어릴 적 오락실에 가면 빨, 노, 파 버튼을 연타하는 게임이 있었다. 버튼을 빨리 누를수록 캐릭터의 달리기 속도가 빨라지는데, 늘 대결 상대는 ‘컴 vs 나’여서 손에 불이 나게 버튼을 눌러도 당최 이길 수 없었다. 사람이 프로그램을 어찌 이기겠냐만, 내 동작이 그렇게 더딘가 하고 빨개진 손을 보며 허무한 기분을 느꼈던 기억이 종종 있다. 눈 깜빡하면 지나는 1초 동안 전력반도체는 약 1,000번 이상 스위칭 동작을 한다. 이때 전기를 전환하는 부분에서는 전압, 전류, 주파수, 직류/교류 등 전기의 형태를 변환한다. 스위칭 동작이 빠르면 전기 신호를 변환하는 속도와 정밀도가 높아져 더 효율적인 전력 변환이 가능하다.

전력반도체의 약 95%는 Si(실리콘)을 재료로 삼는다. 가격이 저렴한 데다 전기 전도와 형태 제어가 용이해서 사실상 반도체의 표준인 소재다. 그러나 현대에 들어 전기차, 전력 그리드, 5G 인프라, 공정 자동화 등 고부가 가치 산업이 가속화되면서 고전압, 고전류, 고압 등 극단적인 수준의 효율성이 강조되고 있다. Si이 물리적 한계에 봉착하자 이를 보완하고자 GaN(질화갈륨)과 SiC(탄화규소)가 대표적인 대안으로 떠올랐고, Ga2O3(산화 갈륨), AlN(질화알루미늄)와 같은 소재들도 뒤를 이었다.

Si은 열팽창계수가 커 고온의 환경에서는 안정성과 내구성이 떨어진다. 그래서 대략 150℃가 넘으면 반도체 성질을 잃어버린다. SiC는 이를 보완하고자 Si에 C(탄소)를 1:1로 결합한 물질이다. 물리화학적으로 매우 안정적이면서 단단하다. 다이아몬드 모스 경도가 10이면 SiC는 9.2~9.3에 달한다. Si과 달리 온도에 상관없이 반도체 성질을 유지하고, 절연 파괴전계(Breakdown Voltage)가 Si(0.3MV/cm) 보다 10배나 높다. 이는 높은 전압을 걸어도 반도체에 문제가 생기지 않고 적절한 동작을 하게 한다. GaN은 Ga(갈륨)과 N(질소)로 구성된 화합물이다. 1990년대 후반, 청색 발광다이오드(LED)에 사용되면서 유명해졌다. 하지만 최근 높은 전자 이동성과 강한 파괴 전압, 우수한 열전도 특성으로 높은 주파수 효율이 필요한 RF 소자나 고속 충전에 가장 이상적인 소재로 평가받고 있다.

반도체 산업이 SiC과 GaN에게 기대하는 점 중 하나는 ‘적은 전력손실’이다.

두 소재가 Si에 비해 전력 손실이 적은 비결은 ‘와이드 밴드갭(Wide Band-Gap)’ 이다. 밴드갭은 전도대와 가전자대 사이의 틈(거리)을 말한다. 전자는 이 사이를 넘나들며 전기에너지를 통하게 한다. 모든 물질은 고유한 밴드갭을 갖는데, 실리콘은 1.2eV, SiC는 3.3eV 그리고 GaN은 3.4eV로 이 중 가장 높다. 에너지(전류, 열 등)가 물질에 가해지면 가전자대에 있던 전자가 전도대로 올라온다. 우리는 이때 ‘전류가 흐른다’고 인식한다. 그렇다고 밴드가 너무 넓으면(4eV 이상) 전자가 전도대까지 도달하기 힘들다. 그래서 0.1eV~4eV 사이는 반도체, 그 이상은 부도체로 본다.

