일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.6.28

차세대 파워 반도체
SiC 파워 디바이스가 2025년에 드디어 이륙
EV에 대량 탑재가 계기

오래 전부터 소문이 무성했던 탄화규소(SiC) 파워 디바이스가 드디어 이륙할 때를 맞고 있다. 그 시기는 2025년이다.

“현재 SiC 파워 디바이스에 대한 문의가 다수 접수되고 있다. 25년도까지의 안건 금액은 누계 8,400억엔에 이른다”(ROHM의 상무집행위원 이노(伊野) 씨), “연율 80~100%의 비율로 SiC 파워 디바이스의 매출이 성장하고 있어 25년에는 10억달러를 돌파할 것으로 보인다”(Infineon Technologies Japan 인더스트리얼 파워컨트롤 사업본부의 가토(加藤) 본부장).

각 사가 기쁜 비명을 지르는 이유는 일부 선구적인 애플리케이션에만 탑재되었던 SiC 파워 디바이스가 25년을 기점으로 많은 전기자동차(EV)에 탑재되기 때문이다. 특히 구동용 모터를 제어하는 인버터에서 채용이 본격화된다. 이런 수요를 예측해 파워반도체 업체들은 투자를 계속하며 자동차 업체와의 계약 교섭에 분주하다.

-- 수급 관계가 25년에 매치 --
25년 무렵에 SiC 인버터 탑재가 본격화되는 이유는 파워반도체 업체 측의 공급 체제와 자동차 업체 측의 수요가 맞물리는 시기이기 때문이다. 이탈리아-프랑스 합작회사인 ST Microelectronics나 독일 Infineon Technologies, 일본의 ROHM은 모두 20년대 전반에 대규모 SiC의 공장을 신설해 공급 체제가 정비된다.

한편 자동차 업체는 EV로 시프트하는 가운데 항속거리의 장벽에 부딪치고 있다. 도요타자동차의 한 기술자는 시장이 요구하는 EV의 항속거리를 실현하려면 실리콘(Si)만으로는 도저히 불가능하다고 말했다. 실제 EV 구동용 인버터의 파워 반도체를 Si에서 SiC로 대체함으로써 항속거리를 약 10%나 늘릴 수 있을 것으로 덴소나 ROHM은 시산하고 있다.

25년 무렵에 새로운 EV 차종을 투입하겠다고 발표하는 자동차 업체는 많다. 자동차 업체와 파워반도체 업체의 수급 관계가 맞아떨어지면서 25년에 본격적인 보급이 시작되는 것이다.

-- 8인치 웨이퍼도 곧 등장 --
당연히 양산이 진행되면 저비용화에 일정한 루트가 생기게 된다. 현재까지 인버터에서의 SiC의 실용 사례는 미국 테슬라의 ‘Model3’ 등 극히 적은 것도 사실이다. 앞에서 말한 도요타자동차의 한 기술자도 “1엔, 수십 전의 단위로 비용을 계산하고 있는 자동차 업계에서 현재 SiC는 장벽이 높다”라고 말한다. 전자부품 판매 대리점인 미국 Avnet에 따르면 현재 SiC 웨이퍼의 비용은 Si의 약 45배나 된다.

하지만 수요가 나오면서 파워 반도체 업체들은 저비용화를 위한 기술개발에 적극적이 되었다. 대표적인 것이 웨이퍼의 대구경화다. 현재 SiC 웨이퍼의 최대 크기는 6인치(약 150mm)지만 8인치(약 200mm)화의 기술 개발을 완료한 업체도 등장해, 곧 시장에 투입될 것으로 보인다. 참고로 Si 웨이퍼의 주류는 8인치나 12인치(약 300mm)이다.

IC(집적회로)와 마찬가지로 웨이퍼 구경을 크게 하면, 1 웨이퍼에서 꺼낼 수 있는 칩의 수가 많아져 제조 비용의 저감을 전망할 수 있다. 수율을 높일 수도 있다. 각 업체는 공급량이 많아지는 타이밍에 8인치로 전환해 나가며 코스트 메리트를 낸다.

