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Nikkei Electronics_2022.9 특집 요약 (45~66)

탄화규소(SiC) 파워반도체의 본격 보급
대규모 EV 경쟁으로 수요 폭발

2025년, 탄화규소(SiC) 파워반도체의 본격적인 보급이 시작된다. 자동차 업체들이 전기차(EV) 개발 경쟁을 펼치고 있는 지금, 배터리 용량 증대를 억제하면서 장거리화를 노리려면 스위칭 손실이 적은 SiC 파워 반도체를 인버터에 채택하는 것이 필수이기 때문이다. 반도체 업체들은 수요 급증을 내다보고 대규모 설비투자를 거듭해 생산력과 원가 경쟁력 인상을 서두르고 있다. 그 최전선을 소개한다.

Part 1. 동향
탄화규소(SiC) 파워디바이스, 2025년에 드디어 보급

이전부터 성사될 것으로 기대를 모았던 SiC 파워디바이스의 보급이 드디어 시작되려 하고 있다. 그 터닝포인트가 될 것으로 전망되는 것은 2025년. 파워반도체 업체들은 설비 투자를 확대해 증산과 웨이퍼의 대구경화(大口徑化)를 서두르고 있다.

최근 파워디바이스 기업들이 즐거운 비명을 지르고 있다. “현재, SiC 파워디바이스에 대한 많은 문의가 접수되고 있다. 2025년까지의 안건 규모는 누계 8,400억엔에 이른다”(ROHM의 이노(伊野) 상무집행임원), “연 80~100%의 비율로 SiC 파워디바이스의 매출이 증가하고 있으며, 2025년에는 10억 달러를 돌파할 것으로 보인다”(인피니언 테크놀로지스 재팬의 가토(加藤) 본부장).

그 이유는 일부 선구적 어프리케이션에만 탑재되어 온 SiC 파워디바이스가 2025년을 기점으로 많은 전기자동차에 보급되기 때문이다. 특히 구동용 모터를 제어하는 인버터에서의 채택이 본격화될 전망이다. 이런 수요를 내다보고 파워반도체 업체들은 투자에 투자를 거듭하며 자동차 업체와의 계약 협상에 분주하다.

-- 수급 관계가 2025년에 매칭 --
2025년경에 SiC의 인버터 탑재가 본격화되는 이유는 파워반도체 업체 측의 공급 체제와 자동차 업체 측의 수요가 맞아떨어지는 시기이기 때문이다. 프랑스·이탈리아계의 세계적 반도체 기업 ST마이크로일렉트로닉스와 독일의 인피니언테크놀로지, 롬은 모두 2020년대 전반에 대규모 SiC의 공장을 신설, 공급 체제를 정비하고 있다.

반면, 자동차 업체들은 EV로의 전환을 추진하는 가운데 항속거리라는 장벽에 부딪히고 있다. 도요타자동차의 한 기술자는 "시장이 요구하는 EV의 항속거리를 실현하려면 실리콘(Si)만으로는 도저히 불가능하다"고 말한다. 실제로 EV 구동용 인버터의 파워반도체를 Si에서 SiC로 대체함으로써 항속거리를 약 10% 늘릴 수 있을 것으로 덴소와 롬은 추산하고 있다.

많은 자동차 업체들이 2025년경에 EV의 신차종 투입 계획 발표를 예정하고 있다. 자동차 업체와 파워반도체 업체의 수급 관계가 매칭되면서 2025년에 본격적으로 보급이 시작된다는 것이다.

-- 8인치 웨이퍼 등장도 임박 --
당연히 양산이 진행되면 저비용화에 길이 열린다. 현재까지 인버터에서의 SiC 실용 사례는 미국 테슬라의 ‘Model3’ 등 극히 적으며, 앞에서 소개한 도요타자동차의 기술자도 “1엔 수 십전 단위로 코스트를 계산하는 자동차 업계에 있어 현재의 SiC는 허들이 높다”라고 말한다. 전자부품 판매 대리점인 미국의 애브넷(Avnet)에 따르면, 현재의 SiC 웨이퍼의 코스트는 Si의 약 45배라고 한다.

하지만, 수요가 나오기 시작하면서 파워반도체 업체들은 저비용화를 위한 기술 개발에 주력하고 있다. 그 대표적인 것이 웨이퍼의 대구경화이다. 현재 SiC 웨이퍼의 최대 사이즈는 6인치(약 150mm)이지만, 8인치(약 200mm)화의 기술 개발을 완료한 제조사도 등장하는 등, 곧 시장에 투입될 수 있을 것으로 보인다. 참고로 Si 웨이퍼의 주류는 8인치, 12인치(약 300mm)이다.

IC(집적회로)와 마찬가지로 웨이퍼 구경을 크게 하면 1개의 웨이퍼로부터 추출할 수 있는 칩 수가 많아져 제조 코스트 절감을 기대할 수 있으며, 수율을 높일 수도 있다. 공급량이 많아지는 타이밍에 기업들이 8인치로 전환해 비용 우위를 창출할 수 있다.

8인치 웨이퍼 생산의 첫 주자가 될 것으로 보이는 곳은 현재 SiC 웨이퍼의 세계 시장 점유율 60%를 차지하는 미국의 울프스피드(Wolfspeed)이다. 울프스피드는 올 4월, 8인치 SiC 웨이퍼 신공장을 뉴욕 주 모호크밸리에 개설했다. 이 회사의 팔무어 CTO는 "현재는 생산 인증 프로세스를 진행 중인 단계"라며 올해 안에 본격적으로 양산을 시작해 고객에게 공급할 예정이라고 한다.

