한국전기연구원-파워테크닉스, 탄화규소 전력반도체 상용화 라인 구축 기념식 개최
전기자동차, 국산 SiC 전력반도체 기술로 10% 더 달린다
연구개발 머물던 고효율 SiC 전력반도체 양산화 전진기지 마련
파워테크닉스, 2020년까지 월 1500매 이상 양산 및 연매출 600억원 목표
이날 행사에는 SiC 전력반도체 기술 개발의 주역인 한국전기연구원(이하 ‘KERI’) 김남균 본부장, 방욱 센터장(이상 HVDC연구본부) 등을 비롯한 연구진과 김도하 대표, 정은식 부사장 등을 비롯한 파워테크닉스의 관련 임직원들이 참석했다.
전력반도체는 전력을 변환, 처리, 제어하는 반도체다. 전기자동차의 배터리와 전기모터를 연결하는 고성능 인버터에 필수적인 부품이다. 기존 전력반도체의 대부분을 차지하는 실리콘(Si) 전력반도체는 동작 온도나 속도, 효율 등에서 정점에 이르러 한계를 드러내고 있어 이제는 재료 특성이 우수한 SiC 전력반도체가 차세대 전력반도체로 각광 받고 있다.
특히 친환경에너지 도입 확대, 환경규제 강화, 4차 산업혁명 등 시대적 흐름에 따라 그 수요가 급증하고 있다. 향후 전기자동차 및 자율주행차뿐만 아니라 인공지능(AI), 로봇, 사물인터넷(IoT), 스마트팩토리, 스마트 물류 등의 분야에서 적용이 확대될 전망이다.
지금까지 SiC 전력반도체는 미국, 일본, 독일 등 몇 개의 해외 업체가 생산과 공급을 독점하고 있었다. 그동안 전량 수입하던 것을 이번에 파워테크닉스가 상용화함으로써 국산화는 물론 수출까지 바라보게 됐다.
KERI가 개발한 SiC 전력반도체 기술을 전기자동차에 적용하면 성능을 획기적으로 끌어 올릴 수 있다. SiC 전력반도체는 기존 실리콘 전력반도체 보다 물성이 뛰어나 전력을 덜 사용하고 열도 거의 발생하지 않는다. 배터리의 전력 소모를 덜고 차체의 무게와 부피를 줄여 최대 10%의 에너지효율 개선을 기대할 수 있다.
KERI는 1999년부터 전력반도체 과제를 시작한 이래, 국내 시장 형성이 안 된 어려운 상황에서도 20년 가까이 외길로 연구에 매진해 왔다. 꾸준한 지원과 연구를 통해 SiC 전력반도체 제조의 핵심기술인 고온 이온주입 기술(2013년), 칩 면적과 전력 소모를 크게 줄인 다이오드 기술(2015년), 프리미엄 제품인 1200V급 트랜지스터(MOSFET) 기술(2018년) 등을 차례로 개발하는 성과를 거뒀다. 2016년엔 국가연구개발 R&D 100선 - 최우수 성과(정보 전자 분야)에 선정되기도 했다.
특히 올해 개발 완료한 ‘1200V급 트랜지스터(MOSFET) 기술’은 국내 SiC 전력반도체 양산 기술력을 진일보시켰다는 평가를 받았다. 연구팀은 웨이퍼 처리속도와 단위 소자 성능을 기존 기술보다 효과적으로 개선하는 한편 이를 반영한 SiC 전력소자 설계를 통해 해당 기술을 개발했다. 여기에는 고활성화 이온주입 공정(이온주입 및 열처리 조건)과 고품질 게이트 산화막 형성 공정(질화 후 열처리 조건 개선) 기술이 밑바탕이 됐다. 해당 성과의 공로로 실무책임자인 문정현 선임연구원(전력반도체연구센터)은 4월 ‘이달의 KERI인상’을 수상하기도 했다.
KERI 연구팀은 개발한 일련의 SiC 전력반도체 원천기술을 파워테크닉스에 이전하고, 장비구매부터 양산화 라인 구축까지의 전 프로세스를 지원했다. 전기차 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술 중 하나인 SiC 전력반도체를 선진국과 충분히 경쟁할 수 있는 분야로 보고 각종 기술시험 및 전문가 자문 등을 적극 제공하며 기술의 상용화가 보다 빨리 실현될 수 있도록 지원을 아끼지 않았다. 실질적인 상용화 라인 구축으로 친환경 전기차 분야에서 출연연·민간기업 간 상호협력의 성공적 모범사례가 될 전망이다.
