반도체의 재도약을 위해 SiC 개발확대 필요

[예스맨/카페지기]

1. SiC 개발에 기대를 걸고

  최근 들어 반도체산업계는 SiC(탄화규소) 파워소자를 통해 패러다임의 변화를 일으키고 있다. 많은 엔지니어들이 SiC 개발에 기대를 걸고, 연구개발에 눈부신 활동을 하고 있다.
  이 분야는 미국의 Cree사가 기술을 선행하고 있으며, 일본도 SiC 단결정을 제조하기 시작했다.  시작 단계에서 4인치 및 6인치 웨이퍼를 개발하였다. 일본 산업기술종합연구소는 SiC 프로젝트 등을 통해 디바이스 제작의 요소 기술을 개발하였고, 소자도 개발을 시작하였다.
  일본 산업계는 SiC 파워 소자의 실용화를 목표로 매진하고 있으며, 적용되는 어플리케이션 분야와 양산을 구체적으로 발표하고 있다. SiC 기술은 전기 에너지의 절약을 가져오기 때문에, 이로 인해 새로운 산업이 창출될 가능성이 높다.
  어느 국가이든 이 기술을 발전시켜, 향후의 파워 기술면에서 패러다임의 변화를 일으킬 수 있으면, 그 나라는 세계에서 주도권을 쥘 수 있는 절호의 기회라 생각된다.
   SiC 기술은 신에너지라는 관점에서 신산업을 창출하는 국가 전략의 핵심이 될 수 있는 하이테크 기술이다. 석유의 해외 의존도가 100%에 이르는 한국에 있어서, 에너지 절약 기술의 확립은 매우 중요한 과제라 할 수 있다.
  에너지의 안정공급의 관점에서 생각했을 경우, 한국에 있어서 원자력 발전이 지극히 중요한 것으로 의심의 여지는 없지만, 동시에 리스크를 안고 있는 것도 사실이다.
  최근까지 재생가능 에너지의 도입에 소극적이던 미국이 이제 적극적인 입장을 취하기 시작한 것은 매우 중요한 변화일 것으로 여겨진다.   구체적으로 미국 하원 의회는 2007년 8월 상순에, 재생가능 에너지에 의한 발전량을 2020년까지 총발전량의 15%까지 끌어올리는 것을 전력회사에 의무화 하는 법안이 가결되었던 것이다. 일본은 고효율 태양광 발전시스템 등 클린 에너지 개발을 전개하고 있다.
  만일, 현재의 Si(실리콘) 파워소자 대신에 SiC 파워 자를 채용하면, 전력 이용이 고효율화 되어 일본만으로도 연간 약 200만 KW(원자력 발전기의 2기분에 상당하는 전력)의 에너지 절약을 실현할 수 있게 된다. 현재 일본은 전국에 가동하고 있는 원자력 발전기가 55기 있고(가압수형 경수로, 비등수형 경수로), 2기가 건설 중이다.

