탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 기반 전력반도체 시장이 급성장할 것이라는 전망이 나왔다.

15일 시장조사업체 IHS에 따르면 SiC‧GaN 전력반도체 시장규모가 2015년 2억1000만달러(약 2400억원)에서 오는 2020년 10억달러(약 1조1800억원)를 기록한 이후 5년 만에 37억달러(약 4조3900억원)으로 급성장할 것으로 내다봤다.

SiC 칩은 현재 일반적으로 쓰이는 실리콘(규소, Si)과 비교했을 때 물성(물질이 가지는 성질)이 우수한 것이 특징이다. 상대적으로 전력소비량이 낮고 그만큼 발열량이 적어 효율이 높다. 예컨대 전기차(EV)에 적용하면 반도체 자체도 고효율일 뿐 아니라 열이 거의 발생하지 않아 냉각장치의 무게와 부피까지 줄일 수 있어 연비(에너지효율)를 크게 올릴 수 있다.

세계 하이브리드차(HEV) 시장을 주도하고 있는 도요타는 프리우스 3세대 모델에 SiC 칩을 채용해 전체 연비를 5% 향상시킨바 있다. 5년 안에 연비를 10% 이상 향상시킨 EV를 양산한다는 계획이다.

GaN 칩은 SiC 칩을 이용한 고전압, Si 칩의 저전압 디바이스 사이(600V)에서 활약할 것으로 보인다. Si 위에서 고순도 에피(Epi) 성장과 인핸스먼트 모드(Enhancement mode) 소자 제작의 어려움으로 상용화가 지지부진했으나 TSMC와 파나소닉 등이 관련 기술 개발을 완료하면서 양산에 들어간 상태다.

GaN은 SiC와 마찬가지로 Si보다 더 높은 전력 변환 효율과 빠른 스위칭 속도, 더 높은 전력 밀도를 제공한다. Si와 비교했을 때 1/10 가량 저항이 낮다. 따라서 크기는 작으면서도 기존 디바이스의 성능을 능가하는 전력반도체를 만들 수 있다. 이는 GaN이 제공하는 넓은 밴드특성(band-gap) 및 높은 임계 전기장, 전자 이동의 특성을 갖추고 있기에 가능하다.

SiC‧GaN의 미래는 다소 낙관적이지만 보다 대중화되기 위해서는 원가절감이 필수적으로 뒷받침되어야 한다. 무엇보다 Si가 워낙 오랫동안 시장을 장악하고 있었기 때문에 기술완성도와 원가 측면에서 압도적인 경쟁력을 갖추고 있다. 아무리 전력반도체 성능이 좋아도 시장에서 이를 받아들일 이유가 없다면 새로운 소자에 대한 관심이 줄어들 수 있다는 애기다.

예컨대 지금보다 크기가 절반 이하인 전원어댑터, 연비가 50% 이상 높아진 HEV가 나와도 가격이 지나치게 높거나 시장에서의 반응이 미지근하다면 SiC‧GaN가 들어설 자리가 좁아지게 된다. 애플리케이션(응용분야) 확대가 필수적인 이유다.

업계에서는 아직 SiC‧GaN 파워 디바이스의 시장 규모는 크지 않지만 시장에 자리를 잡은 이후에는 이미 투자된 시설을 이용해 높은 투자수익률을 가져갈 수 있을 것으로 기대하고 있다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com