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Nikkei X-TECH_2023.10.24

도요타와 덴소, SiC 웨이퍼 확보에 분주
EV 수요에서 쟁탈전

차세대 파워반도체 소자 제조에 필수적인 실리콘 카바이드(SiC, 탄화규소) 웨이퍼의 안정적 조달에 일본 기업들이 분주하다. 덴소와 미쓰비시전기는 각각 SiC 웨이퍼를 제조하는 신생 기업에 5억 달러(약 745억엔)씩 출자한다.

도요타자동차는 SiC 웨이퍼의 품질 향상 기술을 보유한 스타트업 기업과 기술협력을 하기로 했다. 르네사스 일렉트로닉스는 SiC 웨이퍼 최대 기업에 20억 달러(약 3,000억 엔)의 예탁금을 지급하고 장기 공급 계약을 체결했다. 고품질 SiC 웨이퍼를 확보하기 위해 자동차 업계를 중심으로 일본 업체들이 크게 움직이기 시작했다.

일본 기업들이 SiC 웨이퍼 조달에 적극적인 이유는 SiC 파워 소자의 수요가 앞으로 크게 확대될 것으로 전망되기 때문이다. 시장조사업체인 후지경제에 따르면, 2022년에 1707억 엔이던 SiC 시장은 2030년에 2조 2080억 엔까지 급성장할 전망이다.

파워반도체 시장 전체에서 차지하는 비중도 2022년에는 10%가 채 되지 않았지만 2030년에는 30% 가까이 차지할 것으로 예측된다. 그에 따라 SiC 웨이퍼 시장도 급성장한다. 후지경제에 따르면, 22년에 3억 5840만 달러(약 535억엔)였던 SiC 웨이퍼 시장은 30년에 22억 1440만 달러(약 3310억 엔)까지 성장할 것으로 예측했다.

성장의 견인 역할은 자동차다. 전기자동차(EV)에서 대폭적인 수요 증가가 전망되고 있다. 차량탑재 충전기와 DC-DC 컨버터, 메인 모터를 구동하는 인버터 등이다. 지상에 설치하는 급속 충전기에서도 SiC가 활약한다.

SiC가 주목받는 이유는 일반적인 실리콘(Si)에 비해 전력 손실을 크게 줄일 수 있기 때문이다. 전력 손실의 저감은 항속거리의 연장으로 이어진다. 같은 항속거리라면 전력 손실이 적은 만큼 배터리 용량을 줄일 수 있으므로 배터리 비용을 절감할 수 있다. 이러한 이점 때문에 고급 EV부터 서서히 도입되고 있다. 앞으로는 그 움직임이 더욱 가속될 것이고, 25년 무렵을 경계로 많은 EV에서 SiC가 채택될 것으로 보인다.

앞으로 SiC 파워 소자의 수요가 급격히 늘어나면 웨이퍼 조달이 사업 성패를 좌우한다. 그 때문에 파워반도체 기업들이 SiC 웨이퍼를 확보하기 시작했다. 지금까지는 SiC 파워 소자의 제조 거점에 고액을 투자하고 있는 해외 기업이 중심이었다. 최근에는 자동차 업계를 중심으로 일본 기업들이 거액을 투자하며 SiC 웨이퍼 쟁탈전에 참전하고 있다.

-- 포문을 연 르네사스 --
23년에 포문을 연 곳은 르네사스 일렉트로닉스다. 르네사스는 23년 7월, SiC 웨이퍼 최대 기업인 미국 Wolfspeed와 10년간에 걸친 장기 공급 계약을 체결했다. 르네사스는 20억 달러(약 3000억 엔)의 예탁금을 지급한다.

이 예탁금은 투자액이 수십억 엔에서 수백억 엔이던 파워반도체 업계, 특히 일본의 파워반도체 기업들에게 매우 높은 금액이다. 그렇게까지 해서 SiC 웨이퍼를 요구하는 것은 르네사스가 SiC 업계에서 ‘새내기’인 것과 관련이 있다.

지금까지 Si 파워 소자를 전개하고 있고, SiC 파워 소자의 양산을 시작하는 것은 25년이다. SiC 웨이퍼 구매에서 실적이 없는 르네사스 입장에서는 SiC 사업에 대한 ‘진심’을 나타내는데 예탁금 지불이 필요했다고 보인다. 이 계약으로 르네사스는 현재 주류인 구경 150mm(6인치) SiC 웨이퍼와 향후 본격적으로 양산되는 구경 200mm(8인치) SiC 웨이퍼를 조달한다.

-- 덴소, 미쓰비시전기가 참전 --
23년 10월 들어서자 더 많은 일본 기업들이 SiC 웨이퍼를 조달하기 위해 움직였다. 미쓰비시전기와 덴소는 각각 SiC 웨이퍼를 제조하는 미국의 신생 기업 Silicon Carbide에 5억 달러(약 745억엔)를 출자하겠다고 밝혔다. 이에 따라 덴소와 미쓰비시전기는 각각 Silicon Carbide 주식의 12.5%를 보유하게 된다.

이 출자를 계기로 덴소와 미쓰비시전기는 각각 Silicon Carbide와 SiC 웨이퍼의 장기 공급 계약을 체결했다. 양사는 6인치 제품과 8인치 제품을 안정적으로 조달할 수 있게 된다.

