심층기획 전력반도체 디스럽션 대비, 인프라 투자 시급하다

[산업일보]
신기후 체제 등장으로 기존 산업에서의 전력 고효율화, 전기차 연비 개선, 에너지 신산업의 성장 가속화 등이 전망되면서 전력반도체의 파급력이 커질 것으로 예상된다. 이에 국내 기업도 전력반도체의 차별화된 역량을 키울 필요가 있다는 지적이 제기됐다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면, 신기후 체제 대응을 위해서 2030년까지 15년간 16조 5천억 달러 규모를 신재생에너지와 에너지 효율 강화에 투자해야 할 것으로 평가하고 있다. 전력 산업은 발전의 저탄소화, 송배전의 초고압 직류화, 전기의 저장 장치 및 시스템 등 분야에서 시장의 성장이 기대된다.

LG경제연구원의 문희성 책임연구원은 “각각 분야별 에너지 고효율화가 강조될 것”이라며, “이것이 고전압, 고열 등에 견딜 수 있는 혁신적인 전력반도체가 요구되는 이유”라고 설명했다.

전력반도체는 나노(Nano)급의 고집적도보다는 높은 수준의 내구성과 신뢰성이 요구된다는 특징이 있다. 데이터 저장이나 신호 처리 등이 아닌, 큰 용량의 전류전압을 제어하는 역할을 하기 때문에 이 과정에서 손상될 수 있다.

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

또한 가치사슬인 설계-웨이퍼-칩-모듈-시스템의 전반적인 이해가 뒷받침돼야 한다. 시스템 반도체는 일정 분업이 가능하지만, 전력반도체는 초기부터 통합적인 아날로그적 접근이 요구되기 때문이라는 게 문 연구원의 설명이다.

많은 글로벌 기업들은 전력반도체 사업이 본업을 강화하기 위한 핵심사업이라고 생각하고 있다. ABB, 알스톰, 히타치, 미쓰비시 전기, 도시바 등의 기업은 자신들의 중전 인프라 사업, 전자제품 사업 등의 경쟁력 강화 차원에서 전력반도체 사업을 강화하고 있다.

뿐만 아니라 전력반도체는 ‘전력 효율 혁신’ 측면에서 효과가 크다. 전력반도체의 성능을 높이는 것은 기존 전력의 효율을 높이는데 크게 기여한다. 예를 들어, 산업용 전력 수요는 전 세계 전력 수요의 42% 수준인데, 이 중 2/3가 전기모터 전력이다. 이들 모터 대부분의 전력제어를 하게 되면 전 세계 전력 수요의 10%를 절감할 수 있다.

전기차의 고효율화, 즉 연비 개선 니즈도 만만치 않다. 기존 내연기관 차량은 전체 반도체 부품에서의 전력반도체 코스트 비중이 21% 정도이나 하이브리드 차량 이상의 전기차들의 전력반도체 코스트 비중은 절반 이상이다. 이런 이류로 전기차 사업을 추진하고 있는 도요타, 혼다 등 자동차 기업들의 관심이 높다.

신재생 에너지, ESS, 스마트그리드 등 에너지 신산업들 역시 전력반도체의 수요를 견인하고 있다.

하지만, 문 연구원은 발생하는 수요를 실제적으로 사업으로 연결하기 위해서는 전력반도체의 성능 향상이 수반돼야 한다며, 무엇보다 차세대 소재 혁신이 필요하다고 주장했다.

전력반도체는 여타 반도체와 같이 실리콘 웨이퍼가 1960년대 다이오드 부품부터 사용돼 왔다. 그 뒤로 반도체의 성능 향상을 위한 설계 구조는 지속적으로 바뀌어 왔으나 기본적인 소재는 변함이 없었다.

그러나 고전압, 고전류, 고내열 등 가혹한 조건하에서 견딜 수 있는 소재 변화가 요구되고 있다. 이에 차세대 소재로서 화합물 반도체 소재인 탄화 규소(SiC)와 질화 갈륨(GaN), 다이아몬드, 산화칼륨 등이 주목받고 있다.

현재 국내 전력반도체 시장은 가전 및 산업용 시장이 대부분이고 전기차, 신재생 에너지 등 고전압 영역은 태동기다. 하지만, 기존 에너지 효율 개선, 전기차, 태양광, ESS 등 에너지 신산업의 성장에 미칠 영향이 지대하다는 점에서 전력반도체 산업의 육성은 필수적이다.

문 연구원은 “한국의 생태계는 몇몇 팹리스(Fab-less) 중소 업체로 이뤄져 있어 전력반도체 분야의 역량이 아직 미흡한 편”이라며 “지금부터라도 산학연관 모두 관심을 가지고 차별화된 기술 역량 확보를 위한 인프라 투자 강화가 필요한 시점이다”라고 조언했다.