2. SiC 소자의 양산화 과제

  SiC는 Si보다 열전도도가 약 3배가 높다. 전자의 포화 드리프트 속도, 절연파괴전계(絶縁破壊電界)가 1 자리수 이상 크다. 이 때문에 Si파워 소자에 비해 두께를 약 10분의 1로 할 수 있고, 취급할 수 있는 전류 밀도도 크게 할 수 있으므로, 전체적으로 소자를 소형화할 수 있다. 반면에 최첨단 Si 설비투자처럼 거대한 설비투자와 미세화 기술을 필요로 하지 않는다.
  또한 우주항공이나 원자력 시설 등의 가혹한 환경에서, 고신뢰성이 요구되는 내열·고방사성 소자, 화합물 반도체 재료로 활용할 수 있다. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)의 경우, 전력 변환시의 전력 손실은 SiC를 이용하면 Si의 2 자리수 이상 작아진다.
 더욱이 열전도가 Si의 3배 정도 크기 때문에, 열방산이 좋고, 전자기기의 냉각을 간이화 할 수 있다. 즉, SiC의 특징인 소형, 저손실, 고효율, 냉각의 간이화로, 그 장래가 많이 기대되는 분야이다.  SiC 시장 진출에는 에피텍셜 성장을 이룬 단결정 웨이퍼가 필요하다.
  다양한 전자기기로부터 SiC 소자가 요구되는 사양에 대해서, 결정 결함의 저감은 현시점에서는 아직 불충분하다. 또한 막 두께, 불순물 등이 웨이퍼면내에서 한결같지 않게 불균일적이다. 에피텍셜 웨이퍼의 성막 재현성과 품질도 좋지 않다.
  이러한 과제들은 실제로 매우 심각한 문제이다. 현재 대부분의 국가에서는 SiC 웨이퍼(단결정 SiC 박막, 벌크)는 미국의 Cree사로부터 공급을 받고 있다. 동사는 세계 SiC 웨이퍼의 약 80%이상을 제공하고 있다. 이 회사는 신기술 촉진을 위해 계속해서 고액의 미국 정부 자금(군사 예산)을 받고 있다. 또한 동사는 SiC 웨이퍼의 재료공급 만이 아니고, SiC를 재료로 하는 FET나 LED 등의 화합물 반도체 개발에도 힘을 쓰고 있다.
  이런 상태로 SiC 파워소자 시장이 급성장하게 되면, SiC 시장은 재료와 제품 모두 완전히 미국 기업의 지배하에 놓이게 된다. 미국의 Cree사는 SiC 보급의 최대 장애인 마이크로 파이프 결함의 삭감을 진행시키고 있지만, 라이벌 기업은 최근 SiC 종결정(種結晶)의 생성과 결함 삭감에 대해 대폭적인 향상을 이루었다고 발표했다.
 더욱이 많은 기업들은 적어도 기술 실험에 대하여, 시판 재료의 결함 발생률이 낮은 매우 우량한 제품 수준까지 이르렀다고 한다.  2007년 6월에 발표한 신일본제철이 그 대표적인 사례이다. 신일본제철은 대구경 SiC 웨이퍼를 개발했지만, 양산화와 안정공급이라는 면에서는 불안성이 남아있다.

3. 태양전지는 왜 생존하는가

  환경을 생각한다는 말만으로 기술·제품을 시장에 보급시키는 것은 지극히 어렵다. 많은 경우 목표로 하는 시장에는 기존의 기술·제품, 그리고 라이벌 기업이 이미 존재하고, 시장을 지배하고 있기 때문이다.
  새로운 기술로 기존 기술·제품으로부터 시장을 빼앗아 가려면 , 품질과 코스트 성능에서도 동등 조건이건, 아니면 그 이상이라는 높은 허들을 넘지 않으면 안 된다. 그러나 이러한 허들을 넘는 작업은 꽤 어려운 실정이다.
  왜냐하면 기존의 기술·제품은 지금까지 시장을 구축해 온 긴 역사 속에서, 성능을 충분히 높일 수 있는 노하우가 많기 때문이다. 게다가 높은 시장 점유율을 확보하고 있기 때문에, 생산 규모가 크고, 품질이 안정되어 있다. 따라서 제조 코스트도 낮다. 이러한 배경에서 다양한 환경 대응의 기술·제품이 등장하기 위해서는 허들을 넘을 수 있는 능력이 필요하다.
 이러한 가운데, 태양광 발전 시스템의 성공 사례는 보기 드문 존재라고 할 수 있다. 화력발전이나 수력발전, 원자력 발전 등은 기존 기술이 크게 작용하고 있음에도 불구하고, 전력 시장에서 서서히 수량을 늘리고 있다.
  다만 태양광 발전시스템은 위의 허들을 자력으로는 넘지 않았다. 즉 발전 코스트는 여전히 화력이나 수력, 지열, 원자력 등의 발전기술을 밑돈 채로 있다. 그런데도 태양광 발전시스템이 시장을 획득할 수 있던 배경에는 정부에 의한 보조금 제도가 있기 때문이다.
  태양광 발전시스템의 설치시에 도입비의 일부를 정부가 보조하는 것으로, 외관상의 발전 코스트가 인하되었던 것이다. 따라서 민간기업 수준의 자력으로 시장진출은 아니지만, 허들을 넘을 수 있었다.
  현재, 세계 각국은 고액의 정부 보조금을 준비하고, 태양광 발전 시스템의 보급에 임하고 있다. 에너지 정책은 정부가 개입해야 하는 사회 인프라 사업이며, 국가 전략 그 자체이다.
  태양전지는 각국 정부의 보조금에 의해서 보급의 길이 열리고 있지만, 세계 시장의 싸움에서는 각국이 괴로운 싸움을 하고 있다.