KERI 전력반도체연구센터 방욱 센터장은 “전기차 등 새로운 전력수요가 대두되는 상황에서 SiC 전력반도체 분야는 전 세계적으로 폭발적인 시장창출이 가능한 차세대 먹거리 기술”이라며 “KERI가 개발한 기술은 세계 최고 수준으로, 생산설비를 통해 본격 상용화된다면 수입대체 효과는 물론 우리나라가 전력반도체 선진국으로 도약하는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
파워테크닉스의 김도하 대표는 “SiC 전력반도체 상용화 라인 구축에 절대적인 역할을 한 KERI의 아낌없는 지원에 진심으로 감사드린다”며 “KERI의 원천기술과 우리의 양산 기술 및 경험을 바탕으로 독자 생산체제를 구축하여 선진국과도 경쟁이 가능한 상용품을 출시하겠다”고 말했다.
파워테크닉스는 이번 생산화 라인 준비를 위해 120억원 규모의 자금 투자로 SiC 전력반도체 전용 장비(Implanter, Activator, Oxidator, Trench ICP)를 포함한 양산 인프라를 구축했다. 그 노력의 일환으로 5월 29일 SiC 양산전용 고온·고에너지 이온주입장비를 국내 민간기업 최초로 도입했다. 이 생산 라인을 통해 올해 SiC 다이오드 제품군 양산부터 SiC MOSFET 제품까지 확대해 나갈 예정이다.
파워테크닉스는 올해 월 300매 생산을 목표로 가동을 시작해 양산 안정화 및 투입량 확대로 2019년 월 550매로 확대할 계획이다. 이후 시장의 안정적 매출 확보와 핵심 장비 증설을 통해 2020년 이후에는 약 1500매 이상 양산을 계획하고 있다. 이를 기반으로 2020년 연 매출 600억원 이상을 달성하고 국내외 수출 증대를 통해 국가 경제 활성화에도 기여한다는 목표다.
한편 SiC 전력반도체 세계 시장은 2015년 기준 2억1000만달러(약 2500억원) 규모다. 2020년에는 10억9500만달러(약 1조2590억원)으로, 5배가량 성장할 것으로 전망된다. 응용 분야 중에서도 자동차용 SiC 시장이 빠르게 성장하고 있어 2020년 자동차용 시장 규모는 2억7100만 달러에 이를 것으로 추정된다.
기술설명 사진 및 영상은 웹하드(아이디 keripr1, 비번 keri2580, 파일명 SiC전력반도체)에서 다운받을 수 있다.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며 전체 직원수는 620여명에 달한다.
KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 중심 연구분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기 등이다.
그동안 △765kV 초고압 전력설비 국산화 △차세대 전력계통운영시스템(EMS) △원전 계측제어시스템(I&C) △한국형 배전자동화(KODAS) 기술 △펨토초 레이저 광원 기술 △자기부상열차 자기부상제어시스템 △전기차용 탄화규소(SiC) 전력반도체 공정 기술 △고압직류송전(HVDC)용 직류차단기 기술 등 공공의 이익과 관련된 분야에서 선진국들과 경쟁이 가능하고 업계가 주목하는 대형 원천기술들을 확보하는 한편, 산업계 기술이전을 통해 국가산업발전에 기여하고 있다.
KERI는 또한 전력기기에 대한 국가공인시험인증기관이자 세계 3대 국제공인시험인증기관으로서 세계적 경쟁력과 신뢰성을 확보하고 있다. 2011년 ‘세계단락시험협의체(STL)’ 정회원 자격을 획득했으며 세계 최고 수준 설비와 전문인력을 바탕으로 KERI의 시험성적서가 전세계 시장에서 통용되게 함으로써 국내 중전기기업체의 해외시장 개척에 기여하고 있다. 2016년 중전기기산업계의 오랜 숙원이었던 4000MVA 대전력설비 증설을 성공적으로 마무리함으로써 국내 중전기기업체들의 시험과 관련한 애로사항을 상당부분 해소했으며 현재보다 질 높은 시험인증서비스를 제공하기 위해 ‘통합시험운영시스템’ 구축 프로젝트를 진행하는 등 2025년까지 세계 최고의 시험인증기관으로 자리매김하기 위한 기반을 구축해가고 있다.
KERI는 향후 신기후 체제, 4차 산업혁명 등 관련 유망 융합 분야를 발굴하고, 모든 일상에서 전기가 중심이 되는 ‘전기화(電氣化, electrification)’에 따른 대응환경을 구축하는 등 미래를 선도하는 기술개발에 주력해 나갈 예정이다. 특히 2018년 4월 최규하 박사가 제13대 원장으로 취임한 것으로 계기로 국민과 함께하는 출연연구기관으로서의 공적 역할과 미래 핵심가치를 선도하는 세계 최고 전문연구기관 ‘Glocal KERI’로서의 새로운 도약을 다짐하고 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
