[반도체소재]


파워반도체 시장이 빠르게 성장하고 있다.
파워반도체는 전력 제어 및 직류·교류를 전환하는 역할을 수행하며 전원 공급, 모터 회전 등 정밀도를 높이는데 있어 중요한 디바이스로 평가된다.
후지경제(Fuji Keizai)에 따르면, 파워반도체 시장은 SiC(탄화규소)를 비롯한 차세대 파워반도체 양산화에 따라 2035년 7조7757억엔(약 72조8000억원)으로 2023년 대비 145% 확대될 것으로 예상된다.

 

차세대 SiC·GaN계가 글로벌 성장 주도
글로벌 파워반도체 시장은 2023년 3조1739억엔(약 29조7100억원)으로 전년대비 5.2% 커졌으나 2024년 중국 경기 악화와 민간기기용 부진으로 조정국면이 이어졌다.
다만, 2025년 이후 전기자동차(EV) 수요 증가와 산업기기용이 회복하고, 차세대 파워반도체인 SiC, GaN(질화갈륨)과 더불어 2024년부터 Ga2O3(산화갈륨) 시장이 형성됨에 따라 중장기적으로 성장할 것으로 기대되고 있다.
2023년 실리콘(Silicone) 파워반도체 시장은 별다른 성장을 거두지 못했으나 차세대 파워반도체는 62.2%로 급성장한 것으로 나타났고, 2035년에는 차세대 파워반도체가 차지하는 비중이 약 45%에 달할 것으로 예상된다. 
특히, SiC계가 전기자동차 보급을 타고 2035년 3조1510억엔(약 29조5000억원)으로 700% 이상 폭증할 전망이다.
GaN계는 스마트폰 및 서버 전원용 중심으로 수요가 증가해 2035년 2674억엔(약 2조5000억원)으로 36배 성장하고, Ga2O3계는 고내압화 FET(Field Effect Transistor) 상용화의 영향으로 385억엔(약 3600억원)대 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다.

 

도요다고세이, 양산기술 확립 추진
도요다고세이(Toyoda Gosei)는 GaN 파워반도체 개발에 속도를 내고 있다.
도요다고세이는 GaN 파워반도체 영역에서 결정 성장부터 소자 개발까지 이르는 사업을 영위하고 있으며 GaN 파워반도체 보급 확대에 주력하고 있다.
GaN 파워반도체는 전력 손실이 실리콘 반도쳬의 10%에 불과하며 고속으로 전기를 온·오프할 때 발생하는 발열(손실)을 대폭 낮출 수 있다.
특히, 공급망을 글로벌에 의존하는 SiC 파워반도체와 달리 일본에서 기판부터 만들 수 있기 때문에 미래에는 GaN 파워반도체가 코스트 측면에서도 경쟁력이 있을 것으로 기대하고 있다.
도요다고세이는 1986년부터 나고야(Nagoya)대학과 청색 LED(Light Emitting Diode)를 개발·사업화한 바 있으며 2004년부터 GaN보다 저렴한 사파이어 기판 위에서 성장시키는 GaN 박막의 새로운 응용처로 오사카(Osaka)대학과 GaN 파워반도체를 개발하기 시작했다.
2008년부터는 GaN 파워반도체를 적용한 소자 개발을 추진해 종자결정(Seed Crystal)부터 기판과 디바이스까지 일관생산하고 있다.
GaN 기판 저코스트화에는 크고 불순물 없는 종자결정을 만드는 것이 매우 중요하다.
도요다고세이는 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical) 등에게 제공해오던 벌크 결정을 슬라이스 가공해 GaN 기판을 만드는 동시에 일부를 종자결정으로 활용해  GaN 기판 생산을 확대하면 가격을 낮출 수 있을 것으로 판단하고 있다.
도요다고세이는 오사카(Osaka)대학과 연계해 사파이어 기판 위에 작은 GaN 결정을 도트처럼 나열하는 MPS(Multi Point Seet) 법으로 베이스를 만들어 질소를 용해시킨 갈륨-나트륨 액체금속에 반복 침지시키는 나트륨플럭스(Sodium Flux)을 이용해 종자결정을 생산하고 있다. 
종자 위에만 GaN 결정을 성장시키기 때문에 뒤틀림이 적고 크랙, 전위가 없는 결정을 얻을 수 있으며, 또 나트륨 플럭스법으로 초기 핵이 성장한 베이스 기판을 끌어 올려 결정과 결정 사이가 갈륨-나트륨 액체금속으로 채워진 상태로 방치한 다음 다시 침지시키는 과정을 반복하는 플로팅 결정성장(FFC)법을 접목시켜 더 평활한 종자결정 획득이 가능하다.

 

2027년 자동차 분야 진출 목표로…
도요다고세이는 생산한 고품질·대형 시드 결정을 파트너인 미츠비시케미칼 등에게 공급하며, 미츠비시케미칼은 벌크 GaN 결정을 절단해 기판으로 만들고 일부는 재결정용으로 사용함으로써 GaN 기판 생산 확대와 저코스트화를 시도하고 있다.
도요다고세이는 현재 8인치 사파이어 기판에 주력하고 있으나 최근 10인치 사파이어 기판 위에 베이스 기판을 만들어 8인치 GaN 기판을 만드는 기술을 고안했다.
도요타고세이는 2022-2026년 일본 환경성 프로젝트의 일환으로 미와(Miwa) 기술센터에 대형 결정 성장로도 설치했다.
기존 성장로보다 한 단계 큰 성장로를 채용했으며 결정성장 도중에 결정을 위아래로 움직일 필요가 있는 FFC법 전용 구동 메커니즘을 도입하고 회전 교반이 가능하도록 했다.
결정 품질을 개선하면서 생산능력은 기존 성장로의 5-10배 수준으로 확대했으며 2025년 4월부터 실험을 시작해 빠르면 2025년 샘플 공급을 개시할 계획이다.
도요타고세이는 디바이스·소자 개발 분야에서 더 많은 전류가 흐를 수 있는 수직형 GaN에 주력하고 있다. 대형 성장로가 가동하면 6인치 GaN 기판의 샘플을 제작해 실증을 진행하고 2027년부터 시험제품 생산을 시작해 서서히 사업화할 방침이다.
SiC와는 자동차용 인버터 용도에서 경쟁할 것으로 예상되며 더 신뢰도가 높은 디바이스를 낮은 가격에 공급하는 것이 관건이 되고 있다.
수직형 GaN은 수평형 GaN 수준은 아니지만 고속 동작이 가능해 더 많은 전류가 흐르게 할 수 있어 SiC로는 대응하기 어려운 영역에서 활용을 기대하고 있다.
SiC보다 작으면서 동등한 수준의 전기를 흘려보내 저항을 낮추는데 성공하면 1장의 기판에서 더 많은 칩을 만들 수 있고 SiC와의 코스트 차이를 축소할 수 있을 가능성이 있다.
도요다고세이는 GaN을 먼저 태양광발전 파워컨디셔너(PCS)와 서버, 기지국 전원 등 발열이 크고 많은 전력을 소비하는 분야에 적용하고 2030년 자동차용으로 응용할 방침이다. (윤)


표, 그래프: <글로벌 파워반도체 시장>

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