[기고]전력반도체, 탄소 중립과 산업 디지털화의 핵심

전력반도체는 전력을 변환·변압·분배·제어해서 에너지 효율을 개선하는 반도체다. 고부가가치 신산업이자 경제 안보 핵심 기술이다. 또 세계적으로 탄소중립 전환과 산업 디지털화의 핵심 부품으로 떠오르고 있는 부품이다.

다양한 산업 분야에서 활용이 증가 추세다.

범지구적인 환경 규제와 에너지 효율 규제 목표를 달성하기 위해 고효율·고밀도 개발이 가능한 차세대 전력반도체 수요가 급증하고 있다.

국제에너지기구(IEA)는 전력반도체 기술이 전력 분야 효율 향상에서 온실가스 감축 기여도가 가장 높은 정책 수단으로 전망하고 있다. 온실가스 감축 기여도 또한 가장 높은 수단이 될 것으로 기대된다.

전력반도체 수요 시장은 산업기기·내연기관차량·가전제품 등 기존 산업에서 친환경 자동차, 신재생에너지, 사물인터넷(IoT)·모바일기기, 이 모빌리티(E-mobility), 철도, 산업용 모터, 풍력 등 미래 첨단사업으로 범위가 크게 확대됐다. 기술적으로 전력반도체 효율을 향상하기 위해 실리콘(Si) 포함 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 다양한 신소재를 활용한 화합물반도체 기술이 시장에 등장했다.

최근 기술적으로 주목받고 있는 화합물반도체는 밴드갭(WBG)이 기존 실리콘보다 더 큰 물질이다. 실리콘 대비 더 높은 임계 항복 전계, 낮은 누설전류 특성을 띤다. 고전압, 고효율, 소형화가 가능한 차세대 소재다. 신소재가 활용됨에 따라 소자 설계, 제조 기술, 파워 집적회로(IC) 설계기술, WBG 전력 모듈 기술, 패키지 소재, 신뢰성 등 전력반도체 기술 개발도 필요한 상황이다.

시장조사기관 옴디아에 따르면 글로벌 전력반도체 시장은 2021년 537억달러에서 2026년 747억달러 규모로의 폭발적인 성장이 전망된다. 특히 SiC 전력반도체는 전기차 등에서 빠르게 채택되고 있다. 욜(Yole) 연구소에 따르면 탄화규소 전력반도체 시장은 2021년 10억달러에서 2027년 63억달러 규모로의 성장이 전망된다.

글로벌 전력반도체 시장은 유럽(인피니언, ST마이크로 등), 미국(TI, 온세미 등), 일본(ROHM, 르네사스 등) 등 글로벌 대기업이 시장을 주도하고 있다. 우리나라에서도 차세대 전력반도체 산업 육성을 위해 지난해 전략을 발표한 바 있다. 화합물반도체 등 차세대 전력반도체 시장을 선제적으로 대응, 생태계 확보와 시장 선점을 전략 목표로 내걸었다. 연구개발(R&D) 투자 계획도 나왔다.

해외 기업이 주도하고 있는 전력반도체 시장에서 우리는 아직 극복해야 할 과제가 많다. 산·학·연·관 협력이 매우 절실하다. 실리콘 기반 전력반도체 시장은 기술성숙도와 시장 지배력 등에서 유럽·미국·일본 기업이 주도하고 있다. 화합물반도체 등 차세대 전력반도체 시장에서 우리는 기회를 잡아야 한다.

신뢰성 있는 화합물반도체 소자 기술 확보와 이를 구동하기 위한 파워 IC, 전력변환모듈 기술 확보가 중요하다. SiC, GaN 등 신소재 기반 전력반도체 기술에 대한 소재-소자-파워 IC-모듈 간 협력 생태계 구축이 중요하다. 이뿐만 아니라 R&D 지원, 인력 양성 등으로 글로벌 대기업과의 격차를 해소해야 한다.

전력반도체 기술 패러다임이 변화하고 있는 미래 첨단 산업에서 우리가 경쟁력을 갖추기 위해서는 기술 변화를 빠르게 인지하고 준비해야 한다. 전력반도체 산업기술 변화는 우리에게 국내 반도체 산업의 입지를 한층 더 끌어올릴 기회가 될 수 있다. 탄소중립 대응과 에너지 기기 디지털화의 핵심 기술로 떠오른 화합물 기반 전력반도체는 이제 시장 태동기이자 기술 개발 투자의 골든타임이다. 산업계와 정부 간 협력으로 기술 경쟁국과의 경쟁에서 우위를 확보하고 미래 반도체 산업의 먹거리 창출에 힘써야 한다.

구용서 단국대 전자전기공학부 석좌교수 yskoo@dankook.ac.kr