4. SiC 파워소자의 메리트와 적용 분야

  SiC 파워소자는 Si재료를 사용하는 파워 반도체인 파워 MOSFET나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 숏트키 베리어 다이오드 등의 치환을 목표로 하고 있다.
  단순하게 Si파워 소자와 비교했을 경우 SiC 파워소자의 메리트는 크게 세 가지가 있다. 저항이 적고, 스위칭 시간이 짧으며, 고온 동작에 적절하다. 따라서 AC-DC 컨버터나 DC-DC 컨버터, 소전력~대전력 인버터 등의 전력변환 장치에 적용하면, 변환 효율을 높일 수 있다. 즉 전력 손실을 저감할 수 있는 것이다.
  구체적인 응용 용도로서는 전자유도 가열(IH)기기나 전기 자동차, 하이브리드 차, 산업기기용 범용 인버터, UPS 장치(UPS), 정보통신(IT) 기기용 전원 시스템, 에어컨 등의 가전용 인버터, 태양광 발전 시스템의 인버터 등이 있다.
  이러한 전력 변환 장치에 SiC 파워 소자를 채용했을 경우, 어느 정도의 에너지 절약 효과를 얻을 수 있는 것일까. 일본 엔지니어링진흥 협회의 시산에 의하면, 예를 들어 범용 인버터 시장의 30%에 상당하는 4100만대에 SiC 파워 소자가 채용된다고 전망되는 2020년에는 에너지 절약 효과가 9.96TWh/년에 이른다고 한다. CO2 배출 삭감량으로 환산하면, 366만 톤/년, 원유로 환산하면, 231만 킬로리터/년이 된다. 모두 결코 작지 않은 숫자이다.

 5.  무엇으로 새로운 반도체 시장을 만들 것인가

  무엇으로 새로운 반도체 시장을 만들 것인가?  그 대답은 에너지와 관계되는 분야는 지구 온난화와 CO2 배출 삭감량의 시점에서 전략 책정해야 한다고 말할 수 있다.
  예를 들면 자동차 업계는 탈Si를 요구하는 소리가 높아지고 있다. 자동차의 경우, 차내의 여기저기에서 발열하여 전자 잡음이 발생한다. 반도체의 온도 보증의 정격은 내열 성능으로 70도가 표준이며, 전자 간섭의 저감도 필요하다.
  또, 험로를 주행해도 반도체가 망가지지 않는 내진동성도 요구된다. 이러한 조건을 채우기 위해는 SiC나 다이아몬드 웨이퍼 등의 기술이 차세대 자동차로 요구되고 있다. 이 가운데에서도 실용화에 제일 가까운 것이 SiC 기술이다. SiC 파워 소자를 적용하는 것으로, 다양한 전력 변환 장치의 전력 손실을 저감 할 수 있다.
  그러나 전력변환 장치를 취급할 수 있는 전력량에 따라 SiC 파워 소자의 최적 구조가 바뀌고 있다. 예를 들면, 1 KW이하의 소전력이면 파워 MOSFET 구조로, 1 KW~1 MW의 중전력이면 IGBT 등의 바이폴러 구조와 같은 정도이다.  소자의 구조가 다르면, 다른 기술개발이 필요하게 된다.
  따라서 목표로 하는 어플리케이션 분야를 명확하게 설정하고, 우선은 거기에 적합한 새로운 구조의 SiC 파워 소자를 개발해야 할 것이다. 예를 들어 우선 정보통신(IT) 기기용 전원 시스템을 향한 파워 MOSFET 구조의 SiC 파워 소자에 초점을 맞춰야 한다고 생각된다.
  이유는 두 가지가 있다. 하나는 IT기기 시장에 있어 전력 손실의 저감이 급선무인 것이다. 현재, IT업계에서는 신클라이언트화가 확실히 진행 중이다. 이 때문에 데이터 센터에 설치하는 서버나 통신기기, 스토리지 장치의 대수나 그 처리 능력이 증가의 일로에 있다.
  그런데 최근 데이터 센터의 총 소비전력이 그 건물에 공급 가능한 최대 전력량에 이르고 있는 사태가 일어나고 있다. 실제로 데이터 센터에 공급되는 전력량은 제한되고 있어, 가속하는 신클라이언트화 수요에 대응할 수 없을 수도 있다.
  따라서 데이터 센터의 처리능력을 높이려면 , IT기기나 프로세서, 파워소자 등 부품 수준으로, 각각의 소비전력을 저감할 필요가 있다. 여기서 중요한 것은 전원관리의 차세대기술인 디지털 파워 제어와 조합이다. 이 분야는 3~5년 후에 세계적으로 대폭발을 일으킬 기세로 성장하고 있다. 개발 힌트는 인버터 제어에 적절한 DSP 기술과 아날로그 전원과 전력 제어를 모두 다 알고 있는 기술자가 개발하는 소프트웨어이다.
  또 다른 이유는 서버나 통신기기 등의 전원 시스템에 대해, 반도체 전원 메이커들이 비교적 높은 국제 경쟁력을 갖추고 있기 때문이다. 일본이나 미국, 유럽 기업 중에는 상당한 기술력이나 특허를 가지는 곳도 있다.
  그러나 한국기업도 SiC 파워소자를 조기에 채택하여 개발을 강화하고 제품력을 높이면, 선진국을 따라 갈 수 있을 것이다. 다만 SiC 파워 소자도 다른 환경 대응기술과 같이, 제조 코스트가 비싸다는 과제를 안고 있다.
  따라서 경합 제품이 되는 Si파워 소자에 비하면 코스트 성능이 낮다. SiC 파워소자의 제조 코스트가 비싼 이유는 SiC 에피텍셜 웨이퍼에 있다. 최근 가격이 내렸다고는 해도, Si웨이퍼에 비해 2 자리수 정도 높다.
  게다가 양산되고 있는 웨이퍼의 사이즈는 3인치이라서 아직 작다. 4 인치형이나 6인치형으로 하는 대형 SiC 웨이퍼의 개발도 진행되고 있지만, 현시점에서는 본격적인 양산 개시에는 아직 상당한 시간이 필요하다.
   SiC 웨이퍼의 가격이 비싸면, SiC 파워 소자의 가격도 비싸진다. 따라서 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다고 하지만, 전자기기 업계는 채용하기 힘들다. 이러한 악순환을 끊어, Si파워 소자와 동등의 가격대  성능대비라는 허들을 넘지 않는 한 보급은 어려울 것이다.

