[전자과학 전동엽 기자]

최근 4차 산업혁명을 통해 주목 받고 있는 전력반도체 기술이 Si(실리콘)의 물리적 한계에 도달했다는 평가가 나오고 있다. 이에 업계는 새로운 기술, 소자 물질을 찾기 위해 연구개발에 몰두하고 있다.

현재 전력반도체에서 가장 많이 쓰이는 것은 실리콘 MOSFET, IGBT이다. 그리고 최근 들어 SiC(실리콘 카바이드), GaN(갈륨 나이트라이드)를 사용하는 혼합물 반도체가 각광받고 있다. 
 
가장 많이 쓰이는 MOSFET, 전압별 전략 필요

전력반도체 중에 MOSFET이 가장 많이 사용되어 왔었고, 지금은 사용량이 조금 줄어들긴 했지만 여전히 상당부분을 차지하고 있다. 가장 많이 사용되고 있는 부분은 100V 이하의 영역이다. 100V 이하의 영역에서도 40V 부분은 자동차 영역에서도 많이 쓰이고 있고 실제로 우리가 일상생활에서 직접적으로 보이거나 닿지 않는 영역에서 사용되고 있다.

기본적으로 MOSFET은 드레인에서부터 저항의 통로를 통해서 소스에서 빠저나가는 구조로 구성되어 있다. 게이트를 통해 길을 열고 닫을 수 있다. 게이트가 열려있다고 가정했을 때, 하나의 저항체로 형성이 되어있기 때문에 저 부분의 저항을 얼마나 줄이는가가 MOSFET의 발전 방향이라고 볼 수 있다. 100V 이하와 600V 이상은 각 저항이 전체 저항에서 차지하는 부분이 다르다. 즉 비율이 다른 만큼 50V 이하와 500V 이상의 개발방향이 다를 수밖에 없다. 

50V의 경우 채널저항이 가장 큰데, 채널저항을 어떻게 줄여나가느냐가 핵심으로 꼽히며, 500V의 경우 Epi가 전체의 8~90%를 차지하기 때문에 Epi를 얼마나 효율적으로 줄이느냐가 핵심이 된다. 50V에서 채널의 저항을 줄일 수 없다면 전류가 흐를 수 있는 면적을 최대한 늘려주는 형태로 기술개발도 이뤄지고 있다.

IGBT, 소자보단 영역에 맞춘 패키징 솔루션 중요

IGBT는 크게 모듈제품과 discrete 제품으로 나눌 수 있는데, 전제 IGBT 시장서 discrete 부분이 차지하는 부분은 대략 25% 정도 이고, 향후 IGBT 시장이 성장할 것으로 보이지만 디스크리트 부분의 비율은 점차 감소하고 모듈 쪽 시장이 더 커질 것이라 업계는 예상하고 있다. 

IGBT는 대용량에 적합해 철도, 전기자동차, 신재생에너지 분야에서 많이 활용되고 있다.  IGBT는 응용영역에 따라서 특성을 개선할 것인지, 무게를 줄여야하는지, 효율을 개선할 것인지, 가격을 줄여야 하는지 등이 상당히 달라진다. 

전기자동차를 예로 들면 특성 개선도 중요하지만 무게를 줄이는 측면에서도 바라봐야 한다. 무게를 줄임으로써 자동차가 움직이는데 효율 개선이 되고, 가벼워진 만큼 배터리 무게도 줄일 수 있게 된다. 

전력반도체 discrete 소자 하나가 무게를 차지해봐야 얼마나 차지하겠냐는 의문이 생길 수 있다. 그러나 트리노테크놀로지의 김수성 박사는 “모듈에서 일어나는 발열량, 이를 위한 냉각시스템까지 고려한다면 무게는 상당히 큰 이슈가 될 수 있다. 때문에 이에 대한 고려도 필요하다. 반면 같은 모듈이더라도 태양광 같이 고정된 형태로 쓰인다면 조금 무겁더라도 효율이 좋은 쪽에 초점을 맞춰야할 것”이라며 단순히 성능만을 올리는 것이 아니라 활용되는 영역의 특성에 맞게 개발이 이뤄진다고 설명했다. 

IGBT는 모듈의 경우 실제로 디스크리트보다 용량이 큰 형태에 많이 활용되기 때문에 소자의 특성 뿐 아니라 소자를 감싸고 있는 여러 가지 물질들, 베이스 플레이트, p싱크, 영역별 접합 물질, 접합 방식 등이 상당히 중요하게 나타나고 있다. 이런 부분들은 소자의 특성이랑 별개로 패키징 관련 특성으로 여러 패키징 회사들이 개발하고 있는 상황이다.

IGBT는 MOSFET과 달리 좀 더 High-power 영역에 쓰이고 있고 MOSFET보다는 스위칭 주파수가 상대적으로 조금 느리다. 특히 IGBT의 경우 모듈형태의 비즈니스가 커지기 때문에 칩에 대한 솔루션 뿐 아니라 칩을 둘러싸고 있는 패키징 솔루션까지 같이 병행개발이 되어야지 좀 더 크게 발전할 수 있을 것이다.

전력반도체 대세는 혼합물 반도체

최근 들어서 실리콘 같은 경우에는 실리콘이 가지고 있는 물질의 이론적인 한계까지 거의 접근했다는 이야기들이 나온다. 여러 형태의 개발이 진행되고 있지만 그에 대비해서 진보되는 정도가 아주 작은 수준이기 때문이다. 업계에서는 이론적인 한계를 뛰어넘기 위한 논의가 이뤄지고 있다. 그래서 최근 각광 받는 것이 SiC, GaN 등의 혼합물 반도체이다. 그러나 두 소자 모두 아직은 갈 길이 멀다는 평가다.

SiC, GaN를 사용하는 와이드 밴드 갭 디바이스는 밴드갭이 실리콘 대비해서 브레이크다운 필드가 10배정도 된다. 이 말은 같은 두께에서도 10배 높은 전압을 견딜 수 있다는 뜻이다. SiC의 경우 실리콘에 대비 열전도도가 3배 이상 크기 때문에 열 방출효과도 크다.
 
SiC는 상대적으로 상당히 높은 영역, 실리콘이 갈 수 없는 2000V, 7000V, 10000V 영역까지도 확장가능성이 있기 때문에 초고전압 부분에 활용될 것이다. 자동차, 철도 같은 분야에서 활용가치가 상당히 증가할 것으로 전망된다.

반면 GaN는 후발주자이기 때문에 아직 기술적으로 미숙한 부분이 많고, 웨이퍼 사이즈를 4인치까지 키우기도 쉽지가 않다고 전문가들은 말한다. 상대적으로 High-current 영역까지 가기에도 무리가 있다. 그렇기 때문에 Low-power에서 스위칭이 빠른 형태로 개발해 활용될 수 있다. 

김수성 박사는 “와이드 밴드 갭 소자같은 경우 SiC. 갈륨나이트라이드 와 같은 재료의 안정성, 가격의 안정화가 이뤄진다면 고효율 시스템을 중심으로 실리콘이 자리잡고 있는 시장에 진입해 실리콘을 대체하지 않을까 생각한다”며 “SiC는 상용화 측면에서 아직 얼리 마켓 수준에 머물고 있지만 업계에서는 SiC 시장이 조만간 급격히 성장할 것이라 예측하고 있다”며 SiC를 비롯한 혼합물 반도체가 추후 전력반도체 시장의 주류가 될 것이라 예상했다.