밴드갭이 좁으면 전자가 전도대에 닿기 쉽다. 전도대까지 올라간 전자는 자유롭게 이동할 수 있는 ‘자유전자’가 된다. 즉, 밴드갭이 좁으면 자유전자 생성이 많아진다. 전자의 이동량이 많아지면 격자와 충돌이 잦아지면서 열에너지가 생긴다. 만약 100W의 전력을 공급했는데 30W가 열로 손실됐다면 70%의 효율만 얻게 된다. 게다가 과도한 열은 전자이동도를 감소시키거나 누설 전류를 증가시켜 더 많은 전력을 소모한다. 반면, 밴드갭이 넓으면 전자가 전도대에 닿기 위해 훨씬 많은 에너지가 필요하다. 에너지가 부족하면 전자 대부분이 가전자대에 머물러있기 때문에 자유전자가 줄어 전력 손실을 방지할 수 있다.

그러나, 밴드갭이 넓으면 더 많은 에너지가 필요하니 낮은 전압에서 작동하는 시스템에서는 에너지 효율이 떨어진다. 그래서 고전압, 고주파 환경에서 사용하는 전력반도체에 주로 쓰인다. 고온의 환경은 밴드갭을 좁아지게 하는 경향이 있어서 처음부터 밴드갭이 넓다면 고온에서도 여전히 넓은 밴드갭을 유지하며 자유전자의 이동을 제어할 수 있다. 그래서 SiC와 GaN은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체라 불리며 높은 주파수와 전압, 고온 환경에 적합한 소재로 주목받는다.

이런 장점으로 GaN과 SiC 전력반도체의 시장 규모는 2032년 약 150억 달러를 넘을 것(global market)으로 예측됐다. 사용된 기간이 짧고, Si에 비해 2~3배가량 비싸서 상대적으로 규모는 작지만 각국 정부들이 전력반도체 산업의 성장세와 안보상 중요성을 고려해 자국 내 WBG 전력반도체 생산 역량을 갖추기 위해 발 빠르게 움직이고 있다.

두 소재 중 전력반도체 시장에서 먼저 주목받은 것은 SiC다. SiC는 전력 송배전, 산업용 인버터, 풍력 및 태양광 발전과 같은 산업용 장비에서 오래전부터 기술적 신뢰성을 입증받아왔다. 특히 현대에 들어 유명 전기차 제조업체들이 SiC를 채택하면서 시장이 빠르게 확대됐다. 전기차 속에는 약 60~80개가량의 전력반도체가 들어간다. 높은 전압의 배터리를 한정된 공간에 배치해야 하는 특성상 초고전압과 초고열에 견딜 수 있어야 한다. 전기차용 전력반도체는 에너지 변환과 제어를 담당하며 인버터, 컨버터, 온보드 충전기, 배터리 관리 시스템 등에 사용된다. SiC 전력반도체가 적용된 전기차 인버터는 Si 반도체 인버터보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 부피와 무게도 줄어든다. 전력손실을 줄이면서 차체의 중량도 줄일 수 있으니 e-모빌리티 용 최적의 소재라 평가받는다. 프랑스 시장조사업체 Yole Group 자료에 따르면, 2022년 SiC 전력반도체 시장은 1,794M 달러, GaN 전력반도체 시장은 184.9M 달러 규모였으니 SiC 전력반도체 시장 규모가 확연히 컸던 것을 알 수 있다.

반면 GaN은 2000년대 중반부터 본격적으로 전력반도체 분야에서 사용되기 시작했다. 초기에는 주로 통신, 레이저 및 LED 분야에 사용되다가, 이후 전력반도체로서의 가능성을 점차 인정받기 시작하면서 최근 몇 년 사이 시장이 활발해졌다. 사용이 늦었던 데에는 기술적 한계가 컸다. GaN은 그 자체를 기판으로 쓰기보다 Si, SiC, Sapphire(사파이어) 등 다른 재료로 만든 기판 위에 GaN 박막을 성장시키는 것이 일반적이다. 그런데 서로 다른 물성을 가진 두 개의 층을 성장시켜야 하므로 제조 난이도가 매우 높아 수율을 끌어올리기가 어려웠다. 그래서 SiC가 6에서 8인치 대량 생산 기술로 전환되었을 때도 GaN은 4에서 6인치로 전환된 작은 사이즈를 쓰고 있다.

