 제품의 저가격화뿐 아니라 선진 기업과의 경쟁력 확보를 위해 6인치기반 Au-free CMOS 호환 공정 개발에 주력하고 있으며 다음과 같은 파급효과가기대됩니다.
- CMOS 공정이 가능한 모든 반도체 공정 설비에서 GaN 전력반도체를 제작할 수 있게된다면 제품 개발 및 제작 비용을 크게 낮추어 사업성 증대에 기여할 것입니다.
- GaN 전력반도체 성능 향상에 가장 중요한 역할을 하는 저손상 식각 및 currentcollapse 절감 기술뿐만 아니라, 다양한 제품에 최적화된 에피 기술을 내재화함으로써 제품의 신뢰성과 수율을 높이고 특화된 제품을 기획하는 데 기여할것입니다. 이를 통해 세계 시장에서 안정적인 사업영역을 확보하고 수익률을극대화 할 수 있습니다.
- 급속히 성장하고 있는 자율주행 자동차 구동 및 소형 IT 기기 충전기 시장에 진출해큰 매출 증가를 이룰 수 있습니다.
출처 : KEIT PD 이슈리포트
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