실리콘 카바이드 (SIC) 전력반도체는 현대 기술의 숨은 영웅입니다. 전기차, 스마트폰, 재생에너지 시스템 등 우리의 일상을 혁신적으로 바꾸는 모든 장치의 핵심 요소로, 에너지 효율을 극대화하고 성능을 높이는 데 필수적입니다. 그런데 재미있는 사실은, 이 중요한 전력반도체의 상당 부분이 한국에서 생산되고 있다는 것입니다.
특히 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체 분야에서 한국은 세계 최대의 생산국 중 하나로 떠오르고 있습니다. 한국의 온세미 부천 공장은 테슬라와 같은 글로벌 기업들에게 안정적인 반도체 공급을 제공하며, 첨단 기술과 대규모 생산 능력으로 SiC 전력반도체 시장을 선도하고 있습니다.
SiC 전력반도체가 전기차 산업에서 중요한 이유
실리콘 카바이드(SiC) 반도체는 전기차(EV) 응용 분야에서 전통적인 실리콘 반도체보다 더 효율적입니다. 첫째, SiC는 실리콘보다 훨씬 넓은 밴드갭(2.36-3.23 eV)을 가지고 있어, 더 높은 전압, 주파수, 온도에서 작동할 수 있습니다. 이는 전력 손실을 줄이고 효율성을 높이는 데 크게 기여합니다. 또한, SiC의 항복 전계 강도는 실리콘보다 약 10배 높아, 더 높은 전압에서도 안정적으로 작동하며 에너지 손실을 줄여줍니다.
둘째, SiC는 열전도율이 높아(3.3-4.5 W/cm·K), 실리콘보다 약 3배 더 효율적으로 열을 방출할 수 있습니다. 이는 SiC 장치가 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있게 하며, 부피가 큰 냉각 시스템이 필요 없다는 점에서 시스템 전체의 효율성을 높여줍니다. 또한, SiC의 넓은 밴드갭은 더 빠른 스위칭 속도를 가능하게 해, 전력 변환 효율을 높이고 스위칭 손실을 줄여줍니다.
셋째, SiC는 작은 크기와 가벼운 무게로 동일한 전압 등급의 실리콘 장치와 비교할 때 더 효율적인 설계를 할 수 있습니다. 이는 시스템 크기와 무게를 줄이고 관련 손실을 최소화하며, 전기차 애플리케이션에서 효율성을 더욱 높여줍니다. 또한, SiC 장치는 낮은 온 저항을 가지며, 이는 동일한 전압 등급의 실리콘 장치보다 낮은 전도 손실을 제공해 더 높은 효율성을 제공합니다.
이러한 우수한 물성 조합은 SiC 반도체가 전기차의 파워트레인, 온보드 충전기, DC-DC 컨버터와 같은 고출력, 고온, 고주파 응용 분야에서 더욱 효율적인 선택이 되도록 만듭니다. 결과적으로, SiC 반도체는 주행 거리를 늘리고 전반적인 전기차 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
SiC GaN 전력반도체란
실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN)는 기존의 실리콘 반도체를 뛰어넘는 재료로, 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 이 두 재료는 서로 다른 특성을 가지고 있어, 다양한 분야에 적합합니다.
SiC는 3.3 eV의 광대역을 가지고 있으며, GaN은 3.4 eV로 약간 더 넓습니다. 이 덕분에 두 재료는 높은 전압, 주파수, 온도에서 잘 작동합니다. SiC는 3.5 MV/cm의 높은 전압을 처리할 수 있어 전압을 잘 견딥니다. 반면, GaN은 2000 cm^2/Vs의 빠른 전자 이동 속도를 가지고 있어, 더 빠르게 작동할 수 있습니다.
또한, 열전도율도 차이가 있습니다. SiC는 5 W/cmK로 열을 더 잘 전달하며, 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. SiC 장치는 보통 수직형 MOSFET 구조로, 기본적으로 꺼져 있는 상태입니다. 반면, GaN 장치는 꺼지거나 켜질 수 있는 두 가지 모드를 가지고 있으며, 전류 차단형 구조를 사용할 수 있습니다.
이러한 특성 때문에 SiC는 높은 전압과 고전력이 필요한 전기차 인버터나 태양광 발전소에 적합합니다. 반면, GaN은 저전력과 고주파가 필요한 DC-DC 변환기나 무선 충전기, RF 증폭기에 더 적합합니다.
결론적으로, SiC는 높은 전압과 고전력이 필요한 곳에서 뛰어난 성능을 발휘하고, GaN은 빠른 속도와 저전력이 필요한 곳에서 유리합니다.
