SiC 반도체 특징, 장단점, 향후전망, 응용분야, Si 반도체와의 차이점

또한, SiC 반도체는 실리콘 반도체 보다 더 높은 열전도성(Thermal Conductivity)을 가져서 효율적인 열 관리가 가능합니다.
실리콘 반도체는 1.5 W/cm·K 인데 비해, SiC 반도체는 4.9 W/cm·K로 실리콘 보다 3배 정도 높아서, 더 작은 패키지로 더 많은 전력을 처리할 수 있어요.

전자 이동도(Electron Mobility)도 실리콘보다 높은 빠른 스위칭 속도를 제공합니다.
실리콘 반도체는 전자 이동 속도가 1500 cm²/V·s 인 반면, SiC 반도체는 650 cm²/V·s로 전자 이동도가 더 높아, 저전압 및 고속 스위칭 응용에 유리합니다.

마지막으로 항복 전압(Breakdown Voltage)도 실리콘 보다 더 높기 때문에, 더 높은 전압에서도 안정적으로 동작하고, 고전압 전력 소자에 이상적입니다.

SiC 반도체 단점

이렇게 장점이 많은 SiC 반도체 (실리콘 카바이드)는 성능이 뛰어나서 차세대 전력 반도체로 적합하지만, 제조 비용과 공정 난이도가 높다는 단점도 존재합니다.

이 때문에 아직 실리콘 반도체를 대체하지는 못하고 있죠.

제조 비용이 얼마나 비싸냐면, 웨이퍼 생산 시 실리콘보다 5~10배 비싼 것으로 알려져 있어요.
이유는 결정 성장 속도가 느리고, 결함이 많아 고품질 웨이퍼 생산이 어렵기 때문입니다.

이렇게 제조 비용이 높다면, 고성능이 요구되는 특정 응용 분야에서만 경제성을 가지게 되서, 그 용도가 한정적이 되겠죠.

최근 기술의 발전으로 제조 비용이 점점 감소하고 있다고 하니, 앞으로의 전망은 좋아질 것으로 기대됩니다.

SiC 반도체 응용분야

SiC(실리콘 카바이드) 반도체는 높은 전력 효율성과 내구성을 제공하는 특성 덕분에, 향후 핵심 기술 분야로 각광 받고 있는 AI, 데이터 센터, 자동차 산업, 산업용 전력장비, 우주 항공 등 다양한 산업에서 응용되고 있습니다.

그럼, 어떤 곳에서 SiC 반도체를 사용할 수 있는지 알아볼까요 ?

전력 변환 장치

SiC 반도체는 전력 변환 효율을 극대화할 수 있는 특성 덕분에 인버터, 컨버터 및 다양한 전력 변환 장치에서 사용됩니다.

SiC의 높은 전압 저항과 열전도성은 전력 손실을 줄이고, 더 작은 크기와 가벼운 무게로 장치를 설계할 수 있게 하거든요.

이는 특히 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 전기차 충전기 등에서 중요한 역할을 해요.

높은 효율과 신뢰성 덕분에 SiC 기반 전력 변환 장치는 재생 에너지 시스템의 성능과 경제성을 크게 향상 시킬 수 있습니다.

자동차 산업

자동차 산업, 특히 전기차(EV)와 하이브리드 전기차(HEV)에서 SiC 반도체의 역할은 매우 중요합니다.

SiC 반도체는 높은 전력 효율을 제공하여 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 제어 모듈, 인버터 및 충전 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

SiC를 사용하면 전기차의 주행 거리를 늘리고, 충전 시간을 단축할 수 있으며, 전체 차량의 전력 소모를 줄일 수 있습니다.
또한, SiC는 열 관리를 개선하여 자동차 전자 장치의 신뢰성을 높이고, 고온 환경에서도 안정적인 성능을 보장합니다.

산업용 전력 장비

산업용 전력 장비에서는 SiC 반도체가 에너지 효율을 극대화하고, 운영 비용을 줄이는 데 기여합니다.

SiC 기반의 전력 소자는 높은 전압과 온도를 견디며, 더 작은 크기와 경량화를 가능하게 합니다.

이는 공장 자동화 시스템, 로봇, CNC 기계 등에서 에너지 절약과 성능 향상을 가져올 수 있습니다.
특히, 고출력 인버터와 전력 제어 시스템에서 SiC 반도체는 기존의 실리콘 기반 시스템을 대체하여 더 높은 효율과 신뢰성을 제공합니다.

통신 장비

고주파 성능이 뛰어난 SiC 반도체는 통신 장비, 특히 5G 네트워크 인프라에서 중요한 역할을 합니다.

