◎에너지 효율 혁신의 중심에 전력반도체가 있다

LG경제연구원 '에너지 효율 혁신의 중심에 전력반도체가 있다'

전력의 발전부터 소비까지 각 단계에서 전력반도체는 에너지 효율 개선을 위한 필수 부품으로 사용되고 있다. 글로벌 신기후 체제 등장으로 기존 산업에서의 전력 고효율화, 전기차의 연비 개선, 에너지 신산업의 성장이 가속화되면서 전력반도체의 파급력이 더욱 커질 전망이다.

전력반도체는 효율적 전력 변환의 핵심

 

‘반도체’ 라는 단어를 보고 떠오르는 것은 정보(Data)를 기억(Memory)하거나 혹은 처리(Processing)하는 전자부품일 것이다. 입력되는 정보의 형태는 2진법(0과 1)의 디지털 신호이며 반도체는 이를 제어하는 부품이라 할 수 있다. 한편, 입력 형태가 전기에너지(전력)이고 이것을 변환(Conversion) 제어하여 새로운 전력 신호로 바꾸는 반도체가 있다. 이를 ‘전력’ 반도체(Power Semiconductor)라 하며, 구체적으로는 전력 패턴을 바꾸거나 필터링하는 등의 역할을 수행한다.

전력반도체는 우리에게 친숙한 IT 및 가전 제품에 이미 사용되고 있다. 각종 기기에 내장되어 각각의 부품들에 필요한 전력을 공급 제어하는 매우 중요한 역할을 담당한다. 예를 들어, 스마트폰 한 대당 6~8개가 들어가는 PMIC(파워 모듈 IC)가 전력반도체다. 이 부품만으로 10조원 규모의 시장을 형성할 만큼 전력반도체는 많이 쓰이고 있다.

 

전력반도체가 에어컨, 냉장고, TV, 스마트폰 등 최종 소비제품들에만 쓰이는 것은 아니다. 전기의 생산(발전) 단계부터 변환, 저장, 소비 단계(서비스)까지 전체 흐름에서의 각 단계에서 필수적으로 쓰이고 있다. 직류-교류 변환, 전압 상승 등 전력 제어를 하는 과정에서 에너지 손실을 얼마나 줄일 수 있는지(효율을 높일 수 있는지)가 상당부분 전력반도체에 의해 좌우된다. 특히 발전, 송배전, 저장을 거치는 과정에서 수십 킬로 볼트 이상 고전압(High Voltage)이 사용되는 등의 각종 가혹한 환경에서는 고장(Error)없이 안정적이면서 에너지 변환 손실 없이 작동되는 것이 무엇보다 중요하다.

 

최근 파리에서 개최된 제21차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 교토의정서 이후 새로운 기후체제(일명 파리협정)가 합의되었다. 각국들은 보다 적극적으로 기후 변화 대응을 위해 신재생 에너지의 비중 확대, 에너지 사용의 효율화 가속 등의 방안 모색을 할 것이다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 신기후 체제 대응을 위해서는 2030년까지 15년간 16조 5000억 달러 규모를 신재생에너지 및 에너지 효율 강화에 투자해야 할 것으로 평가하고 있다. 전력 산업의 경우 발전의 저탄소화, 송배전의 초고압 직류화, 전기의 저장 장치 및 시스템 등 분야에서 시장의 성장이 예상된다. 또한 각각 분야별 에너지 고효율화가 강조될 것이다. 기존 전력반도체를 넘어 고전압, 고열 등에 견딜 수 있는 보다 혁신적인 전력반도체가 요구되는 이유이다. 각 단계별로 기존 효율을 각 1~2%씩만 높여도, 결과적으로 전체 합으로 보면 상당 수준의 효율을 높일 수 있기 때문에 획기적인 가치 창출 기회가 될 것으로 보인다. 1~2%만 높여도 기존 전력 산업의 규모와 성숙도를 고려할 때 매우 큰 가치를 창출하는 것이 된다.

