전기차를 위한 반도체, SiC 반도체

전력반도체는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류·교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 반도체로 전력을 생산하는 단계부터 사용하는 단계까지 여러 단계에서 다양한 기능을 수행한다. 한마디로 전기를 기계에서 활용하기 위해 필요한 반도체. 

이상적인 전력반도체라고 한다면 (1) 켜져있는 동안 저항이 0에 가깝고 (2) 꺼진 동안은 저항이 아주 높고 (3) On/Off 전환이 즉각적으로 이루어지며 (4) 발열과 에너지 누수가 적어야 한다고.... 

전력반도체가 이슈가 되는 것 중 하나는, 전기차에서 사용되는 에너지의 꽤 많은 부분이 이 전력반도체에서 전류 변환을 거치며 소실되기 때문. 전력반도체의 종류는 아래와 같다고 한다. [출처] 

출처는 위 링크

하이닉스 홈페이지에도 아주 잘 설명이 되어있다. 

차세대 반도체 소재, 실리콘카바이드(SiC)

요즘 주목을 받고 있는 전력반도체는 SiC랑 GaN 소자. 기존에 많이 쓰이던 건 IGBT라고 실리콘 기반의 전력반도체가 많이 쓰였다고 한다. 

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이들 반도체는 실리콘에 비해 (1) 3배의 넓은 밴드갭을 가지고 있으며 (2) 안정적인 고온 동작 (3) 높은 열 전도율 (4) 낮은 저항과 (5) 높은 내전압 특성으로 전력 스위칭 시 손실을 저감하고 (6) 빠른 스위칭 (7) 방열시스템 부피 축소 등의 장점을 갖고 있다고 한다.

밴드갭이 첨 보면 무슨 소린지 알 수가 없는데, "밴드갭이 좁을수록 전도성이 좋지만 반도체에 가하는 전압이 차츰 높아지면 어떤 값(절연파괴전계) 이상의 전압에서 전기저항이 급감해 갑자기 다량의 전류가 흐르는 절연파괴 현상이 일어나 반도체의 성질을 잃어버린다." 라고 한다. 한마디로 전도성이 조금 떨어지지만 고전압을 잘 버틴다는 것? 

화합물 반도체 시장 열린다... SiC·GaN 주목 - KIPOST(키포스트)

뻔한 단점이라고 한다면, 공정을 구현하는 것이 어렵고 비용이 많이 소요되며(10배 이상), 소재나 장비 제약으로 상용화가 어렵다는 점 정도. 

SiC는 특히 고전압/고내열/고출력/고효율(너무 좋은거 아닌가)로 전기적 특성이 매우 우수하고, 고전력이 필요한 태양광 인버터와 전기차, 모터 드라이브 분야에 쓰이고 있다고 한다. 기존 실리콘 반도체 설비로 생산할 수 있다는게 장점. 

GaN은 반면 높은 항복전압, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도가 특징으로 저전력 장비에서 강점이 있다고. IDC와 전기차, 전원공급장치 쪽이 유망하다고 하는데, 제조 공법이 실리콘 반도체와 달라 신규 설비 투자가 필요하고 수율이 낮다고 한다. 다만 기사는 위 KIPOST 17년 말 기사니 업데이트가 조금 안되었을수도. 

아직까지는 차량용 전력반도체로는 IGBT가 가장 많다고 한다. 그러나 테슬라는 이미 SiC 칩을 사용하고 있다, ST마이크로가 납품하고 웨이퍼는 미국의 Cree라는 상장사가 공급. 원래 모델 S까지는 IGBT를 쓰고 있었다고 한다. 

[이슈분석] 반도체 업계, SiC 전력 반도체 주도권 경쟁 가열