반도체 시장 탐구: 전력 반도체 시장 (1)

1. 시장의 개요

 

전력반도체는 전자기기에 들어오는 전력을 다루는 역할을 수행하는 반도체다.

 

세부적인 역할은 1) 변환 및 변압, 2) 분배 및 제어다.

 

가장 대표적인 적용처는 모터가 탑재되는 제품이다. 모터의 회전 속도를 컨트롤하기 위해 MCU가 인버터에 명령을 전달하고, 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어ㆍ변환한다. 이 때 인버 터에 필요한 부품이 전력반도체다. 전력반도체의 성능에 따라 모터의 전력 손실 이 줄어들고, 효율적인 동력 전달이 가능하다.

 

모터는 전기를 통해 동력을 발생시킨다. 생활/산업용 전기 제품들 대부분에 모터가 들어간다. 세계 전력의 약 50%가 모터를 돌리기 위해 사용될 정도로 관련 시 장은 광범위하다. 미래의 대표적인 모터 제품은 로봇이 될 예정이다. 로봇청소기, 산업용 로봇 등 빠르게 시장이 확대되고 있다. 로봇은 세밀하게 움직이기 위해 모터 필요량이 갈수록 증가한다. 전력반도체의 필요량도 늘어날 수 밖에 없다.

 

 

 

2. 주요 적용처(전방 산업)

 

전력반도체 시장은 지속적으로 성장하고 있다. 시장을 개화시킨 초기 성장의 주요 적용처는 가전, 스마트폰, 자동차 등이다. 명확한 Q(탑재 개수 및 전방 산업 침투율)의 증가를 통해 성장한 시장이다.

 

이는 1) 전력 효율화 니즈 증가, 2) 제품 편의사항 증가 덕분이었다.

 

1) 전자기기 내에서 전력을 공급하고 배분하는 과정에서 필연적으로 전력 손실이 발생한다. 이를 컨트롤하는 것이 전력반도체다. 모바일 기기의 배터리 사용시간 증가 등 전력 효율화에 대한 니즈가 증가했다. 전력반도체의 중요도가 지속 증가했다.

 

2) 제품 내 편의사항이 증가했다. 냉장고의 디스플레이 탑재가 대표적이다. 과거 냉장/냉동 기능만을 하던 것과 달리 최근의 냉장고는 새로운 전력 배분처가 생겼 다. 과거대비 전력반도체의 탑재 개수가 증가했다. 이는 냉장고 뿐만 아니라 차 량 내에서도 여타 백색가전, 자동차, 모바일 기기에서도 확인되는 현상이다.

 

 

향후 폭발적인 시장 성장을 이끌 적용처는 ① 친환경과 ② 4차 산업혁명과 관련 있다. 전력반도체 시장 전반의 영역 확대(Q↑)가 예상된다.

 

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

 

- 전기차: 내연기관차에서 전기차로의 전환이 글로벌 주요 제조사들에게서 보여 지는 트렌드다. 친환경 차량에서 전력반도체의 신규 적용이 가능한 영역은 크게 총 3가지다.

 

1) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU): 기존 내연기관차와 전기차의 차이는 동력 발생원이다. 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어한다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변환 해주는 인버터가 필요하다. 모터 구동 외에, 전장 시스템을 위해서도 전력 변환이 필요하다. 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용한다. 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요하다.

 

 

2) 내ㆍ외부 충전장치: 전기차에는 OBC(On Board Charger)가 탑재돼 있다. 완속 충전시 외부의 교류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 직류 전기로 바뀌어 충전된다. 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 그대로 자동차 배터리 에 충전하는 방식이다. OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력 반도체가 탑재된다.

 

 

3) V2G(Vehicle To Grid): 향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상 된다. 움직이는 ESS로서, 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 교류↔직류 양방향의 전력 변환이 필요하다.

 

- 신재생 에너지: 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정이다. 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요하다.

 

 

1) 태양광 발전설비: 태양광 모듈과 인버터로 구성된다. 태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 직류다. 이를 PCS(Power Conditioning System)로 불리는 인버터가 교류 전력으로 변환시킨다. 통상 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다.