 

집적도 보다는 내구성이 요구되는 전력반도체

전력반도체는 여타 반도체와 유사하면서도 고유의 특성을 가지고 있다. 유사한 점은 소재와 제조 기술 측면이다. 실리콘 소재를 사용하고 박막 공정을 통해 칩을 만드는 제조 공정은 유사하다.

전력반도체 고유의 특성은 크게 세 가지로 꼽을 수 있다. 첫 번째는 나노(Nano)급의 高집적도보다는 높은 수준의 내구성과 신뢰성이 타 반도체 대비 더욱 요구된다. 데이터 저장이나 신호 처리 등이 아닌, 큰 용량의 전류전압을 제어하는 역할을 하기 때문에 이 과정에서 손상(Breakdown) 될 수 있다. 전력반도체가 손상될 경우 전력 공급 자체가 중단된다. 예를 들면 전기 자동차가 운행하다 전력 모듈이 고장 나 도로 중간에 갑자기 멈춰버리면 위험천만한 상황이 초래될 것이다. 이 때문에 전력반도체를 사용하는 수요 기업 입장에서는 완제품의 신뢰성 확보를 위해 공급사의 생산 경험(Reference)을 중요시하고 있다.

두 번째는 장치 산업이긴 하나 10나노미터 내외의 높은 집적도가 요구되는 것은 아니기 때문에 공정 투자 측면에서 상대적으로 적은 비용의 투자가 소요된다. 반면 여타 메모리 반도체보다는 다품종 소량 생산 방법이 요구된다. 범용성, 호환성 보다는 제품 성능 최적화 관점의 부품 설계가 중요하기 때문이다.

세 번째는 가치 사슬인 설계-웨이퍼-칩-모듈-시스템의 전반적인 이해가 뒷받침되어야 한다. 시스템 반도체는 일정 분업이 가능하지만, 전력반도체는 초기부터 통합적인 아날로그적 접근이 요구된다. 때문에 오랜 경험과 축적된 기술력을 바탕으로 전 영역에서의 다양한 변수를 효과적으로 조정(Align)할 전문성이 요구된다.

주요 기업 대부분은 가치 사슬 전체를 커버

전력반도체 주요 기업들의 사업모델은 설계, 칩, 모듈/시스템까지 가치 사슬(Value Chain) 전체를 포함하고 있다. 주요 기업들은 인피니온(Infineon), 미쓰비시 전기, 도시바, ST마이크로(ST Microelectronics) 등의 시스템 반도체 기업들이다. 특정 영역보다는 전체적인 기술을 이해하고 여기서 축적된 기술력을 바탕으로 설계부터 생산까지 관할하며 수요 기업들의 니즈에 대응하고 있다.

10년 이상 업계 1위를 지키고 있는 독일 인피니온은 자동차용, 신재생에너지용, 철도용 등 선도적인 제품 포트폴리오를 구축하고 있다. 특히 전기차에서의 전력반도체 비중이 늘어나면서 자동차 기업과의 협업을 통해 시장 점유율을 높이려 하고 있다. 예를 들어 인피니온은 BMW와 전기 이동 수단(Electric Mobility) 사업을 위해 긴밀한 협력을 하고 있다. BMW 전기차 i3 등에 인피니온의 전력반도체 등 자동차용 반도체 적용을 시작으로 수요 고객과의 강력한 파트너십을 가져가고 있다. 또한 실리콘 기반 제품만으로는 미래 대응이 제한적일 것이라는 판단하에 차세대 제품 포트폴리오를 강화하고 있다. 차세대 소재로 탄화규소(SiC)에 이어 질화갈륨(GaN) 기반 제품 확보를 위해 지난해에 미국 IR (International Rectifier)을 3조원에 인수하였다. IR은 질화갈륨 기반 전력반도체 분야에서 글로벌 우위의 기술 역량을 보유한 기업이다. 인피니온은 IR과의 강력한 조화(Power Combination)을 통해 전력반도체 사업을 지속적으로 강화해나가고 있다.

