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심층기획 전력반도체, 4차 산업혁명의 핵심 부품으로 떠올라

인수합병·신소재 개발…차세대 시장 선점 위한 경쟁 치열

전력반도체, 4차 산업혁명의 핵심 부품으로 떠올라
한철구 전자부품연구원 책임연구원


[산업일보]
전력(Power) 반도체가 인공지능(AI), 로봇, 사물인터넷(IoT), 스마트팩토리, 전기자동차 및 자율주행차, 스마트 물류 등의 분야에서 채용이 확대될 것으로 전망되고 있다. 또한 기존의 실리콘 기반의 전력반도체 소자가 동작 온도나 속도, 효율 등에서 기술개발의 한계를 나타내면서 재료 특성이 우수한 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 등 차세대 전력반도체에 대한 연구도 활발해지고 있다.

22일 야노경제연구소에 따르면, 2015년의 전력반도체의 세계 시장규모는 전년 대비 7% 감소한 148억2천만 달러이며 자동차, 산업기기 분야의 성장에 힘입어 2020년에는 231억 달러, 2025년이 되면 339억1천만 달러까지 확대 될 것으로 예측하고 있다. 특히 2020년부터 본격적으로 차세대 소재로 주목받는 SiC, GaN 소재의 전력반도체 시장 수요가 상승할 것으로 내다봤다.

전력반도체는 전력을 시스템에 맞게 배분하는 제어와 변환 기능을 가진 소자이며, 에너지를 절약하고 제품을 축소하기 위해 전력공급 장치나 전력변환 장치에 사용해왔다. 교류와 직류 사이의 변환뿐만 아니라 모터를 비롯한 전기기기에 전력을 공급하거나 안정적으로 원하는 전압과 전류를 공급할 수 있다.

전력반도체는 일부 품목을 제외하고는 대량 생산보다는 소량 다품종으로 생산하고 있는데 개발 비용과 시간, 상용화 비용이 많이 소요되고 양산에 성공하더라도 수익률이 낮아서 기업들이 쉽사리 뛰어들지 못하는 시장이다.

전력반도체, 4차 산업혁명의 핵심 부품으로 떠올라

기업 인수 통한 전문성 강화
최근 전력반도체 분야 기업들은 모바일 시장이 둔화되면서 비교적 견고한 성장세를 이어 가고 있는 자동차 분야의 경쟁력을 강화하는 움직임이다. 이에 따라 기업들은 엔진제어, 모터구동, 배터리 제어 등 전기자동차 및 자율주행차 시장을 겨냥한 전력반도체 개발에 노력하고 있으며, 특히 연비향상을 통한 이산화탄소 배출감소 등을 위해 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 등 신소재를 기반으로 한 고효율 제품을 출시하거나 해당 기술을 갖춘 기업을 인수합병하는 등 기술력을 강화에 노력하고 있다.

세계 전력반도체 분야의 대표적인 기업으로는 인피니언(Infineon), 온세미컨덕터(On Semiconductor), 미쓰비시전기(Mitsubishi Electric), 르네사스 일렉트로닉스(Renesas Electronics), STM(STMicroelectronics), 로옴(ROHM), 도시바(Toshiba), 비쉐이 인터테크놀로지(Vishay Intertechnology), NXP 반도체, 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated), 세미크론(SEMIKRON), 크리(CREE) 등을 꼽을 수 있다.

인피니언 테크놀러지는 전기자동차, 모바일 기기에서의 배터리를 제어에 사용하는 반도체 수요에 대응하기 위해 2014년 8월, 미국의 전력용 반도체 회사인 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier·IR)를 인수했다. 이 회사는 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 질화갈륨(GaN)에 경쟁력을 갖고 있다. 이어 2016년 10월에는 이노루스(Innoluce) BV를 인수하며 이 회사의 노하우를 기반으로 적용하는 고성능 라이더 시스템용 칩 부품을 개발할 예정이라고 밝히며 자율주행 분야에서의 기술력을 강화에 나서고 있다.

NXP 반도체도 2015년 3월, 자율주행차시장의 수요에 대응하기 위해 관련 분야의 경쟁력을 갖추고 있는 미국 소재의 프리스케일을 인수한 바 있다.

르네사스 일렉트로닉스도 자율주행차 등의 차량용 반도체 분야를 강화하기 위해 2016년 9월, 미국의 반도체기업 인터실(Intersil)을 인수했다. 이 업체는 산업기계, 이동기기, 자동차, 항공기 등에 두루 사용되는 고효율 반도체를 생산하고 있다.