SiC는 높은 주파수에서 낮은 전력 손실과 높은 열전도성을 제공하여 5G 기지국과 중계기에서 효율적인 전력 관리와 신호 처리를 가능하게 합니다.
이는 더 빠른 데이터 전송 속도와 더 넓은 커버리지를 제공하여 5G 네트워크의 성능을 극대화합니다.

항공우주 및 군사 장비

항공우주 및 군사 장비에서는 극한의 환경에서도 신뢰할 수 있는 성능을 제공하는 반도체가 필요합니다.

SiC 반도체는 높은 열전도성과 전력 효율 덕분에 항공기 전자 장치, 레이더 시스템, 군사 통신 장비 등에서 사용됩니다.
SiC의 내구성은 높은 고도와 온도 변화, 방사선에 노출되는 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.

의료 기기

의료 기기에서도 SiC 반도체의 특성이 활용되고 있습니다.

고주파 의료 장비, MRI, CT 스캐너 등의 고성능 이미징 시스템에서 SiC 반도체는 높은 신뢰성과 효율성을 제공합니다.
또한, SiC는 웨어러블 건강 모니터링 기기에서도 사용되어 장시간 작동과 신뢰성을 보장합니다.

SiC 반도체 국내 제조사

국내 SiC 반도체 제조사로는 삼성전자, SK하이닉스, LS산전, 한화솔루션, 두산, 대한전선 등이 있습니다.

삼성전자: 반도체 산업에서 글로벌 리더로서, 전력 전자 및 고효율 전력 관리 솔루션을 위해 SiC 반도체 개발
SK하이닉스: 메모리 반도체 분야 글로벌 리더로서, 전기차 및 재생 에너지 분야에서 SiC 기술 활용
LS산전 (LS Electric): 전력기기 및 자동화 시스템 기업으로, SiC 반도체 기반 전력 변환기 및 인버터 솔루션을 제공
한화솔루션: 에너지 솔루션 및 소재 기업으로, 고효율 태양광 인버터 및 전력 변환 장치에서 SiC 반도체를 활용
두산: 전기차 충전기 및 고전압 전력 장치에 SiC 기술을 적용
대한전선: 전력 케이블 및 전력 전자 장비를 제조하는 기업으로, 전력 변환기 및 인버터 솔루션에 SiC 소자 활용

시장 규모 및 향후 전망

시장규모

기존의 실리콘 반도체 시장 규모는 2023년 기준, 약 5,000억 달러 이상에 달합니다.

메모리, 로직, 마이크로컴포넌트, 아날로그등 모든 유형의 반도체에서 대부분 실리콘 반도체가 사용 중이고, 연평균 5-7% 정도의 안정적인 성장중인 분야입니다.

반면 SiC 반도체 시장 규모는 아직 매우 작습니다.

2023년 기준, 약 15억 달러에서 20억 달러 사이로 추정되는데, 이는 실리콘 반도체 시장의 0.4% 규모입니다.

하지만, SiC 반도체 시장은 향후 몇 년간 연평균 30-40% 이상의 높은 성장률을 예상하고 있습니다.

향후 전망

SiC 반도체는 전력 효율성, 내구성, 고온 안정성과 같은 탁월한 성능 덕분에 전기차, 재생 에너지, 고전력 산업 장비 등 분야에서 그 사용이 증가할 것으로 예상됩니다.
특히, 전기차 시장의 급성장과 더불어 SiC 반도체의 수요가 크게 증가할 것으로 보입니다.

기술의 발전과 생산 비용의 감소가 이루어지면, 더 많은 응용 분야에서 SiC 반도체가 실리콘을 대체할 가능성이 높습니다.
SiC 반도체는 차세대 전력 반도체 시장에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되며, 효율성과 성능을 극대화할 수 있는 기술로 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다.

마무리

오늘은 Si 반도체와 SiC 반도체는 각각 고유한 특성과 장점 등을 알아봤는데요.

간단히 정리해 볼까요.

Si 반도체: 경제적이고 대규모 생산이 가능하며, 일반적인 전자기기와 통신 장비에서 널리 사용되서 시장 규모가 매우 크고 안정적인 성장
SiC 반도체: 고전압, 고온, 고주파 응용에서 뛰어난 성능 발휘
전기차, 재생 에너지, 항공우주 등 고성능이 요구되는 분야에서 폭발적인 성장 기대

앞으로 더 많은 기술 발전과 생산 비용 감소가 이루어지면, SiC 반도체의 사용이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.

오늘은 여기까지 입니다.

다음에 또 다른 컨텐츠로 뵐게요.