Silicon Carbide는 글로벌 소재 부품 기업인 미국 코히런트(Coherent)가 SiC 웨이퍼 사업을 시작하면서 23년 4월에 설립한 회사다. 코히런트는 그 전신인 II-VI(투식스) 시절부터 SiC 웨이퍼를 제조해 왔다. 그 중에서도 고주파 소자에서 이용되는 ‘반절연형’ SiC 웨이퍼에서 높은 실적을 보유하고 있다. 파워소자용도 전개하고 있으며, 파워소자용에서 최대 기업인 Wolfspeed의 뒤를 쫓는 입장이다.

덴소는 차량탑재 반도체 대기업으로 SiC 파워소자와 이 소자를 이용한 인버터 기업이다. 미쓰비시전기는 차량탑재뿐만 아니라 재생가능에너지나 산업기기 전용 등 다양한 시장을 위해 SiC 파워소자를 탑재한 모듈품(파워모듈)을 전개한다.

각각 SiC 파워 소자 양산에 주력하는 모습이다. 예를 들면, 미쓰비시전기는 약 1000억 엔을 투자해 새롭게 SiC 파워 소자 공장을 구마모토현에 건설한다. 26년부터 가동할 예정이다. 기존 설비의 증강과 함께 미쓰비시전기의 SiC 파워 소자 생산 능력을 26년도에 22년도 대비 약 5배로 늘릴 계획이다. 원래 미쓰비시전기는 이 신설 공장을 위해 코히런트와 8인치 웨이퍼의 공동 개발에 착수하고 있었다.

-- 도요타가 주목한 스타트업 --
도요타자동차도 움직였다. 품질이 좋은 SiC 웨이퍼의 안정적 공급 체제를 구축하기 위해, SiC 웨이퍼의 품질과 생산성을 높이는 기술을 보유한 스타트업 기업 QureDA Research(효고현, 이하 QureDA)와 ‘기술개발 업무 위탁 계약’을 체결했다. 주로 양산 기술로 지원한다.

QureDA는 간사이학원(간사이학원대학 등을 운영하는 학교법인)과 도요타통상이 절반 출자해 23년 3월에 설립한 연구개발 기업이다. QureDA의 최고기술책임자(CTO)이자 간사이학원대학 공학부의 가네코(金子) 교수 연구팀의 성과를 바탕으로 한 ‘Dynamic AGE-ing(DA)’ 기술을 핵심으로 한다. SiC 결정에서 웨이퍼를 잘라낼 때 생기는 결정 결함이나 변형을 열처리 등을 통해 대폭 줄인다. 이는 SiC 파워 소자의 품질이나 수율 향상으로 이어진다.

이번 계약을 계기로 DA 기술의 실용화를 위해 양산설비 개발과 품질보증 체제 구축에 드는 업무를 도요타에 일부 위탁한다. 도요타가 자동차 제조에서 쌓은 기술 노하우를 QureDA에 제공한다.

예를 들면, 제품 열처리에 관한 공정 계획이나 설비개발, 품질보증에 대한 생각이다. 소형재(소재에 열이나 힘을 가해 형성되는 부재)의 열처리 기술이, 열관리가 중요한 DA 기술과 친화성이 있다고 한다. 또한 양산 품질을 계속 유지하기 위해 표준화해 온 규칙 관련 노하우를 QureDA에 제공해 나간다.

QureDA는 SiC의 결정 품질을 높이는데 필요한 결정 평가 기술도 전개한다. DA 기술이나 결정 평가 기술을 외부에 제공해 나간다. DA 기술을 적용한 8인치 SiC 웨이퍼 제품의 25년도 출시를 목표로 활동하고 있다.

■ 키워드
SiC: 탄소(C)와 실리콘(Si)의 화합물로 실리콘 카바이드나 탄화규소라고도 불린다. 다결정과 단결정이 있으며, 파워반도체로 이용되는 것은 단결정이다. Si에 비해 파워반도체로서 재료 특성이 우수하기 때문에 차세대 파워반도체의 하나로 여겨진다.

컨버터나 인버터와 같은 전력변환기에 SiC 파워반도체 소자(파워 소자)를 적용하면 Si에 비해 전력 손실을 크게 줄일 수 있다. Si 파워 소자로는 동작이 어려운 섭씨 200도 이상의 고온에서도 작동한다. 전력 손실이 작고, 고온 동작이 가능하다는 특징 때문에 전력변환기의 소형화에 적합하다.

SiC는 특성이 뛰어나지만 비용이 비싸다. 특히 파워 소자를 만들기 위해 필요한 SiC 웨이퍼 비용이 Si 웨이퍼에 비해 비싼데다 구경이 작다. 하지만 이러한 과제는 해결되고 있어 해마다 채택이 늘고 있다. 2025년부터 전기자동차에서 SiC가 단숨에 이용될 전망이다. 이 외에 에너지 인프라나 재생가능에너지, 철도, 산업기기와 같은 고출력/고내압이 필요한 용도에서 점차 SiC 파워 소자가 채택될 것이다.

 -- 끝 --

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