일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.10.7

도요타, 양산 EV에 SiC
인버터에 탑재해 1조엔 시장 시야

일본의 대형 자동차 업체가 마침내 움직이기 시작했다. 도요타자동차와 혼다는 각각 전기자동차(EV)에 차세대 파워 반도체인 SiC(실리콘 카바이드, 탄화규소)를 본격 채택한다. 그동안 해외 자동차 업체들이 적극적이었고, 일본 자동차 업체들은 조심스러웠다. 도요타, 혼다 등 일본계 대기업 2곳이 채택하면서 ‘SiC 시장 1조엔’의 길이 보이기 시작했다.

도요타는 2022년 출시 예정인 ‘렉서스’ 브랜드의 신형 EV ‘RZ’에, 혼다는 26년 이후에 출시 예정인 중형, 대형 EV에 SiC 파워 반도체 소자(파워소자)를 채용한다. 모두 모터를 구동하는 인버터에 탑재한다. 그동안 양사는 SiC 파워소자를 시판차에 채택한 적은 있었지만 대상은 연료전지차(FCV)의 승압 컨버터로 한정적이었다. 인버터라는 파워트레인의 핵심 부분에 SiC 파워소자를 채택하는 것은 처음이다.

SiC 파워소자의 채택에서 앞서고 있던 것은 해외 기업이다. 미국 테슬라는 EV ‘모델3’의 인버터에 SiC 파워소자를 채용. 한국의 현대자동차 그룹은 EV 전용 플랫폼 ‘E-GMP(Electric-Global Modular Platform)’의 인버터에서 이용하고 있다.

중국의 EV 업체인 NIO도 EV에 SiC 파워소자를 채택하기 시작한 것으로 알려졌다. 미국 제너럴모터스(GM)도 공급업체와 SiC 파워소자의 장기 공급 계약을 체결했다. 유럽의 자동차 업체들도 SiC 파워소자의 채택에 긍정적이라고 한다.
 

자동차 업체가 SiC 파워소자에 관심을 기울이는 이유는 현행 Si 파워소자에 비해 전력손실을 크게 줄일 수 있기 때문이다. 이를 통해 인버터와 같은 전력변환기를 소형화할 수 있다. 인버터에 적용할 경우 저손실이기 때문에 항속거리를 늘릴 수 있다. 일반적으로 Si 파워소자에서 SiC 파워소자로 대체하면 5~10%의 전비 개선 효과를 전망할 수 있다.

전동 차량에 안성맞춤인 특성이지만 SiC 파워소자의 비용은 Si 파워소자의 몇 배로 비싸다. 때문에 현재는 고가형 EV에 채택하는 것이 중심이다. 그러나 저손실성은 구동 시스템 전체의 비용 절감으로 이어지는 경우가 있다.

예를 들면, 같은 항속거리라면 인버터를 저손실로 할 수 있는 만큼 차량탑재 2차전지(배터리)의 용량을 작게 할 수 있으므로 시스템 비용 삭감으로 이어진다. SiC는 Si보다 고온 동작에 적합하기 때문에 냉각기구를 간소화할 수 있고, 그만큼 비용을 절감할 수 있다.

-- 대조적인 도요타와 테슬라 --
이러한 비용 절감의 메리트를 쉽게 얻을 수 있는 것은 배터리 용량이 크고, 구성이 비교적 심플한 EV이다. 하이브리드차(HEV)에서는 이러한 비용 절감 효과가 약하다. 이런 배경에서 HEV를 주력 전동 차량으로 하는 일본 자동차 업체들은 SiC 파워소자의 본격 채용을 주저했다.

또한 Si 파워소자에 비해 안정 조달이나 신뢰성 확보가 어려운 것도 한 요인이다. “일본의 대형 자동차 업체의 신뢰성 기준은 높고, 장수명을 요구한다. 게다가 비용에 엄격하다.

