고효율 전력반도체 R&D 집중하는 미국
고효율 전력반도체 R&D 집중하는 미국
  • 이기종 기자
  • 승인 2019.01.22 18:50
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美에너지부-노스캐롤라이나대, '파워아메리카' 설립
실리콘카바이드·갈륨나이트라이드 반도체 연구
SEMI 테크놀로지 심포지엄(STS)에서 파워아메리카 CTO가 강연
실리콘카바이드(SiC) 웨이퍼
실리콘카바이드(SiC) 웨이퍼

미국이 고효율 전력반도체 연구개발(R&D)에 집중하고 있다. 기존 실리콘(Si) 웨이퍼 기반 반도체의 단점을 보완할 전력반도체를 개발해 자국 제조업 경쟁력을 강화하고 에너지 효율을 높인다는 목표다.

미국의 전력반도체 R&D 노력이 구체화한 것은 지난 2015년이다. 미 에너지부 첨단제조업사무국은 노스캐롤라이나주립대학교와 함께 연구기관인 '파워 아메리카'(Power America)를 설립했다. 미국은 제조업 경쟁력 향상을 위해 첨단제조업 연구기관 14곳을 운영 중인데, 파워 아메리카도 그중 한 곳이다.

파워 아메리카의 중점 목표는 실리콘카바이드(SiC) 및 갈륨나이트라이드(GaN) 전력반도체 개발이다. 전력을 처리하거나 조정해 에너지 효율을 높이는 이들 전력반도체는 광대역갭 반도체(WBG:Wide Bandgap)로, 기존 실리콘 반도체 소자보다 고온에서 안정적이고 높은 열전도도·낮은 저항 등의 특성을 보인다.

특히 실리콘카바이드 전력반도체는 전력을 변환할 때 전력 손실이 적다. 일반 전력반도체의 전력 변환과 비교해 에너지 손실을 70% 이상 줄일 수 있다. 최근 산업용 신재생에너지 인프라와 전기차 등으로 탑재가 늘고 있다. 한국 등 많은 국가에서 관심을 갖는 배경이다. 기존 실리콘 전력 소자는 저비용 양산, 우수한 재료 품질, 처리 용이성, 검증된 신뢰성 덕분에 전력 전자 제품에서 주로 사용됐지만, 좁은 대역갭과 전기장 때문에 한계에 봉착했다.

파워 아메리카는 2015년부터 5년간 1억4000만달러(약 1600억원)를 지원받는다. 에너지부가 7000만달러(약 800억원)를 제공하고, 업계와 노스캐롤라이나대학이 지원하는 매칭 펀드 방식으로 운영한다. 파워 아메리카는 전력반도체 기술을 개발·적용해 에너지 절약과 일자리 창출을 해야 하는 임무를 안고 있다.

빅터 벨리아디스(Victor Veliadis) 노스캐롤라이나대 교수는 2016년부터 파워 아메리카에서 부회장 겸 최고기술책임자(CTO)를 맡고 있다. 반도체 경력 21년인 벨리아디스 부회장은 23일 세미콘 코리아 2019 전시회와 함께 열린 SEMI 테크놀로지 심포지엄(STS) 강연에서 "35개 산업, 대학, 국가 연구 프로젝트에 매년 3000만달러(약 340억원) 이상의 예산을 전략적으로 할당한다"면서 "광대역갭 반도체 제조, 인력 개발, 일자리 창출, 에너지 절약 등에서 미국 리더십 발휘가 목표"라고 설명했다. 파워 아메리카는 WBG 장치 패키징과 모듈에도 신경을 쓰고 있다. 미국이 뒤진 분야이기도 하다.

46명으로 구성된 파워 아메리카는 가까운 미래에 200mm 웨이퍼를 도입해 저비용 WBG 제조 전략을 구현해, 5년 내에 WBG 장치가 실리콘과 1.5배 가격 패리티에 도달할 것으로 예상했다.

현재 WBG 상용화가 지연되는 이유는 고비용과 인력 부족 두 가지다. WBG 장치는 생산량이 작고, 완전히 적재되지 않은 전용 공장 때문에 양산 실리콘보다 비용이 높다. WBG 기술을 잘 아는 전문가도 부족하다. 전력전자 산업은 새로운 기술 적응과 변화에 대체로 더딘 편이다. WBG 장비에 대한 관심이 적고, WBG 시스템 통합의 가치가 폭넓게 공유되지 못하면서, 업계에선 연구개발 자원 투입을 꺼리는 상황이 이어지고 있다. 

시장조사업체 INI R&C에 따르면 세계 전력반도체 시장 규모는 2012년 121억달러(약 13조7000억원)에서 2020년 252억달러(약 28조5000억원)로 연평균 9.6%씩 성장할 전망이다. 이 가운데 자동차용 전력반도체 시장은 2012년 31억달러(약 3조5000억원)에서 2020년 86억달러(약 9조7000억원)로 연평균 13.6% 성장이 예상된다. 산업용 전력반도체 시장은 같은 기간 34억달러(약 3조8000억원)에서 84억달러(약 9조5000억원)로 연평균 12.0%씩 커질 전망이다.

파워 아메리카
파워 아메리카

 


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