한국전기연구원-파워테크닉스, 탄화규소 전력반도체 상용화 라인 구축
한국전기연구원-파워테크닉스, 탄화규소 전력반도체 상용화 라인 구축
  • 김수아 기자
  • 승인 2018.07.20 08:30
  • 댓글 0
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연구개발 머물던 고효율 SiC 전력반도체 양산화 전진기지 마련
SiC 고품질 게이트 산화막 형성 공정을 거친 전력반도체

전력반도체는 전력을 변환, 처리, 제어하는 반도체다. 전기자동차의 배터리와 전기모터를 연결하는 고성능 인버터에 필수적인 부품이다. 기존 전력반도체의 대부분을 차지하는 실리콘(Si) 전력반도체는 동작 온도나 속도, 효율 등에서 정점에 이르러 한계를 드러내고 있어 이제는 재료 특성이 우수한 SiC 전력반도체가 차세대 전력반도체로 각광 받고 있다. 

특히 친환경에너지 도입 확대, 환경규제 강화, 4차 산업혁명 등 시대적 흐름에 따라 그 수요가 급증하고 있다. 향후 전기자동차 및 자율주행차뿐만 아니라 인공지능(AI), 로봇, 사물인터넷(IoT), 스마트팩토리, 스마트 물류 등의 분야에서 적용이 확대될 전망이다. 

SiC 전력반도체 세계 시장은 2015년 기준 2억1000만달러(약 2500억원) 규모다. 2020년에는 10억9500만달러(약 1조2590억원)으로, 5배가량 성장할 것으로 전망된다. 응용 분야 중에서도 자동차용 SiC 시장이 빠르게 성장하고 있어 2020년 자동차용 시장 규모는 2억7100만 달러에 이를 것으로 추정된다. 

SiC 전력반도체 적용분야

지금까지 SiC 전력반도체는 미국, 일본, 독일 등 몇 개의 해외 업체가 생산과 공급을 독점하고 있었다. 그동안 전량 수입하던 것을 이번에 파워테크닉스가 상용화함으로써 국산화는 물론 수출까지 바라보게 됐다. 

한국전기연구원(KERI, 원장 최규하)이 파워테크닉스(대표 김도하)와 19일(목) 경북 포항에서 국내 최초 ‘탄화규소(SiC) 전력반도체 상용화 라인 구축’ 기념식을 개최했다.

이날 행사에는 SiC 전력반도체 기술 개발의 주역인 한국전기연구원(이하 ‘KERI’) 김남균 본부장, 방욱 센터장(이상 HVDC연구본부) 등을 비롯한 연구진과 김도하 대표, 정은식 부사장 등을 비롯한 파워테크닉스의 관련 임직원들이 참석했다. 

KERI가 개발한 SiC 전력반도체 기술을 전기자동차에 적용하면 성능을 획기적으로 끌어 올릴 수 있다. SiC 전력반도체는 기존 실리콘 전력반도체 보다 물성이 뛰어나 전력을 덜 사용하고 열도 거의 발생하지 않는다. 배터리의 전력 소모를 덜고 차체의 무게와 부피를 줄여 최대 10%의 에너지효율 개선을 기대할 수 있다. 

KERI는 1999년부터 전력반도체 과제를 시작한 이래, 국내 시장 형성이 안 된 어려운 상황에서도 20년 가까이 외길로 연구에 매진해 왔다. 꾸준한 지원과 연구를 통해 SiC 전력반도체 제조의 핵심기술인 고온 이온주입 기술(2013년), 칩 면적과 전력 소모를 크게 줄인 다이오드 기술(2015년), 프리미엄 제품인 1200V급 트랜지스터(MOSFET) 기술(2018년) 등을 차례로 개발하는 성과를 거뒀다. 2016년엔 국가연구개발 R&D 100선 - 최우수 성과(정보 전자 분야)에 선정되기도 했다. 

특히 올해 개발 완료한 ‘1200V급 트랜지스터(MOSFET) 기술’은 국내 SiC 전력반도체 양산 기술력을 진일보시켰다는 평가를 받았다. 연구팀은 웨이퍼 처리속도와 단위 소자 성능을 기존 기술보다 효과적으로 개선하는 한편 이를 반영한 SiC 전력소자 설계를 통해 해당 기술을 개발했다.

여기에는 고활성화 이온주입 공정(이온주입 및 열처리 조건)과 고품질 게이트 산화막 형성 공정(질화 후 열처리 조건 개선) 기술이 밑바탕이 됐다. 해당 성과의 공로로 실무책임자인 문정현 선임연구원(전력반도체연구센터)은 4월 ‘이달의 KERI인상’을 수상하기도 했다. 

KERI 연구팀은 개발한 일련의 SiC 전력반도체 원천기술을 파워테크닉스에 이전하고, 장비구매부터 양산화 라인 구축까지의 전 프로세스를 지원했다. 전기차 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술 중 하나인 SiC 전력반도체를 선진국과 충분히 경쟁할 수 있는 분야로 보고 각종 기술시험 및 전문가 자문 등을 적극 제공하며 기술의 상용화가 보다 빨리 실현될 수 있도록 지원을 아끼지 않았다. 실질적인 상용화 라인 구축으로 친환경 전기차 분야에서 출연연·민간기업 간 상호협력의 성공적 모범사례가 될 전망이다. 

파워테크닉스 SiC 전력반도체 제조설비 및 현장사진(사진:전기연)

파워테크닉스는 이번 생산화 라인 준비를 위해 120억원 규모의 자금 투자로 SiC 전력반도체 전용 장비(Implanter, Activator, Oxidator, Trench ICP)를 포함한 양산 인프라를 구축했다. 그 노력의 일환으로 5월 29일 SiC 양산전용 고온·고에너지 이온주입장비를 국내 민간기업 최초로 도입했다. 이 생산 라인을 통해 올해 SiC 다이오드 제품군 양산부터 SiC MOSFET 제품까지 확대해 나갈 예정이다. 

한편 파워테크닉스는 올해 월 300매 생산을 목표로 가동을 시작해 양산 안정화 및 투입량 확대로 2019년 월 550매로 확대할 계획이다. 이후 시장의 안정적 매출 확보와 핵심 장비 증설을 통해 2020년 이후에는 약 1500매 이상 양산을 계획하고 있다. 이를 기반으로 2020년 연 매출 600억원 이상을 달성하고 국내외 수출 증대를 통해 국가 경제 활성화에도 기여한다는 목표다. 

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