[주식] 전력반도체와 화합물반도체란? / 화합물 반도체는 어디에 쓰일까

안녕하세요. 루디입니다.

 

저번 시간에는 반도체란 무엇인지. 반도체는 어떠한 과정을 통해 제작되는지에 대해서 알아보았는데요.

 

이번 시간에는 전력반도체 및 화합물반도체에 대해서 알아보겠습니다.

[주식] 반도체란 / 반도체 제작과정 / 반도체 종류 / 반도체의 모든 것!!

먼저 전력반도체에 대한 사전적 의미는 이렇습니다.

 

즉 전력반도체는 전자기기 내에서 전력 변환 및 변압, 분배 및 제어를 담당하는 반도체입니다. 

 

저전력-고효율을 구현하기 위한 핵심 부품입니다.

 

먼저 전력반도체 밸류체인은 크게 웨이퍼 공급사와 완제품 제조사로 나눌 수 있습니다.

 

* 웨이퍼 공급사 : Si(실리콘) 웨이퍼 공급사는 많지만 차세대 전력반도체인 SiC(탄화규소) 웨이퍼 공급사는 소수의 업체들이 존재합니다.

특히 6인치 이상으로 한정하면 Cree, 투식스(Ⅱ-Ⅵ), SiCrystal, SK실트론 등 4개사만이 가능합니다. Cree와 투식스 두 곳이 전체 시장의 70% 점유율을 차지하고 있습니다.

​

* 완제품 제조사 : Infineon, Texas Instrument, On Semi, STMicro, Analog Device 등이 대표업체들이며

현재 글로벌 상위 5개사가 전체 시장의 40%를 담당하고 있습니다.

반도체를 만들기 위해서는 선공정인 웨이퍼부터 제작을 해야하는데요. 이 웨이퍼는 Si(실리콘)으로 제작한 웨이퍼와 화합물 SiC(탄화규소)나 GaN(질화갈륨)으로 제작한 웨이퍼 두 가지가 있습니다.

기존 Si(실리콘)가 아닌 SiC(탄화규소)나 GaN(질화갈륨)으로 제작한 웨이퍼로 제작한 반도체를 화합물 반도체라 합니다.

 

기존 전력반도체의 주요 소재는 다른 반도체와 마찬가지로 Si(실리콘)였습니다. 하지만 최근 몇 년 사이 소재의 변화가

 

발생하기 시작하였고 향후 이러한 변화가 가속화될 것으로 예상됩니다. 배경은 전방시장의 변화입니다.

 

전력반도체가 새로 적용 되기 시작한 전기차, 신재생 에너지, ESS 등의 공통점은 적용 환경이 거칠다는 점입니다.

 

Si 반도체는 물리적 특성상 고전압, 고주파, 고열 등의 환경에서 성능을 구현하기 힘듭니다.

이에 대한 대안으로 차세대 전력반도체 소재인 SiC와 GaN 반도체가 적용되기 시작하였고 선도업체를 중심으로 양산화가 시작됐습니다. 

 

아직은 전력반도체 시장에서 SiC와 GaN은 낮은 비중을 차지하지만, 신규 전방 시장의 성장과 함께 앞으로의 전력반도체 시장은 SiC와 GaN이 주도할 것으로 전망됩니다.

---

전력반도체 시장을 만개시킬 핵심 테마는 ① 친환경과 ② 4차 산업혁명입니다.

---

① 친환경화, 신규 어플리케이션 확대 : 전기차, 신재생 에너지 & ESS

 

 

전기차 : 내연기관차에서 전기차로의 전환이 글로벌 주요 제조사들에게서 보여지는 트렌드입니다. 친환경 차량에서 전력반도체의 신규 적용이 가능한 영역으 크게 총 3가지 입니다.

 

 

01. 차량 내 전력 변환 장치 (EPCU)

전기차는 배터리를 통하여 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어합니다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변환해주는 인버터가 필요합니다. 

모터 구동 외에도 전장 시스템을 위해서도 전력 변환이 필요한데, 배터리는 고전압인 반면 전장시스템은 저전압(12V)을 사용하기 때문에 컨버터가 필요합니다.

 

* 인버터 : 전력 변환 장치. 직류전력을 교류전력으로 변환하는 장치(역변환장치).

