Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

많은 전력 시스템이 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC) 기술로 전환되고 있습니다. 이는 1980년대 바이폴라 반도체에서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로의 전환 이후 전력 반도체 산업에서 가장 큰 변화가 될 것입니다. 이러한 변화는 영향을 받는 많은 산업들이 이례적인 대대적인 변화를 겪고 있는 시기에 일어나고 있습니다. 자동차 산업에서 태양 에너지에 이르기까지, 탄화규소(SiC)의 장점은 더 이상 무시할 수 없게 되었습니다. 이러한 중요한 변화 속에서 모든 주요 기업들은 탄화규소(SiC)를 자사 기술에 더욱 통합하기 위해 노력하고 있습니다.

자동차 산업은 전례 없는 변화를 겪고 있는 현대 산업의 대표적인 사례입니다. 향후 10년 동안 자동차 산업은 내연기관에서 전기화로 전환될 것입니다. 실리콘(Si)을 탄화규소(SiC)로 변환하는 것은 전기 자동차의 효율성을 높여 소비자 요구를 충족하는 동시에 기후 변화의 영향을 다루는 정부 규제를 준수하는 데 중요한 역할을 합니다. 탄화규소(SiC) 솔루션은 고속 충전 인프라, 구동 인버터 및 전원 공급 장치와 같은 응용 분야를 개선하고 통신, 군사 및 항공 우주 분야의 발전을 가능하게 함으로써 전기 자동차를 "다음 단계"로 끌어올리는 데 기여하고 있습니다.

그림 1. 연구실에 있는 크리 직원들

전기 자동차 관련 기회

테슬라, 포드, 폭스바겐을 비롯한 자동차 제조업체들은 소비자 수요 증가와 정부 규제 강화에 따라 향후 10년간 전기차에 3천억 달러 이상을 투자할 계획을 발표했습니다. 분석가들은 2030년까지 배터리 전기차(BEV)가 전체 차량의 15%를 차지할 것으로 예측하고 있습니다. 이에 따라 전기차용 탄화규소(SiC) 부품 시장은 향후 몇 년 동안 기하급수적으로 성장할 전망입니다.

전기화에 대한 관심이 높아짐에 따라 제조업체들은 더 이상 탄화규소(SiC)의 장점을 외면할 수 없습니다. 탄화규소(SiC)는 기존 전기 자동차에 사용되는 실리콘(Si) 기술에 비해 배터리 주행 거리를 늘리고 성능을 향상시키며 충전 시간을 단축합니다. 그 결과, 많은 공급업체들이 크리(Cree)와 협력하여 전기차 관련 사업을 추진하고 있습니다. 예를 들어, 델파이 테크놀로지스(Delphi Technologies)는 탄화규소(SiC) 반도체를 사용하여 더욱 효율적이고 소형이며 가벼운 인버터 시스템을 개발하고 있으며, ZF 그룹은 완전 전기 파워트레인을 개발하고 있습니다. ABB 그룹은 탄화규소(SiC) 기반의 다양한 전력 시스템을 개발 및 공급하고 있습니다.

효율성 향상

탄화규소(SiC)는 실리콘(Si) 기반 IGBT보다 스위칭 손실이 훨씬 적습니다. 또한, 탄화규소 소자는 내부 전압이 없고 전도 손실도 현저히 낮습니다. 결과적으로 탄화규소(SiC)는 전력 밀도가 높고, 무게가 가벼우며, 더 높은 주파수에서 동작할 수 있습니다. 최근 자동차 분야 테스트에서 크리(Cree)의 탄화규소(SiC) 기술은 실리콘(Si) 기반 인버터 대비 손실을 약 78% 감소시켰습니다.

자동차 산업에서 이러한 효율성 향상은 파워트레인 솔루션, 전력 변환기, 온보드 및 오프보드 충전기에 활용될 수 있습니다. 탄화규소(SiC)는 기존 실리콘(Si) 기반 솔루션에 비해 전기 자동차의 전체 효율을 5~10% 향상시킬 수 있습니다. 제조업체는 이를 통해 주행 거리를 늘리거나 부피가 크고 비싼 배터리의 필요성을 줄일 수 있습니다. 또한 탄화규소(SiC)는 냉각 요구량을 줄이고 공간을 절약하며 실리콘(Si) 기반 솔루션보다 가볍습니다. 탄화규소(SiC)는 현재 단 5분 만에 75마일(약 120km)의 주행 거리를 늘려주는 고속 충전기에도 사용됩니다.