온세미컨덕터는 2016년 9월, 페어차일드 세미컨덕터 인터내셔널를 인수하며 페어차일드가 갖추고 있는 전력 및 모바일 설계에 필요한 반도체 솔루션 분야를 강화했다.

전력반도체, 4차 산업혁명의 핵심 부품으로 떠올라

차세대 전력반도체 시장 커진다
기업들이 니치마켓을 공략하기 위해 인수합병을 하는 한편으로 다음 세대의 전력반도체 시장을 선점하기 위한 기술력을 갖추고 발 빠르게 시장에 제품을 출시하고 있다. 이를 통해 살펴보면, 차세대 반도체는 자체의 소모 전력이 낮고, 높은 온도에서 동작이 가능하며, 소형이지만 다기능화된 소자가 될 것으로 보인다.

한철구 전자부품연구원 책임연구원은 “현재까지 전력반도체에 사용돼 왔던 실리콘 재료는 동작속도나 효율의 측면에서 더 이상 개선하기 어려울 정도로 물리적 한계에 다다른 상황이다. 세계의 많은 연구자들은 새로운 재료로 이 한계를 극복하고자 노력하고 있으며 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)이 그 중심에 있다”고 말했다.

이어 “두 소재 모두 소자의 동작 온도가 기존의 실리콘 반도체에 비해서 높기 때문에 자동차 등에 적용할 때 냉각시스템이 필요 없거나 간소화 될 수 있다. 또한 GaN, SiC는 실리콘에 비해서 온(on) 저항이 작고 동작속도가 빠른 소자를 구현할 수 있다. GaN 소자를 예로 들면 동일한 사양의 실리콘 소자에 비해 온저항을 1/10 수준으로 작게 할 수가 있다. 전력반도체가 동작할 때 일정량의 전력소모가 발생하는데, 그 소모량은 소자의 온저항과 동작속도에 직접적인 관련이 있다. 온저항이 작고 동작속도가 빠르면 그만큼 소모되는 전력도 작아질 수 있는 것이다”고 설명했다.

또한 “소자 자체의 전력소모를 줄이는 것은 전력반도체 기술의 가장 중요한 이슈 중 하나인데 두 재료는 모두 이 점에서 실리콘보다 우월한 특성을 갖고 있다. 다만, 실리콘에 비해 산업적인 인프라가 적고, 공정 단가가 아직은 높기 때문에 가격경쟁에서 열위에 있는 상황이다”고 덧붙였다.

국내 전력반도체 육성…7년간 800 억원 투입
4차 산업혁명의 주요 산업 분야에서 전력반도체가 핵심 부품으로 떠오르면서 우리 정부도 팔을 걷어붙였다.

전력반도체 관련 원천기술 개발과 시장기술 개발 구분 없이 SiC 소자, GaN소자, IGBT소자, MOSFET소자, 패키지/모듈, 파워 IC, 사물인터넷(IoT) IC 등을 중심으로 ‘신산업 창출 파워반도체 상용화 사업’을 추진키로 한 것이다.

산업통상자원부와 부산광역시가 공동 출자하고 반도체연구조합과 부산테크노파크가 수행기관으로 참여하는 이 사업에는 올해부터 2023년까지 7년간 8백36.5억원(국비 543.2억원, 지방비 153.3억원, 민자 140억원)이 투입될 예정이다.

총괄과제를 담당한 반도체연구조합은 올해부터 2023년까지 전기자동차 및 신재생에너지용 SiC 전력반도체 산업 경쟁력 강화를 위한 SiC MOSFET 소자 기술 개발 및 일괄 공정기술을 개발할 예정이다. 기반구축을 담당한 부산테크노파크는 SiC 전력반도체 연구플랫폼 구축사업을 진행할 계획이다.

올해 11월에 개최된 전력반도체 산․학․연 간담회 및 업무협약 체결식에 참석한 백운규 산업통상자원부 장관은 “4차 산업혁명을 대비해 전력반도체에 대한 집중 투자 및 기술 개발이 필요하다”고 강조하면서, 전력반도체 클러스터 조성 및 생태계 활성화를 위한 적극 지원을 약속한 바 있다.

진입장벽이 높은 전력반도체 시장에서 ‘신산업 창출 파워반도체 상용화 사업’을 통해 국내 기업들이 상대적으로 부족한 기술력과 취약한 부품 가격경쟁력을 높일 수 있을지 귀추가 주목된다.
김원정 기자 vuswlq@kidd.co.kr

제조기업 강국이 되는 그날까지, 공장자동화 스마트팩토리에 대한 뉴스를 기획·심층 보도하겠습니다.

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