* 컨버터 : 신호 또는 에너지의 모양을 바꾸는 장치. 회로망 ·변환기라고도 한다. 신호변환의 경우에는 흔히 트랜스듀서센서(transducer sensor)라고 하며, 전력분야에서는 교류와 직류간의 변환, 교류의 주파수 상호변환, 상수(相數)의 변환 등을 하는 장치를 말한다. 좁은 뜻으로는 교류 → 직류의 변환을 컨버터, 직류 → 교류의 변환을 인버터(inverter), 어느 주파수에서 다른 주파수로의 변환을 사이클로컨버터(cycloconverter)라고 하여 구별한다.
* 전장시스템 : 자동차 부품의 전자 장치화를 의미함. 전기계통의 부품관련 시스템을 의미하며, 차량용 반도체, 텔레매틱스, 차량용 디스플레이, 배터리, 모터, 카메라 모듈, 열관리 시스템, 공조 시스템 등을 의미한다.

 

02. 내외부 충전장치 : 전기차에는 OBC(On-Board Charger)가 탑재되어 있습니다. 완속 충전시 외부의 직류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 교류 전기로 바뀌어 충전됩니다. 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 교류 전기로 변환한 후 자동차 배터리에 충전하는 방식입니다. OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력반도체가 탑재됩니다.

 

* OBC : OBC제어기는 On-Board Charger의 줄임말로, 차량 내부에 설치된 배터리 충전기라고 할 수 있습니다. 전기자동차의 충전은 급속 충전과 완속 충전 두 가지로 분류되는데, OBC 제어기는 완속 충전을 담당하는 제어기이며 LDC 제어기와 협조하여 컨버터, 인터버, 배터리 등과 함께 전력변환 기능을 담당하고 있습니다.

03. V2G(Vehicle To Grid) : 향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상됩니다. 움직이는 ESS로서 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할 수 있습니다. 이 경우, 교류↔직류 양방향 전력변환이 필요합니다.

 

- V2G는 전기차배터리차(EV), 플러그인하이브리드차(PHEV) 등 충전식 친환경차를 전력망과 연결해 주차 중 남은 전력을 이용하는 개념이다.
전력망을 통해 전기차를 충전했다가 주행 후 남은 전기를 전력망으로 다시 송전(방전)하는 것으로 전기차가 움직이는 에너지저장장치(ESS·Energy Storage System)가 되는 셈이다.

신재생 에너지 : 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력입니다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정입니다. 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요합니다.

 

 

01. 태양광 발전설비 : 태양광 모듈과 인버터로 구성됩니다. 태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 직류입니다. 이를 PCS(Power Conditioning System)로 불리는 인버터가 교류 전력으로 변환시킵니다. 통상 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성됩니다.

 

02. 풍력 발전설비 : 풍력에서 생산되는 전력도 직류입니다. 인버터를 통해 교류 전력으로 변환됩니다. 태양광과 마찬가지로 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성됩니다.

ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치) : 전력 저장에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요합니다. ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생됩니다. ESS에도 PCS 인버터가 존재합니다.

---

② 4차 산업혁명 가속화 : 서버, 로봇 등

데이터센터의 서버 전원에 주로 사용됩니다. 서버 전원은 파워용량이 크고 높은 신뢰성의 안정적 전원 공급이 요구됩니다. SiC가 처음 적용되기 시작한 부분이 서버향입니다. 이 외에 미래에 적용이 활대될 것으로 예상되는 분야는 로봇입니다. 로봇은 수많은 모터가 필요하기 때문입니다. 로봇의 각 부위 모터별 회전 속도는 상이하고, 이를 각각 제어하기 위한 전력 반도체가 필요합니다.

---

여기까지 Si(실리콘)와 SiC(탄화규소), GaN(질화갈륨)에 대해 간략히 살려보고 이러한 Si 반도체와 화합물 반도체가 어디에 어떻게 사용되는지까지 알아보았습니다.

 

그럼 다음 시간에는 전력반도체와 화합물반도체에 대해 좀 더 자세히 살펴보고 그에 대한 관련주는 어디가 있는지에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

긴 글 읽어주셔서 감사드리며, 공감과 구독 부탁드립니다:)

 

감사합니다~