앞으로 돈 될 화합물반도체(SiC, GaN) 알아보기, 전기차와 재생에너지와 함께 성장할 분야

요즘 주식시장에서 회자되고 있는 '태조이방원' 중 '이'는 2차전지를 말합니다. 전기차 시장의 확대와 함께 2차전지 수요가 폭증할 것이란 전망으로 관련 사업을 하는 기업들이 부각되고 있는데요. 

 

그런데 전기차가 뜨면서 2차전지 못지 않게 주목받을 수 있는 업종이 화합물반도체입니다. 

 

화합물반도체는 두 종류 이상이 원소로 구성됐다는 의미입니다.

 

우리에게 익숙한 반도체는 단일 원소인 실리콘으로 만들어진 것일텐데요. 실리콘이 많이 쓰이는 것은 지구상에서 쉽게 구할 수 있고 저렴하게 가공할 수 있기 때문입니다. 실리콘이 경제성 측면에서 유리하다는 얘기죠.

 

하지만 과학기술이 고도화되면서 실리콘이 지닌 물성의 한계를 뛰어넘는 소재가 필요해 졌습니다. 고전력, 고온 환경에서 높은 전압을 견디면서도 부피는 작고 무게는 가벼우며 성능은 뛰어난 반도체를 원하게 된 것이죠. 

 

특히 전력반도체 분야에서 화합물반도체 방식이 많이 적용될 것으로 보입니다. 화합물 전력반도체 시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수의 고성장세를 보일 것으로 전망됩니다. 2029년 시장 규모는 50억 달러를 넘을 것으로 예상되는데요. 

 

현재 가장 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있고 상용화에도 가장 앞서는 화합물반도체로는 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)이 있습니다. 

 

화합물 전력반도체는 작동온도 상한이 500~600도로 높고 열전도율이 높아 전열면적이 적어도 냉각이 쉽습니다. 이 때문에 인버터를 소형화할 수도 있고요. 화합물 반도체를 적용하면 부품의 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다는 장점도 있습니다. 

 

이 때문에 전기차에서 활용도가 높은데요. SiC를 예로 들면 섭씨 수백 도의 고온에서도 동작하며 전력 소모도 작아 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 실리콘 기반 전력반도체보다 약 10배의 전압을 견뎌낼 수도 있고요. 

 

SiC  전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 실리콘 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피/무게도 줄일 수 있습니다. 기존 실리콘 전력반도체는 전기차가 운행하면서 발생하는 고온 환경을 견디기 위해 냉각장치가 들어가야 하기 때문에 부피나 무게도 더 늘어나게 되는데  SiC 전력반도체는 이런 냉각장치를 줄이거나 없앨 수 있게 되므로 이 역시 효율적입니다. 

 

전력손실이 줄고 중량도 줄게 돼 에너지 효율 증대 효과가 배가됩니다. 공간 활용도도 높아지고요. 

 

이와 비슷한 이유에서 태양광이나 풍력 인버터 등에도 앞으로는 화합물 반도체가 적용될 여지가 큽니다. 

 

그런데 화합물 반도체는 기술적 난도가 꽤 높은 분야입니다. 기술적 진입장벽이 있는 셈이죠. 

 

실리콘반도체 웨이퍼의 경우 초크랄스키 공법이라는 대량 생산 공법이 정착돼 있습니다. 그러나 화합물반도체는 기존 방식으로 만들 수 없습니다. 

 

화합물반도체 웨이퍼를 만드는 데는 기존 실리콘 웨이퍼 제조기술과는 다른 에피택시란 결정 형성 기술이 필요합니다. 

 

기존 실리콘 웨이퍼와의 기술적 접점이 거의 없는 만큼 실리콘 웨이퍼에서의 강자라고 해도 화합물 반도체에서도 막강한 지위를 누리라는 법이 없습니다. 지금 시장 상황을 보면 화합물반도체는 기존 실리콘 웨이퍼에서의 강자들과는 거의 무관하게 시장이 형성되고 있습니다. 

 

현재 미국과 유럽 업체들이 화합물반도체 웨이퍼에서 앞서나가고 있는 상황입니다. 우리 나라 기업인  SK실트론도 선두주자를 쫓아가는 형국입니다.