고신뢰성과 장수명의 SiC 파워소자는 참치에 비유하면 ‘뱃살’이다. 지금은 비용이 비싸기 때문에 보급 가격대 EV에 탑재할 수 없다”(차량탑재 파워반도체에 정통한 기술자). 그래서 도요타는 고급차 브랜드 렉서스의 인버터부터 채용했다.

대조적인 것은 테슬라다. 테슬라는 몇 년만 작동하면 된다고 잘라 말한다. 극단적으로 말하면 SiC 파워소자에 문제가 생기더라도 다른 부분에서 보완하거나 교체하면 된다는 설계 사상이다. 일본의 대형 자동차 업체와는 사상이 근본적으로 다르다. 그것이 테슬라가 SiC 파워소자의 채용에서 앞선 이유이기도 하다.

고급차에만 채택하는 것이지만 신기술 채택에 신중하다는 도요타가 SiC 파워소자를 인버터로 채용한 임팩트는 크다. SiC 파워소자는 2001년 제품이 등장한 이후 산업기기와 태양광 발전시스템용 파워컨디셔너, 철도 등의 용도를 중심으로 채용이 서서히 확산돼 왔다.

그런 SiC 파워소자 업계가 오랫동안 목표로 해 온 것이 자동차 시장이다. 산업기기 등에 비해 대수가 많고, SiC 파워소자 채택이 본격화되면 시장이 성장한다. 뿐만 아니라 '고성능이지만 비용이 비싸다'는 오랜 과제를 양산 효과로 해결할 수 있기 때문이다.

자동차에 대한 채용을 가격이 일단 떨어지기 시작하면 다른 분야에서도 SiC 파워소자를 채택하기 쉬워진다. 그러면 더욱 양산 효과가 발휘돼 갈수록 비용이 낮아지는 선순환이 생긴다.

파워소자 업계와 파워소자 사용자인 파워일렉트로닉스 업계는 도요타의 SiC 파워소자 채택이 이 선순환의 계기가 될 것이라고 기대하고 있다. 상황이 이렇다 보니 파워소자 업체들은 SiC 파워소자 증산 계획을 내놓고 제조에 필요한 웨이퍼(기판) 업체들도 생산 능력을 증강하고 있다.

-- 진정한 보급기는 올까? --
시장 예측도 강세다. 시장조사 회사인 후지경제가 22년 5월에 발표한 데이터에서는, 22년의 SiC 파워소자의 시장 규모를 전년 대비 약 60% 증가한 1,206억엔으로 예측. Si 파워소자의 5.4%로 전체적으로 보면 아직 작지만 1,000억엔대로 오를 전망이다. 게다가 2030년 SiC 파워소자의 시장 규모는 9,694억엔으로 1조엔 가까이 달해 Si 파워소자의 약 1/4에 육박할 것으로 보고 있다.

그러나 이것으로 SiC 파워소자가 보급기에 들어갔다고 생각하는 것은 성급할지도 모른다. 일찍이 도요타 브랜드의 전동차량 '프리우스'나 '아쿠아'에서 20년 무렵부터 SiC 파워소자가 단계적으로 채택될 것이라고 예측했었다. 그런데 실제로는 SiC 파워소자의 채택은 미뤄졌고 대신 ‘RC-IGBT(역도통형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)’라 불리는 신형 Si 파워 소자가 탑재됐다.

이번에 도요타는 렉서스 브랜드인 RZ에 SiC를 채택했지만 비슷한 시기에 발표한 보급가격대에 해당하는 도요타 브랜드 EV 'bZ4X'에서는 비용 때문에 Si IGBT를 채택했다. 도요타 브랜드의 EV에 채용돼야 비로소 SiC 파워소자가 보급기에 접어들었다고 할 수 있다. 과연 그때는 올 것인가? 파워소자 업체들이 SiC 파워소자의 대폭적인 증산 체제 구축을 마무리하는 25년 무렵이 분수령이 될 것으로 보인다.

 -- 끝 --

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