제품 경쟁력 강화 핵심인 전력반도체

한편 상당 수 선두 기업들은 전력반도체 사업을 자신들의 본업을 강화하기 위한 핵심 사업으로 인식하고 있다. ABB, 알스톰, 히타치, 미쓰비시 전기, 도시바 등의 기업은 자신들의 중전 인프라 사업, 전자제품 사업 등의 경쟁력 강화 차원에서 내재화를 유지 또는 강화하고 있다. 글로벌 유수의 중전 기업인 ABB, 알스톰 등은 송배전 사업 등 다양한 중전 인프라사업을 하면서 전력반도체도 같이 하고 있다. 미쓰비시 전기나 도시바는 전력반도체 부품 매출은 전체에 2~3%에 불과하고 자사 사업 중 영업이익률도 좋지 않은 편이다. 그러나 자신들의 중전 사업과의 시너지를 높일 수 있는 경쟁력 요소이기 때문에 연구개발(R&D) 투자를 꾸준히 하면서 사업을 강화하고 있다. 일례로 미쓰비시 전기는 전철역내에 탄화규소 전력반도체를 사용한 회생 전력 보조 전원 공급 시스템을 개발했다. 전철이 역사에 진입할 때 멈추기 위해 브레이크를 사용한다. 전력망에 연결된 이 시스템은 제동(Braking)으로 발생하는 전력을 회수하여 다시 전철역내에서 사용하는 시스템이다. 고효율 전력반도체를 사용함으로써 전력 재사용률을 높이는 등 에너지 효율성을 제고할 수 있다.

전력반도체가 에너지 효율 혁신의 레버

전력반도체는 ‘전력 효율 혁신’ 측면의 파급 효과가 크다. 크게 세 가지 포인트로 볼 수 있다. 첫 번째는 기존 산업에서의 전력 고효율화다. 신규 에너지원을 추가하는 것보다 기존 전력의 효율을 높이는 것이 훨씬 효율적이다. 전력반도체의 성능을 높이는 것은 이에 대한 강력한 솔루션 중 하나가 될 수 있다. 예를 들면, 산업용 전력 수요는 전 세계 전력 수요의 42% 수준이다. 이 중 3분의 2가 전기 모터 전력이다. 즉, 산업용 전기 모터의 전력 수요는 전체의 28%다. 이들 모터 대부분의 전력 제어(효율화)를 하게 되면 전 세계 전력 수요의 10%를 절감할 수 있다고 알려져 있다. 전력 제어를 통한 모터 효율화만 해도 상당량의 발전소 추가 건설 부담을 줄일 수 있는 것이다.

두 번째는 전기차의 고효율화, 즉 연비 개선 니즈이다. 특히 폭스바겐의 클린 디젤 사기 사건으로 전기차 시장에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 자동차 업계는 하이브리드 전원을 48V로 고전압화하는 등 전력 계통의 효율화로 연비(km/kWh) 개선을 하려 하고 있다. 기존 내연기관 차량은 전체 반도체 부품에서의 전력반도체 코스트 비중이 21% 정도이나 하이브리드 차량 이상의 전기차들의 전력반도체 코스트 비중은 절반 이상이다. 전력반도체의 중요성을 알 수 있는 대목이다. 때문에 전기차 사업을 강화하려는 도요타, 혼다 등 자동차 기업들도 관심이 높다. 도요타는 전기차 사업 주도를 위해 90년대부터 전력반도체 부품 연구를 해왔다. 이를 토대로 덴소와 함께 탄화규소 기반 전력반도체를 채택한, 4세대 프리우스를 얼마 전 공개했다. 차세대 전력반도체 개발을 통해 기존 실리콘 반도체 대비 연비가 10% 향상되고 전력손실은 4분의 1 수준, 파워컨트롤 유닛(PCU)의 부피는 5분의 1로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.