실리콘 카바이드(SiC) 반도체 시장의 성장성
실리콘 카바이드(SiC) 반도체 시장은 향후 몇 년 동안 큰 성장이 예상되고 있습니다. 다양한 연구 보고서에 따르면, SiC 반도체 시장의 미래 규모는 상당히 커질 것으로 전망됩니다.
Verified Market Research에 따르면, 글로벌 SiC 반도체 시장 규모는 2024년에 8억 2천 93만 달러로 평가되었으며, 2031년까지 36억 1천 4백 24만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 연평균 성장률(CAGR) 15.90%에 해당합니다. Future Market Insights에서는 글로벌 SiC 및 GaN 전력 반도체 시장 규모가 2024년에 21억 7천 80만 달러에 이를 것으로 예상하며, 2034년까지 연평균 성장률 27.1%로 성장하여 총 237억 1천 80만 달러에 도달할 것으로 전망합니다.
또한, LinkedIn의 보고서에 따르면, 2023년 글로벌 SiC 반도체 시장 규모는 몇 십억 달러에 이르렀으며, 2024년에도 계속 성장할 것으로 보입니다. Mordor Intelligence는 SiC 전력 반도체 시장이 2024년에 21억 8천만 달러에 이를 것으로 예상하며, 2029년까지 연평균 성장률 25.24%로 성장하여 67억 3천만 달러에 도달할 것으로 예측합니다.
이처럼 다양한 출처의 보고서들이 SiC 반도체 시장의 큰 성장을 일관되게 예측하고 있습니다. 이러한 성장은 에너지 효율적인 전력 전자 장치에 대한 수요 증가, 전기차 채택 증가, 재생 에너지 시스템으로의 전환 등 여러 요인에 의해 촉진되고 있습니다. SiC 반도체의 뛰어난 성능과 효율성은 향후 전력 전자 산업의 핵심 요소로 자리잡을 것으로 기대됩니다.
실리콘 카바이드(SiC) 반도체 주요 생산기업
실리콘 카바이드(SiC) 반도체 시장에서 주요 기업들은 다음과 같습니다:
1. STMicroelectronics (2022년 시장 점유율 36.5%)
2. Infineon (2022년 시장 점유율 17.9%)
3. Wolfspeed (2022년 시장 점유율 16.3%)
4. Onsemi (2022년 시장 점유율 11.6%)
5. ROHM (2022년 시장 점유율 8.1%)
이 다섯 기업은 2022년 SiC 전력 반도체 시장의 90% 이상을 차지했습니다. 이외에도 Coherent Corp. (II-VI Incorporated), Xiamen Powerway Advanced Material Co., Norstel AB (STMicroelectronics 소유), Resonac Holdings Corporation, SK Siltron Co. Ltd. 등이 주목할 만한 기업들입니다.
SiC 반도체 시장은 현재 몇몇 주요 기업들이 지배하고 있으며, STMicroelectronics, Infineon, Wolfspeed, Onsemi, ROHM이 그 중 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. 이 기업들은 특히 전기차용으로 급성장하는 수요를 충족하기 위해 SiC 생산 능력을 확대하는 데 큰 투자를 하고 있습니다.
부천에 세계 최대 실리콘 카바이드(SiC) 공장을 건설한 온세미
온세미컨덕터의 부천 공장은 유구한 역사를 자랑하는 시설입니다. 1999년까지 삼성전자의 전력반도체 사업 부문 생산 라인이었던 이 공장은 이후 페어차일드를 거쳐 현재의 온세미컨덕터가 인수하여 운영하고 있습니다. 이 공장은 전력반도체 생산 이력에서 세계적으로 손에 꼽히는 중요한 장소로, 현재 온세미컨덕터의 차세대 반도체 사업인 SiC 반도체의 전량이 부천에서 생산되고 있습니다.
최근 테슬라가 온세미컨덕터 부천 공장의 노하우에 주목하면서, 차량용 반도체 공급망을 다변화하기 위해 이곳을 선택했습니다. 전력반도체 분야에서 세계 2위를 차지하는 온세미컨덕터는 SiC 반도체 분야에서는 ST마이크로, 미국의 크리, 독일의 인피니언에 이어 4위를 기록하고 있습니다. 테슬라의 투자를 통해 온세미컨덕터는 기존의 선두 업체들과 치열한 경쟁을 시작할 것으로 예상됩니다. 특히, 한국 생산 거점의 중요성이 커지면서 부천 공장에 대한 투자가 더욱 활발해질 것으로 보입니다.
온세미의 부천 공장은 세계 최대 규모의 실리콘카바이드(SiC) 전력반도체 제조시설로 자리잡고 있습니다. 새롭게 신설된 S5 라인은 150mm(6인치)와 200mm(8인치) SiC 웨이퍼를 생산할 수 있으며, 완전 가동 시 연간 100만 개 이상의 200mm SiC 웨이퍼를 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.
