탄화규소 전력반도체

[SiC semiconductor]

탄화규소는 규소와 탄소로 구성된 화합물이다. 규소보다 저항은 작고 강도와 열전도율은 각각 10배, 3배 이상 높기 때문에 고전압·고열을 버틸 수 있는 전력반도체의 소재로 각광받고 있다. 전자의 이동을 가로막는 에너지 장벽인 밴드갭이 실리콘보다 세 배 이상 높다. 밴드갭이 높을수록 고전압·전력에 강하다. 고온에서도 반도체 특성을 잃지 않고, 전류를 제어할 수 있는 범위인 절연파괴전계도 실리콘보다 10배 이상 높은 것이 장점이다. 그만큼 정격전압이 높아져 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있다.

탄화규소 전력반도체의 경우 에너지 손실량은 규소 전력반도체의 10% 수준에 불과하며 섭씨 200도 이상 고온에서 구동할 수 있다.

이런 특성 때문에 전기자동차 전력반도체의 웨이퍼 소재로 급부상하고 있다. 2018년 테슬라가 차업계 최초로 ‘모델 3’에 ST마이크로일렉트로닉스의 SiC 전력반도체를 탑재하면서 본격적으로 시장이 열렸다. 테슬라가 이를 활용해 제작한 인버터의 무게는 4.8㎏으로, 비슷한 시기 출시된 닛산 리프(11.15㎏)의 절반도 안 된다.

이후 2년 만에 20여 개 자동차 회사가 SiC 전력반도체를 채택할 정도로 시장이 급성장하고 있다. 시장조사업체 욜(Yole)에 따르면 전 세계 전기차용 SiC 전력반도체 시장 규모는 2019년 5억달러에서 2025년 26억달러로 연평균 약 30% 이상 성장할 전망이다.

국내기업으로는 SK 계열사인 SK실트론은 2020년 듀폰으로부터 SiC 웨이퍼 사업부를 인수해 국내 유일한 SiC 웨이퍼 제조업체가 됐다. 포스코 역시 올해 상용화를 목표로 SiC 웨이퍼를 개발 중이다. 현대자동차는 SiC 전력반도체를 직접 설계해 파운드리(반도체 수탁생산)를 맡기고 있다. 2021년 2월 공개한 ‘아이오닉 5’에 탑재된 인버터 파워모듈에 독자 개발한 SiC 반도체가 들어갔다. 이를 통해 전력 효율은 2~3%, 주행거리는 5%가량 개선했다.

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