마지막으로 신재생 에너지(태양광, 풍력) ESS(에너지 저장), 스마트 그리드 등 에너지 신산업들이 전력반도체 수요를 견인하고 있다. 세계 에너지 전망(World Energy Outlook 2015) 보고서에 따르면, 2013년 대비 2030년까지의 신규 발전 설비 증가분(2,854GW) 중 풍력, 태양광 등 신재생 에너지의 비중이 60%이상(풍력 30%, 태양광 25%, 기타 신재생 8%)을 차지할 것으로 전망하고 있다. 태양광, 풍력, 연료전지, ESS 등은 직류 전원을 사용하는데 일반 전력 계통은 교류 전원인 만큼 직류를 효율적으로 교류 전원으로의 변환이 필요하다. 또한 신재생 및 스마트 그리드 등 각 분야 모두 전력 사용 효율을 높여 총 비용(Total cost)를 줄여야 하는 상황이다. 전력반도체는 이들 분야 내 접점마다 적용되면서 전력 효율화 니즈를 해결할 것으로 보고 있다.

차세대 소재가 새로운 성장 모멘텀

새로운 수요 증가 가능성이 높다 해도 이를 사업으로 연결하기 위해서는 전력반도체의 성능 향상이 수반되어야 한다. 구조 설계 개선을 통한 성능 향상은 계속되어 왔으나, 보다 근본적으로는 차세대 소재 혁신이 필요할 것으로 보인다. 전력반도체는 여타 반도체와 같이 실리콘 웨이퍼가 60년대 다이오드 부품부터 사용되어 왔다. 그 뒤로 반도체의 성능 향상을 위한 설계 구조는 계속 바뀌어왔으나 기본적인 소재는 변함없었다. 그러나 앞서 언급한 수요 시장의 변화로 고전압, 고전류, 고내열 등 더 가혹한 조건을 요구하고 있다. 실리콘만으로는 한계점에 이르고 있다. 이러한 한계 돌파를 위해서 차세대 소재로서 화합물(Compound) 반도체 소재인 탄화 규소(SiC)와 질화 갈륨(GaN), 다이아몬드, 산화갈륨 등이 주목되고 있다. 이들은 실리콘보다 다양한 지표(고전압, 고내열 등)에서 우수한 물성을 가지고 있다.

탄화 규소 소재의 경우 전기차, 철도, 전력망 등 중전압 이상 영역에서 사용 비중이 클 것으로 보고 있다. 현재 미국 크리(Cree)는 90% 이상 과점 속에 보다 원활한 원료 확보를 위해 신일본제철과 상호 라이센스협약을 맺어 시장을 개척하고 있다. 그러나 잉곳(Ingot)의 대구경화와 박막화 등 기술 개발 이슈가 있다. 소재 기업인 신일철주금, 다우코닝 등의 기업들은 수요 성장의 기대 속에 기존 4인치보다 더 큰, 6인치 잉곳을 개발하며 대구경화 및 저코스트화를 가능하게 하고 있다. 이미 선두 기업들 중 일부는 탄화 규소 소재를 사용한 전력반도체 제품이 상용화하였다. 부품 기업인 롬(Rohm)은 2009년에 소재 기업인 실리콘 크리스탈(SiCrystal)을 M&A까지 하며 수직 계열화를 통해 고기능 전력반도체 사업 경쟁력을 강화하고 있다.

질화 갈륨 소재는 아직 초기 단계여서 기존 실리콘 기판 위에 GaN 박막을 형성한 형태로 소자를 구현하는 것이 우선 적용되고 있다. GaN 기판 확보를 위해 일본은 정부 주도의 ‘전략적 이노베이션 창조 프로그램’의 하나로 미쓰비시화학, 스미토모전기 등이 참여하는 소재 R&D 활동을 강화하고 있다. 이외에 차차기 소재로서 산화갈륨이나 합성 다이아몬드를 이용한 전력반도체도 주목하고 있다.  다이아몬드의 경우 SiC, GaN 보다 전압, 전력 손실 스위칭 속도 등에서 빠른 특성을 갖고 있다. 그러나 현재 연구 단계 수준으로 상용화되기에는 시간이 더 필요할 것으로 보인다.