그렇다면 GaN 시장은 언제 커지는 걸까. GaN은 전력반도체 시장에서 상대적으로 늦게 채택되긴 했지만 최근 들어 그 적용 범위가 크게 확장된 흐름을 보인다. 소재를 생산에 적용하기까지 기술 난도가 높아 상용화에 어려움을 겪었으나, 아이브이웍스(IVWorks)와 같은 전문 에피 하우스의 등장은 GaN 시장의 활발한 전개를 가능케 만들었다.

그럼 SiC가 GaN 보다 나은 물질인가?

전도대에 도달한 전자들의 이동 특성인 ‘전자이동성’을 살펴보면 실리콘은 1,450cm2/Vs, GaN은 1,500cm2/Vs다. 그러나 SiC는 900cm2/Vs 정도로 작아서, 고속 스위칭 애플리케이션에는 그다지 적합하지 않다. SiC는 Si보다 더 단단하고 복잡한 결정구조를 갖고 있는데, 전자와 격자 진동(phonon)의 상호작용이 강해서 전자가 움직이는 동안 산란되어 이동 속도가 느리다. 그리고 SiC의 유효 질량이 Si보다 크기 때문에, 전자의 이동이 상대적으로 둔하다.

전자 이동도가 높으면 빠른 스위칭이 가능해 저 전력 전자 장치에서 효율적인 전력 제어와 고속 스위칭이 가능하다. 그러나 전자가 빠르게 이동하는 만큼 충돌과 발열이 증가한다. 반대로, 전자 이동도가 낮으면 발열 관리에 용이하다. 그리고 보통 구조적으로 안정적이기 때문에 높은 내구성을 가진 경우가 많다. 그래서 고온이나 거친 환경(산업용)에서 작동하는 전자 장치에 유리하다. 하지만 스위칭 속도가 낮고 고속 데이터 전송 같은 속도와 대역폭을 제한하기에 고속 통신 시스템이나 RF 응용에서는 불리할 수 있다.

두 소재는 모두 밴드갭이 넓어 전력 손실이 적다는 공통적인 장점으로 고온 및 고전압 환경에서 유리한 소재다. 하지만 어떤 소재가 더 좋다고 명확하게 말하기 어렵다. GaN은 높은 전자이동도와 고속 스위칭 특성 덕분에, 고주파나 고속 통신 시스템, 소형화와 고효율이 중요한 애플리케이션에 적합하다. SiC는 고온, 고전압, 고 내구성이 요구되는 시스템에서 안정성과 효율을 발휘하며 전기차, 재생 에너지 시스템, 전력 변환기 등에 유리하다. 소재의 특성에 따라 특화된 애플리케이션으로 전력반도체 시장에서 공존하는 구조를 갖는다.

하지만, 두 소재의 경쟁 영역이 아예 없는 것은 아니다. 주로 산업, 고성능 전자기기에 쓰이는 650~1200V 중간 전압 영역에서는 대체 가능성이 있다. 전기차의 온보드차저(OBC), DC-DC 컨버터, 고속 충전기, 5G 기지국의 전력 공급 장치 등이 해당된다. 이 범위는 저전압에서 고전압 애플리케이션으로 넘어가는 중간 단계로 산업과 소비자 시장을 잇는 부분이다. 때문에 전력반도체 소재 경쟁이 가장 치열한 곳 중 하나다. 그래서 두 소재의 관계에 대한 정의는 업계 전반에 걸쳐 논의되는 큰 논쟁 포인트다.

전문가들의 관점은 다양하다. 다만, 공통적인 시각은 SiC와 GaN의 단순한 기술적 우위보다, 각 소재가 가진 강점이 어떻게 활용되어 미래 산업에 영향을 미칠지 주목한다는 점이다. 이 두 소재가 전력반도체 시장에서 어떤 방식으로 공존하며, 기술 발전과 시장의 요구를 어떻게 충족해 나갈지는 앞으로도 주목할 만한 중요한 논쟁의 주제가 될 것이다.

Yoon-Seo Cho l Marketing Manager at IVWorks

※ 본 칼럼은 기고자의 주관적인 견해로, 아이브이웍스의 공식 입장과 다를 수 있습니다.