6. 환경전략 차원의 국가 지원제도 도입 필요

  환경 전략을 국가 전략으로 취하고 있는 모든 국가들이 태양전지의 보급에 정부의 보조금 제도 또는 법인세 우대조치를 취했던 것처럼 SiC 파워소자에도 도입해야 한다고 생각한다.
  예를 들어 SiC 파워소자를 탑재한 전자기기의 도입으로 삭감할 수 있던 전력 소비량에 의해, 세금을 공제할 수도 있다고 생각된다. 이 시스템은 휴대전화의 서플라이 체인(supply-chain)에도 유사한 생각이지만, 어디까지나 한시적인 조치의 제안이다.
  현재 반도체 업계들은 수요시장의 둔화로 상당한 고전을 하고 있다. 더욱이 글로벌 환경에서 경쟁구도 재편도 진행되고 있다. 이러한 상황에서 기존의 “기능”이나 “성능”이라는 경쟁의 장소를 “지구 환경대응”이나 “저전력”이라는 새로운 싸움의 장소로 이동하여, 거기서 한국의 국가 전략으로서 선수를 쳐야 하는 것이 아닌가.
  SiC 파워소자에 대한 보조금 제도 또는 법인세 우대조치는 그러한 새로운 싸움의 장소에서 우위에 서기 위한 견인력이 되어, 한국전자업계의 재도약 처방전이 될 것이다.
  지구 환경의 시스템을 유지하기 위해서는 전자산업의 활동을 최대한 활용하는 것도 하나의 솔루션이 될 수 있다.
한국 반도체업계는 에너지 절약 기술을 통해 세계에 공헌하고, 세계에서 존경받는 형태로 신산업 창출의 비즈니스 모델을 구축해야 할 것이다.

출처 : KSIA

[bestplay]

SiC 웨이퍼는 표면가공을 하기도 너무 힘듭니다. 일반적인 Silicon wafer 제조라면 grinding & polishing(CMP)으로 표면 제어가 가능한데 SiC는 Grinding까지는 어떻게 하겠는데 CMP가 너무 힘들더군요. 연마율이 안나와요...

[길동무]

감사합니다.