전력반도체_20240608

전력반도체 시장이 성장할 수밖에 없는 이유( 신한금융투자 보고서 참조)

1) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU): 기존 내연기관차와 전기차의 차이는 동력 발 생원이다. 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어한다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변 환 해주는 인버터가 필요하다. 모터 구동 외에, 전장 시스템을 위해서도 전력 변 환이 필요하다. 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용한다. 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요하다.

2) 신재생 에너지: 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정이다. 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요하다.

3) ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치): 전력 저장에 대한 필요성이 커 지고 있다. 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요하다. ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생된다. ESS에도 PCS 인버터가 존재한다.

4) 데이터센터의 서버 전원에 주로 사용된다. 서버 전원은 파워용량이 크고 높은 신 뢰성의 안정적 전원 공급이 요구된다. SiC가 처음 적용되기 시작한 부분이 서버 향이다.

5) 로봇 은 수많은 모터가 필요하다. 로봇의 각 부위 모터별 회전 속도는 상이하고, 이를 각각 제어하기 위한 전력반도체가 필요하다.

6) 전기차충전소 : 완속 충전은 외부에서 교류(AC) 전력을 공급하고, 차량 내 OBC(온보드차저)가 직류(DC) 전력으로 변환 후 배터리를 충전하는 형태다. 반면 급속 충전은 바로 직류(DC) 전력을 공급해 배터리를 충전한다. 급속 충전 용량은 보통 50kW가 일반적이고, 초급속 충전기는 350kW까지 상용 중이다. W를 높이려면 전압과 전 류를 높여야 하고, 다시 말해 급속 충전은 고전압/고전류 환경이라는 것을 의미 한다. 급속 충전소에는 SiC와 GaN과 같은 차세대 전력반도체가 필수적이다.

7) 부피의 변화

전력반도체에서 기존의 si 가 아닌 화합물 반도체인 sic, gan 을 사용하여야 하는 이유

기존 전력반도체의 주요 소재는 여타 반도체와 마찬가지로 Si(실리콘)였다. 하지 만 최근 몇 년사이 소재의 변화가 발생하기 시작했고 향후에는 이러한 변화가 가속화될 것으로 예상된다. 배경은 전방시장의 변화다. 전력반도체가 새로 적용 되기 시작한 전기차, 신재생 에너지, 서버 등의 공통점은 적용 환경이 거칠다는 점이다. Si는 물리적 특성상 고전압, 고주파, 고열 등의 환경에서 성능을 구현하기 가 힘들다.

화합물 반도체의 특성

1 와이드밴드갭(WBG): 밴드갭이란 가전대역과 전도대역의 에너지 준위 차이를 말한다. 외부 에너지에 의해 가전대역에 있는 전자가 전도대역으로 이동할 때 전 기가 흐르게 된다. 도체일수록 밴드갭이 얇아, 작은 에너지로도 쉽게 전기가 통 하고 부도체일수록 밴드갭이 넓어, 전기가 통하려면 큰 에너지가 필요하다. SiC와 GaN은 Si 대비 밴드갭이 3배 넓어 고온에서도 반도체 성질이 유지될 수 있다. Si 는 최대 사용온도가 175°C인 반면, SiC는 200°C 이상에서도 사용 가능하다.

2 높은 절연파괴전계(항복전계): 절연파괴전계란 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압을 말한다. Si 대비 SiC와 GaN은 절연파괴전계가 10배 높다. 높은 전 압에서도 성능을 발휘할 수 있으며, 동일 전압에서 디바이스 크기를 Si 대비 10 배 축소시킬 수 있다.

3 높은 열전도도: 고온에서 열이 발생하더라도 열전도도가 높아 적은 에너지로 도충분히냉각이가능하다.냉각비용감소와더불어냉각장치도줄일수있어 공간 활용도도 개선된다.

화합물반도체 sig, gan 의 특성

1 SiC: 고전압

Si(실리콘)과 C(카바이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체다. Si 대비 밴드갭이 3 배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압용으로 적합하다. 현재 전기차, 철도, 에어컨, 태양광 인버터 등에서 사용되고 있으며, 향후 전기차가 핵심 적용처로 될 것으로 전망된다.