탄화규소(SiC) 솔루션 비용의 지속적인 하락은 채택률 증가로 이어졌습니다. 자동차를 예로 들면, 전기 자동차에 사용되는 탄화규소(SiC) 부품의 가치는 차량의 전력 요구량에 따라 약 250달러에서 500달러 사이로 추산됩니다. 자동차 제조업체는 배터리 비용, 배터리 및 인버터의 크기와 무게, 냉각 요구 사항 등을 고려했을 때, 전기 자동차 한 대당 최대 2,000달러까지 비용을 절감할 수 있습니다. 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로의 전환을 이끄는 여러 요인이 있지만, 이 점이 핵심입니다.

자동차 산업 외

크리의 9억 달러 규모 탄화규소(SiC) 시장 기회 중 약 절반은 자동차 산업의 수요에서 비롯되며, 태양광, 항공우주 및 방위산업, 통신 인프라 또한 주요 수요 동력입니다. 캐나코드 제뉴이티(Canaccord Genuity)의 최근 추산에 따르면, 탄화규소(SiC) 수요는 2030년까지 20억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

图2. 크리어 650V MOSFET

탄화규소(SiC) 전력 소자는 산업 및 에너지 기업의 전력 및 공간 활용도를 극대화하는 데에도 도움을 줍니다. 탄화규소(SiC)는 고주파 산업용 전원 공급 장치와 무정전 전원 공급 장치에 더 높은 효율, 더 높은 전력 밀도, 그리고 더 가벼운 무게를 제공하며, 이러한 이점은 탄화규소(SiC) 자체의 비용을 훨씬 뛰어넘습니다. 이러한 분야에서 높은 효율은 곧 더 높은 수익으로 이어집니다.

전력 전자 분야에서 탄화규소(SiC)는 일반 실리콘(Si)보다 효율이 훨씬 높고 전력 밀도가 3배나 높아 고전압 시스템을 더욱 가볍고 작고 효율적이며 비용 효율적으로 만들어 줍니다. 이러한 탁월한 성능은 이제 한계점에 도달했으며, 현재 시장에서 경쟁력을 유지하려면 제조업체들은 더 이상 이를 외면할 수 없습니다.

반도체의 미래

실리콘 카바이드(SiC)의 도입을 가로막는 주요 장벽은 비용이었습니다. 그러나 생산량과 경험이 지속적으로 증가함에 따라 비용은 계속해서 감소하고 있습니다. 그 결과 제조 공정 또한 더욱 효율적이고 정교해졌습니다. 더욱이 고객들은 실리콘 카바이드(SiC)의 진정한 가치가 개별 소자 수준이 아닌 시스템 수준에서 발휘된다는 점을 인식하고 있습니다. 다양한 산업 분야의 요구를 충족하기 위해 실리콘 카바이드(SiC) 제조 기술은 더욱 발전하고 생산량은 지속적으로 증가하며 가격은 더욱 하락할 것입니다. 크리(Cree)를 예로 들면, 크리는 이러한 요구에 부응하기 위해 대규모 투자를 진행해 왔습니다. 그중 하나는 최첨단 기술을 적용하고 자동차 등급 기준을 충족하는 뉴욕주 공장을 건설하는 것으로, 이를 통해 생산 능력은 2017년 대비 30배 이상 증가할 것입니다.

실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로의 전환은 더 이상 '언제' 일어날 것인가의 문제가 아니라 이미 현실이 되었습니다. 여러 산업 분야에서 일어나고 있는 거대한 변화에 적극적으로 참여할 수 있다는 것은 매우 고무적인 일입니다. 이러한 산업의 미래는 결코 정체되어 있지 않으며, 앞으로도 전례 없는 변화들이 끊임없이 일어날 것입니다. 그리고 이러한 변화에 빠르게 적응하는 기업들은 큰 성공을 거둘 것입니다.

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