3세대 반도체의 핵심 소재인 탄화규소(SiC)는 뛰어난 물리적, 전기적 특성으로 여러 분야에 지대한 영향을 미치고 있습니다. 아래 표는 탄화규소의 주요 응용 분야와 장점을 간략하게 요약한 것입니다.
응용 분야 주요 응용 시나리오 실리콘 카바이드(SiC)의 장점 관련 기술/제품 사례
신에너지 자동차 주 구동 인버터, 온보드 충전기(OBC), DC-DC 컨버터 효율 향상, 주행 범위 증가(최대 6%8), 시스템 무게 및 부피 감소 하이브리드 SiC 모듈1, SiC MOSFET
충전 인프라 DC 고속 충전소 충전 효율 향상, 고전력 고속 충전 지원, 충전 시간 단축
태양광 발전 및 에너지 저장 PV 인버터, 전력 저장 컨버터(PCS) 광전 변환 효율 향상(SiC 다이오드는 실리콘 기반 시스템에 비해 1.5%~2% 증가할 수 있다고 함6), 시스템 손실 감소, 전력 밀도 증가 SiC 다이오드6, SiC MOSFET
산업용 전원 공급 장치 및 데이터 센터 서버 전원 공급 장치, 통신 전원 공급 장치, 무정전 전원 공급 장치(UPS) 전력 효율 향상, 전력 밀도 증가, 에너지 소비 및 방열 요구 사항 감소 Toshiba의 650V SiC MOSFET
5G 통신 및 RF 장치 RF 전력 증폭기, 필터 등. 우수한 고주파, 고온 및 고전력 성능을 갖춘 반절연성 실리콘 카바이드 기반 RF 반도체 장치.
스마트 웨어러블 및 AR/광학 도파관: AR 안경 및 초박형 렌즈용 회절 도파관. 높은 굴절률, 높은 경도, 높은 열전도율은 넓은 시야각, 풀컬러 이미징을 가능하게 하고, 광학적 아티팩트를 제거하며, 기기의 박형화 및 경량화(예: 0.55mm 두께의 AR 렌즈)와 비용 절감(향후 기판 비용이 크게 감소할 것으로 예상됨)에 기여합니다. 12인치 탄화규소 잉곳과 초박형 탄화규소 회절 도파관으로 제작된 고순도 반절연 기판.
철도 교통 및 스마트 그리드: 견인 변환기, 전력 전자 변압기(PET), 그리고 고전압 직류 송전. 높은 내전압과 낮은 손실은 시스템 효율과 신뢰성을 향상시킵니다.
실리콘 카바이드 장치의 주요 유형
탄화규소는 주로 반도체 산업에서 다음과 같은 장치를 제조하는 데 사용되며, 이는 앞서 언급한 응용 분야의 기반이 됩니다.
실리콘 카바이드 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터): 신에너지 자동차의 메인 인버터와 같은 고주파, 고전압 및 고효율 애플리케이션에 특히 적합합니다. 현재 기술은 낮은 온 저항(예: Yangjie Technology의 3세대 SiC MOS 플랫폼은 3.33mΩ·cm²³ 미만의 온 저항을 자랑함)과 고온 동작(예: Infineon의 CoolSiC™ MOSFET G2 시리즈는 정상 175°C, 과부하 시 200°C에서 동작 가능)을 가능하게 합니다.
탄화규소 다이오드(주로 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)): 역회복 전류가 거의 없기 때문에 태양광 인버터 및 온보드 충전기와 같은 고주파 스위칭 애플리케이션에 특히 적합하며 스위칭 손실을 크게 줄입니다.
실리콘 카바이드 모듈: 여러 개의 실리콘 카바이드 칩(예: MOSFET 및 다이오드)이 집적 및 패키징되어 전력 모듈을 구성합니다. 예를 들어, 신에너지 자동차(NEV)용 메인 구동 모듈은 더 높은 전력 밀도와 향상된 신뢰성과 같은 장점을 제공합니다.
🔧 실리콘 카바이드의 핵심 장점
이러한 혁명을 가져올 수 있는 탄화규소의 능력은 다음과 같은 뛰어난 재료적 특성에서 비롯됩니다.
높은 파괴 전계 강도: 이로 인해 실리콘 카바이드 장치는 더 높은 전압에서 작동할 수 있으므로 고전압 응용 분야에 적합합니다.
높은 열전도율: 열 방출을 용이하게 하여 장치가 더 높은 온도에서 작동할 수 있고 냉각 시스템이 간소화됩니다.
높은 전자 포화 드리프트 속도: SiC 장치가 더 높은 주파수에서 작동할 수 있게 하여 시스템 내 수동 부품(인덕터 및 커패시터 등)의 크기와 무게를 줄입니다.
넓은 밴드갭: SiC 소자에 우수한 고온 안정성과 방사선 저항성을 제공합니다.
🌐 SiC 산업의 현재 개발 현황
SiC 산업은 급속한 성장과 확장을 경험하고 있습니다.
지속적인 시장 성장: SiC 전력 소자 시장은 2030년까지 103억 달러를 넘어설 것으로 예상되며, 향후 5년간 연평균 성장률(CAGR)은 20%를 넘을 것으로 전망됩니다.
기술 업그레이드: 웨이퍼 크기가 주류인 6인치에서 8인치(단위 비용을 30% 이상 절감 가능)와 12인치 웨이퍼로 바뀌고 있습니다.
산업 사슬의 점진적인 개선: 국내 기업들은 기판, 에피택시, 소자 설계, 제조, 모듈 패키징 분야에서 적극적으로 개발하고 진전을 이루고 있습니다.
비용 추세: 재료 품질이 향상되고, 웨이퍼 크기가 커지고, 제조 공정이 개선되고, 산업 규모가 확대됨에 따라 실리콘 카바이드 장치의 비용이 점차 낮아지고 있으며, 더 다양한 분야에서 대규모 적용이 가능해지고 있습니다.
💎 요약
우수한 물리적 및 전기적 특성을 지닌 실리콘 카바이드 반도체는 신에너지 자동차, 재생 에너지, 산업용 전원 공급 장치, 5G 통신, 가전제품 분야의 혁신과 업그레이드를 주도하는 핵심 동력으로 자리 잡고 있습니다. 현재 실리콘 카바이드 소자(특히 MOSFET)의 제조 비용은 상대적으로 높고 공정 요건도 엄격하지만, 지속적인 기술 발전, 산업 발전, 그리고 지속적인 확장을 통해 비용은 더욱 낮아질 것으로 예상되며, 그 응용 분야는 매우 유망합니다.