울프스피드 외에도 인피니언테크놀로지스와 ST마이크로일렉트로닉스, 롬 등도 실용화 시기를 명시하고 있다. 롬의 경우는 올 12월에 가동 예정인 후쿠오카(福岡) 현 지쿠고(筑後) 시에 있는 전(前)공정의 신공장에서 제조 설비 일부를 8인치에 대응시켰다. 당분간은 해당 설비를 사용해 6인치를 생산하지만 2024~2025년경에 전환할 예정이라고 한다.

대구경화뿐만 아니라 저비용화 기술도 개발되고 있다. 예를 들어, 인피니언 테크놀로지는 기판 제조사로부터 조달한 SiC 불(boule) 하나로 4장의 웨이퍼를 제조하는 기술을 개발 중이다. 불을 냉각시켜 레이저를 이용해 4장으로 절단하는 기술이다. 실현된다면 기판 1장 당 재료비가 4분의 1로 낮아진다. 현재는 1개의 불로 웨이퍼 2개를 제조할 수 있다는 것을 시작(試作)을 통해 확인했다.

-- 앞으로 위협적인 존재가 될 중국 제조사 --
2025년 시점의 패권 경쟁에 뛰어들기 위해 각 기업들은 현재 “쫓고 쫓기는 단계”(롬의 이노 상무)라고 한다. 이러한 가운데 2025년 구미와 일본 업체들을 위협하는 존재가 될 것으로 보이는 것이 중국이다.

중국은 국책으로서 SiC 파워디바이스 개발에 주력, 그 결과, 지역별 SiC 특허 등록 건수에서 2018년에 일본을 제치고 세계 1위가 되었다. 정부로부터의 지원을 배경으로 웨이퍼에서 디바이스, 모듈 등 각 세그먼트의 지적 재산(IP)을 손에 넣어 국내에서 SiC의 완전한 서플라이 체인을 구축하려 하고 있다.

이와 같은 중국의 움직임에 현재 주요 기업들도 위기감을 드러내고 있다. “현재는 존재감이 희박하지만 2025년 시점에서는 큰 위협이 될 수 있다. 국가의 막대한 지원을 통해 투자하지 않아도 설비나 연구가 진전된다면 저비용화가 크게 진행될 것이다. 기술이 1세대나 2세대 늦는다고 해도, 저렴함을 무기로 점유율을 높일 수 있을 것이다”(이노 상무).

EV가 빠르게 보급되고 있는 중국은 유럽과 함께 SiC의 거대 시장 중 하나이다. “파워반도체의 신상품이 매출으로 연결되는 것은 차량용 인버터의 경우, 보통 35년 걸리지만, 중국에서는 12년 걸린다”(이노 상무)라고 한다. 신기술에 탐욕스럽고 속도감이 빠른 중국 시장의 패권을 장악할 수 있는지도 점유율 확대의 중요한 쟁점이다.

그리고 2025년을 넘어 2030년대에 접어들면 이번에는 소재의 세대 교체로 새로운 경쟁이 발생할 수 있다. 예를 들어, 세로형 질화갈륨(GaN) 디바이스이다. SiC 수준의 내압과 저손실이 실현된다면 GaN은 SiC의 강력한 라이벌이 될 가능성이 있다.

Part 2. 글로벌 동향
테슬라의 채택으로 ST가 SiC 1라운드 제압, 롬과 인피니언이 맹추격

2025년의 패권 경쟁은 거의 5개사로 좁혀졌다. EV의 거인 테슬라와 손잡는 ST 마이크로일렉트로닉스를 필두로 인피온테크놀로지스, 울프스피드로 이어진다. 일본에서는 롬이 이름을 올리고 있으며, onsemi도 호시탐탐 상위권을 노리고 있다.

세계시장 점유율 40%(2021년, 금액 기준)로 SiC 파워디바이스 시장에서 타사를 압도하고 있는 곳이 ST 마이크로일렉트로닉스이다. 그 약진의 계기는 2017년에 출하를 개시한 테슬라의 EV ‘Model3’의 구동 모터용 인버터에ST 마이크로일렉트로닉스의 SiC 파워디바이스가 탑재된 것이다. Model3 및 내부 구조가 비슷한 'Model Y'는 올 이사분기까지 누적 230만대 이상을 출고하는 흥행몰이를 하고 있다.

Part 3. 국내 동향
SiC에 적극 투자하는 덴소와 후지전기, 미쓰비시·도시바는 뒤처질 수 있어

일본 파워반도체 업체들은 2021년에 SiC 세계 시장 점유율 상위 10개 사 중 4개 사를 차지하는 등 세계에서 강한 존재감을 드러내고 있다. 하지만, 일본 제조사의 투자 상황을 살펴보면, 구미의 기업과 같이 회사 차원에서 시장 점유율 확보에 적극적인 것은 아니다. SiC 투자에 적극적이지 않은 기업도 있어 2025년 시점의 시장 점유율은 크게 달라질 수 있을 것으로 보인다.

일본의 제조사들이 탄화규소(SiC)의 세계 시장 점유율 상위에 이름을 올리고 있다. 연구개발에도 주력하고 있으며, 2001년 이후의 SiC 관련 누계 특허수는 세계 최정상을 자랑한다. 국내의 주요한 SiC 파워디바이스 제조사로는 Part2에서 이미 소개한 롬과 덴소, 미쓰비시전기, 후지전기, 도시바디바이스&스토리지 등이 있다.

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