국내 기업도 전력반도체의 차별화된 역량 필요

 

현재 전력반도체 시장은 가전 및 산업용 영역 시장이 대부분이고 전기차, 신재생 에너지 등 고전압 영역은 태동기라 할 수 있다. 기관마다 차이가 있지만 시장 규모는 2013년 기준 243억 달러로 추산된다. 주요 반도체 품목별 시장으로 보면 크지 않다. 그러나 전력반도체는 자체 시장의 크기보다 기존 에너지 효율 개선과 전기차, 태양광, ESS 등 에너지 신산업의 성장에 미칠 영향이 매우 크다는 점에서 주목할 필요가 있다. 특히 차세대 소재를 통한 혁신이 계속 된다면 전력반도체의 영향력은 크게 확대될 것으로 보인다. 최근 체결된 신기후 체제 ‘파리협정’ 이후 온실가스 감축 목표에 맞추기 위한 에너지 효율성 이슈가 더욱 강조될 것으로 보인다.

독일, 일본, 미국 등의 선진 기업들은 실리콘 기반 제품을 주도하면서 차세대 기반 제품에 대한 관심도 놓지 않고 적극적으로 R&D 투자에 나서고 있다. 최근 전력반도체 기업 온 세미(On semiconductor)가 또 다른 전력반도체 기업 페어차일드(Fairchild)를 24억 달러에 인수했다. 또한 도요타, 혼다, BMW 등 수요 기업인 자동차 기업들까지도 전기차 성능 향상을 위해 전력반도체에 적극적인 자세를 취하고 있다. 정부 차원의 투자도 강화되고 있다. 예컨대 미국의 경우 정부 차원에서 제조업 경쟁력 강화를 위해 2014년 3개의 제조혁신 연구소를 설립했다. 이 중 하나가 에너지부 주관의 ‘차세대 전력전자 제조혁신연구소(NGPEI)’로 차세대 전력반도체 연구를 위해 자국 내 통합적인 인프라 구축을 하는 것이다. 또한 중국의 ‘반도체 굴기(崛起)’도 잠재적 위협 요소이다. 지난 11월 플래시 메모리 강자 샌디스크를 20조원에 인수하는 등 반도체 시장 진입에 박차를 가하고 있다. 중국 반도체 산업의 출발은 메모리 반도체이지만 장차 전력반도체도 예외가 될 수는 없을 것이다.

전력반도체는 장치 산업 기반 부품이라 해도 특유의 아날로그적 기술력이 필요하다. 선두 중전 기업들이 자신들의 솔루션 사업 관점에서 전력반도체를 내재화해 왔다. 예를 들어 ABB, 알스톰, 지멘스 등 글로벌 중전 기업들은 자신들의 직류 송전(HVDC, High Voltage Direct Current) 솔루션의 핵심 중 하나로 전력반도체 사업을 보유하고 있다. 이는 차별화된 전력반도체는 메모리나 AP처럼 오픈 마켓(Open market)에서 비교적 쉽게 구매하기 어렵다는 것을 의미한다.

전력반도체는 발전, 송배전, 저장 등 에너지 분야뿐 아니라 자동차, 모바일기기, 가전 등 전기를 사용하는 모든 제품에 들어가는. ‘쌀’과 같은 부품이다. 한편으로는 아날로그적 제조 경험과 축적된 조율 능력이 요구되는 분야로, 선두 기업들은 전력반도체를 제품 및 솔루션 사업의 차별화 포인트로서 역량을 강화해나가고 있다. 우리나라의 생태계는 몇몇 팹리스(Fab-less) 중소 업체로 이뤄져 있어 이 분야의 역량이 아직 미흡한 편이다. 저성장시대에 남은 모르고 나만이 아는, 소위 대박 사업 분야는 없다. 지금부터라도 산학연관 모두 관심을 가지고 차별화된 기술 역량 확보를 위한 인프라 투자 강화가 필요한 시점이다.  <끝>