[CEONEWS=하윤나 기자] 화합물 반도체에 대한 글로벌 반도체 기업들의 관심이 높아지고 있다.

화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성된 반도체로, 우리에게 익숙한 Si(실리콘), Ge(게르마늄) 같은 단원소 반도체와 구분된다. 메모리 반도체나 CPU(중앙처리장치) 같은 시스템 반도체는 단원소 반도체로 제작하는데, 지난 반세기 동안 가파른 기술 진보를 보였다. 하지만 반도체 공정 선폭이 10nm(나노미터) 미만에 다다르면서 생산 공정 개발에 어려움이 생기기 시작했다. 또한 최근 개발이 확대되고 있는 5G(5세대) 이동통신, 전기차, 우주개발 분야에서 Si의 한계가 부각돼 대안 연구가 활발하게 진행되고 있다.

화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성돼 다양한 화합물을 통해 Si가 가진 물성 한계를 극복할 수 있다. 화합물 반도체 중 현재 시장에서 가장 큰 관심을 받는 화합물은 GaN(질화갈륨)과 SiC(실리콘 카바이드)다.

GaN 반도체, 기존 비해 75% 높은 전력효율 강점

GaN 반도체는 화합물 반도체 중 경제성이 가장 높다. 스위칭 속도가 빠르고 밴드 갭(금지대의 에너지 폭, 즉 전도대 하단과 가전자대 상단의 에너지 차)이 높아, RF 장비와 레이더산업에 많이 사용되고 있다. 특히 청색광 발광다이오드(LED)에 GaN 반도체가 전적으로 사용돼 현존하는 화합물 반도체 중 가장 큰 시장을 보유하고 있다. 또한 스마트폰과 노트북컴퓨터 충전기에 GaN 전력반도체를 사용하면 충전기 크기가 40% 이상 줄어들고 고속충전도 가능해 일반 가전으로 빠르게 확산될 가능성이 높다. 하지만 GaN반도체는 아직 웨이퍼(반도체 원판) 크기가 Si 반도체의 12인치 절반 수준인 6인치(150㎜)에 머물러 있다.

12일 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 따르면 GaN 전력반도체 시장은 지난해 4600만달러(약 515억원)에서 매년 70%씩 성장해 2026년 11억달러(약 1조2315억원)의 규모를 형성할 것으로 전망된다. 전체 반도체 시장에서 차지하는 비중은 아직 낮지만, 높은 성장세가 기대되고 있다.

고효율·고내구성 갖춘 SiC 반도체, 전기차·5G 적용 확대

SiC 반도체는 Si 반도체 대비 10배의 전압과 5배의 고열에서도 작동이 가능해 고전압을 많이 쓰는 환경에 적용될 것으로 보인다. 현재 SiC 반도체가 확대될 것으로 예상되는 시장은 전기차다. 전기차 전력 변환 모듈에 사용할 경우 전기차 배터리 효율을 10% 이상 끌어올릴 수 있다. 전기차 보급과 함께 시장이 빠르게 확대할 것으로 기대되는 상황이다

하지만 글로벌 기업들이 8인치 웨이퍼 상업화에 돌입한 반면, 국내 기업들은 이제야 6인치 생산을 시도하고 있어 기술 격차가 존재한다. 그럼에도 전기차 보급 확대와 전력 효율 증대를 위해서는 화합물 반도체를 활용한 전력 반도체 개발이 시급한 상황이다. 국내 기업들도 이를 인지하고 있기에 향후 화합물 산업 생태계는 빠르게 성장할 것으로 예상된다.

산업부에 따르면 글로벌 전력 반도체 시장 규모는 2019년 450억 달러에서 2023년 530억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됐다. 우리 정부도 2017년부터 총 830억 원 규모의 ‘파워반도체 상용화 사업’을 진행 중이지만, 국내 전력 반도체 시장 규모는 약 20억 달러 규모로, 기술력 부족과 해외 기업의 특허 선점으로 수요의 90% 이상을 수입에 의존하는 실정이다.