8인치 웨이퍼에서 1위를 차지할 것으로 보이는 것이, 현재 SiC 웨이퍼의 세계시장 점유율 60%를 차지하는 미국 Wolfspeed다. Wolfspeed는 22년 4월, 8인치 SiC 웨이퍼 공장을 뉴욕주 모호크 밸리에 새로 만들었다. Wolfspeed CTO인 John Palmour 씨는 “현재는 생산의 인정 프로세스를 진행하고 있는 단계다. 올해 안에 본격적으로 양산해서 고객에게 공급을 시작할 예정이다”라고 말한다.

그리고 Infineon Technologies나 ST Microelectronics, ROHM 등도 실용화 시기를 명시하고 있다. ROHM의 경우는 22년 12월에 가동 예정인 후쿠오카현 지쿠고시의 전(前)공정 신공장에서 제조 설비 일부를 8인치에 대응시켰다. 당분간은 그 설비를 사용해 6인치로 생산하되 24~25년 무렵에 전환할 예정이다.

대구경화 이외의 저비용화 기술도 개발되고 있다. 예를 들어, Infineon Technologies는 기판 업체로부터 조달한 SiC 결정 덩어리 하나로 4장의 웨이퍼를 제조하는 기술을 개발 중이다. 결정 덩어리를 얼려 레이저로 4장으로 절단한다. 이것이 실현된다면 기판 1장당 재료비가 4분의 1이 된다. 현재는 SiC 결정 덩어리 하나로 웨이퍼 2장를 제조할 수 있는 것을 시작(試作)을 통해 확인했다.

-- 미래에는 중국 업체가 위협으로 --
25년 시점의 패권 경쟁을 대비하고 있는 각 업체들은 현재 ‘앞서거니 뒤서거니’하는 단계다. 그러나 25년에는 중국이 유럽이나 미국, 일본의 업체들을 위협하는 존재가 될 것으로 보인다. 중국은 국책으로서 SiC 파워 디바이스의 개발에 힘을 쏟고 있다.

그 성과의 하나로 지역별 SiC 특허 등록 건수에서 18년도에 일본을 제치고 세계 1위에 올랐다. 중국 정부의 적극적 지원을 배경으로 웨이퍼, 디바이스, 모듈 등 각 세그먼트의 지적재산(IP)을 수중에 넣고 국내에서 SiC의 완전한 서플라이 체인을 구축하려 하고 있다.

이 같은 중국의 발흥에 현재의 주요 업체들도 위기감을 드러내고 있다. “현재는 존재감이 미미하지만 25년 시점에서는 큰 위협이 될 가능성이 있다. 국가의 막대한 지원으로 인해 자사에서 투자하지 않아도 설비나 연구가 진전된다면 저비용화가 현저하게 진행된다. 기술이 1, 2세대 늦어도 저렴함을 무기로 시장 점유율을 넓힐 것이다”(ROHM의 이노 씨).

EV 보급이 두드러진 중국은 유럽과 함께 SiC의 거대 시장 중 하나다. 파워 반도체 신상품 출시 이후에 매출로 이어지는 기간은 차량용 인버터의 경우 보통 35년이 걸리지만 중국은 12년이면 된다고 한다. 신기술에 욕심이 많고 속도감이 빠른 중국 시장의 패권을 잡을 수 있을지도 점유율 확대의 중요한 쟁점이다.

그리고 25년을 넘어 30년대로 접어들면 이번에는 소재의 세대 교체를 통해 새로운 경쟁이 생겨날 가능성이 있다. 예를 들어, 세로형 질화갈륨(GaN) 디바이스다. SiC 수준의 내압과 저손실이 실현되면 GaN은 강력한 라이벌이 될 수 있다.

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