이는 온세미 전체 SiC 생산량의 35-40%에 해당하는 엄청난 규모입니다. 현재는 6인치 웨이퍼를 생산 중이지만, 2025년까지 200mm(8인치) SiC 공정 인증을 완료하고 8인치로 전환할 계획이며, 이로 인해 생산량이 10배 이상 증가할 것으로 기대되고 있습니다.
온세미는 부천 SiC 시설 확충을 위해 1조 4천억 원을 투자하였으며, 향후 3년간 부천 공장에서 기술직 중심으로 최대 1,000명의 신규 인력을 채용할 계획입니다. 또한, 테슬라, 메르세데스-벤츠, BMW, 현대차 등 주요 완성차 업체들을 고객으로 두고 있으며, 부천 공장에서 생산되는 제품을 통해 아시아, 유럽, 북미 등 글로벌 시장을 공략할 예정입니다.
이와 함께, 부천 공장의 확장은 SiC 에피/웨이퍼 생산능력을 대폭 확충하여 수직계열화를 강화하였습니다. 요약하면, 온세미 부천 공장은 세계 최대 SiC 생산능력과 8인치 전환 계획, 대규모 투자와 인력 확충, 글로벌 시장 대응력, 수직계열화 등의 강점을 바탕으로 높은 경쟁력을 갖추고 있습니다.
아이큐랩 SiC 전력반도체
아이큐랩(IQ Lab)은 SiC(실리콘 카바이드) 전력반도체 분야에서 탁월한 경쟁력을 갖춘 기업입니다. 국내 최초로 8인치 SiC 전용 생산라인을 구축한 아이큐랩은 2025년 하반기부터 부산 신공장을 가동하여 연간 3만 장의 8인치 웨이퍼를 생산할 예정입니다.
이러한 대규모 생산 체제는 원가 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 아이큐랩은 자체 기술력으로 차세대 SiC 전력반도체를 개발하여 전기차, 충전기, 신재생에너지 등 다양한 애플리케이션에 대응할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. 이는 아이큐랩이 시장에서 독보적인 위치를 차지하는 데 큰 기여를 하고 있습니다.
아이큐랩의 성공 비결은 여기서 그치지 않습니다. 부산 신공장에 1,000억 원 이상의 투자를 단행하여 생산 능력을 확충하고 있으며, 파트론과 협력하여 차량용 반도체 모듈 개발을 검토 중입니다. 이러한 전략적 협력은 아이큐랩의 기술적 우위를 더욱 강화합니다.
게다가, 아이큐랩은 부산 전력반도체 특화단지에 입주하여 정부의 지원과 인프라를 최대한 활용하고 있습니다. 이는 우수한 인력 확보와 공급망 구축에 유리한 조건을 제공하여, 향후 2-3년 내 글로벌 기업들과의 경쟁에서도 충분히 승산이 있을 것으로 전망됩니다.
테슬라의 실리콘 카바이드 반도체에 대한 언급
테슬라가 최근 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 사용을 줄이겠다고 발표하면서 업계에 큰 반향을 일으켰습니다. 2023년 ‘인베스터 데이’에서 테슬라는 차세대 저가형 전기차 플랫폼에서 SiC 반도체 사용을 75%나 줄이겠다고 밝혔습니다. 왜냐하면 SiC 반도체는 매우 비싸기 때문입니다.
예를 들어, 6인치 SiC 웨이퍼 1장이 실리콘(Si) 8인치 웨이퍼보다 약 10배 이상 비쌉니다. 그럼에도 불구하고 SiC 반도체는 고온, 고전압에서도 안정적으로 작동하는 뛰어난 성능 덕분에 전기차와 고성능 전자기기에 필수적입니다. 그래서 테슬라는 비용 절감을 위해 저가형 모델에서 SiC 반도체 사용을 줄이려는 전략을 세운 것입니다.
테슬라의 발표에도 불구하고, SiC 반도체에 대한 관심은 여전히 뜨겁습니다. ST마이크로일렉트로닉스, 울프스피드, 로옴, 인피니언 등 주요 기업들은 SiC 반도체 생산을 확대하기 위해 공격적인 투자를 이어가고 있습니다. 특히 울프스피드는 매출의 85~90%를 투자해 8인치 SiC 웨이퍼 공장을 운영 중입니다.
한국에서도 SK파워텍과 온세미 등이 SiC 반도체 시장에 진출하고 있으며, 정부의 지원과 함께 국내 전기차 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. SiC 반도체는 고속 충전과 고온, 고전압 환경에서 뛰어난 성능을 발휘해 전기차 시장에서 계속 주목받을 것입니다.