 

 

2) 풍력 발전설비: 풍력에서 생산되는 전력도 직류다. 인버터를 통해 교류 전력 으로 변환된다. 태양광과 마찬가지로 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다.

 

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

 

 

② 4차 산업혁명 가속화: 서버, 로봇 등

 

데이터센터의 서버 전원에 주로 사용된다. 서버 전원은 파워용량이 크고 높은 신뢰성의 안정적 전원 공급이 요구된다. SiCㆍGaN이 처음 적용되기 시작한 부분이 서버향이다. 이 외에 미래에 적용이 확대될 것으로 예상되는 분야는 로봇이다. 로봇은 수많은 모터가 필요하다. 로봇의 각 부위 모터별 회전 속도는 상이하고, 이를 각각 제어하기 위한 전력반도체가 필요하다.

 

 

 

3. 소재의 전환, SiC와 GaN을 주력으로 한 차세대 시장 확대

 

앞서 정리한 전력반도체 시장의 폭발적인 성장 동력인 전기차, 신재생에너지, 서 버 등의 공통점은 구동 환경이 거칠다는 점이다. 기존 전력반도체 소재는 Si(실리 콘)로, 고전압, 고주파, 고열 등의 거친 환경에서 성능 구현이 어렵다. 이에 대한 대안으로 물리적 특성이 우수한 SiC와 GaN 반도체가 적용되기 시작했다. 아직 미미하나 이미 적용처별 침투율은 확대되고 있으며, 이러한 흐름은 점진적으로 가속화될 것으로 예상된다.

 

앞으로의 전력반도체 시장 성장 양상은 차세대 전력반도체 채택 확대를 중심으로 한 P와 Q의 동반 증가일 것으로 전망된다.

 

1) P의 증가: 기존 Si 전력반도체를 사용하던 영역에서, 전력 효율성을 추가로 개 선시키기 위해 SiC로 대체하려는 시도가 증가하고 있다. SiC와 GaN 등 차세대 전력반도체는 기존 Si 전력반도체 대비 판매단가가 우수하다.

 

2) Q의 증가: 향후 전력반도체의 성장을 이끌 주요 전방 수요처는 기존 수요처 대비 탑재량이 증가한다. 기존 내연기관차에서는 없던 전기차의 EPCU, OBC 등 이 대표적이다. 신규 영역은 SiC와 GaN이 사용될 전망이다.

 

 

 

4. SiC와 GaN 채택 확대의 제약이 사라진다 

 

SiC와 GaN 반도체에 대한 채택 필요성은 지속 확대 중이다. 그럼에도 그동안 전환이 더뎠던 이유는 Si 대비 가격이 비싸기 때문이었다. 제품을 양산하는 고객 입장에서 성능 못지 않게 우선적으로 고려되는 점은 경제성이다. 그러나 현시점 에서 SiC, GaN으로의 전환을 더디게 한 장애물은 해결됐다고 판단된다.

 

1) SiC 전력반도체의 원재료인 SiC 웨이퍼 가격이 과거 대비 감소했다. 4인치 기 준, 웨이퍼 가격은 과거 시장 초기 1,500만원 수준에서 현재 50만원 수준으로 감 소한 것으로 추정된다.

 

2) 모듈로 비교시 가격 차이가 크지 않다. 실제 테슬라 모델3 인버터에 적용된 SiC 모듈을 보면, Si 대비 효율은 최대 10배 증가하고 부피는 43% 감소, 무게는 6kg 감소한다. SiC가 고열에서도 견딜 수 있어 열 배출을 위한 쿨링 시스템 등이 빠질 수 있기 때문이다. 이 경우 단일 칩으로는 Si < SiC 이지만 완제품인 모듈 가격은 큰 차이가 발생하지 않을 수 있다.

 

 

 

출처: 신한투자증권, Rohm, Infenion, Navitas, 정보통신기획평가원, 삼성전기, KT

 

뜨리스땅

 

https://tristanchoi.tistory.com/356

반도체 시장 탐구: 전력 반도체 시장 (2)