2 GaN: 고주파

Ga(갈륨)과 N(나이트라이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체다. GaN 반도체는 Si 또는 SiC, GaN에 GaN을 성장시켜 제조한다. GaN은 온-저항이 낮고 입/출력 Capacitance가 낮아 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 또한 스위칭 속도(동작 속 도)도 빠르기 때문에 고주파 환경에서 동작이 가능하다. SiC와 마찬가지로 밴드 갭이 3배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압 환경에서도 적합하다. 다만 아 직 고내압 구현에는 어려움이 있어 현재는 고주파용으로 주로 사용되고 있다.

5GRF, 무선 충전기 등에서 주로 사용되고 있으며, 향후 라이다 센서, 고속 충전 등을 중심으로 채택이 확대될 것으로 전망된다. 고속 충전은 모바일 기기 뿐만 아니라 전기차 등에서도 필수적인 역할을 할 예정이다.

3. 제미나이가 준 답변(클로바x, 코파일럿도 유사)

GAN과 SiC, 어느 시장이 더 클까요?

정답은 단순히 '어느 쪽이 더 클까?'가 아닌, 어떤 기준으로 비교하느냐에 따라 달라집니다.

1. 시장 규모

현재: SiC 시장 규모가 더 큽니다. (2023년 기준 SiC: 약 10억 달러, GaN: 약 5억 달러)
- SiC: 전력 반도체 분야에서 우수한 성능으로 빠르게 성장했습니다. 특히 전기차 보급 확대로 인해 높은 성장률을 유지하고 있습니다.
- GaN: RF 반도체 분야에서 주로 활용되고 있으며, 5G 통신 등장으로 성장하고 있지만, 아직 SiC만큼 시장 규모가 크지 않습니다.
미래: 장기적으로는 GaN의 성장률이 더 높아 SiC 시장 규모를 추월할 가능성이 높습니다.
- GaN: 5G 통신, 데이터 센터, 군용 레이다 등 다양한 분야에서 성장 가능성이 높은 미래 성장 동력이 풍부합니다.
- SiC: 전기차 시장은 중요한 성장 동력이지만, 시장 포화점에 도달할 가능성도 존재합니다. 또한, 가격 경쟁력이라는 과제도 있습니다.

2. 성장률

현재: GaN의 성장률이 SiC보다 높습니다. (2023년 기준 SiC: 약 25%, GaN: 약 35%)
- GaN: 5G 통신 등장과 데이터 양 증가로 인해 빠르게 성장하고 있습니다.
- SiC: 전기차 시장 성장과 더불어 높은 성장률을 유지하고 있지만, GaN만큼 높은 성장률은 아닙니다.

3. 주요 응용 분야

SiC: 전력 반도체 (특히 고압 전력 반도체), 자동차, 산업, 송전 & 배전, 데이터 센터 등
GaN: RF 반도체 (특히 5G 통신), 군용 레이다, 위성 통신, 데이터 센터 등

결론

시장 규모: 현재는 SiC가 크지만, 미래에는 GaN이 추월할 가능성이 높습니다.
성장률: GaN이 SiC보다 높습니다.
주요 응용 분야: SiC는 전력 반도체 분야, GaN은 RF 반도체 분야에서 강점을 가지고 있습니다.

따라서, 어떤 시장이 더 클지는 어떤 기준으로 비교하느냐에 따라 달라집니다.

투자를 고려하신다면, 각 시장의 성장 가능성, 기업 경쟁력, 기술 발전 속도 등을 종합적으로 고려하여 신중하게 결정하시기 바랍니다.

4. 참고로 제미나이에 이하 질문 2개를 해보았으며 여전히 잘 사용되는 것으로 보인다

테슬라 화합물 반도체 현황

테슬라는 전기차 성능을 향상시키기 위해 화합물 반도체, 특히 **실리콘 카바이드 (SiC)**와 **질화갈륨 (GaN)**을 적극적으로 도입하고 있습니다.

SiC는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전압, 높은 온도, 높은 주파수를 견딜 수 있는 반도체 소재입니다. 이는 다음과 같은 장점을 제공합니다.

더 빠른 충전 속도: SiC를 사용하면 전력 손실을 줄여 충전 속도를 높일 수 있습니다. 테슬라 Model 3 Long Range는 SiC 인버터를 사용하여 기존 실리콘 인버터 모델보다 훨씬 빠르게 충전됩니다.
더 넓은 주행 거리: SiC는 전력 전달 효율을 향상시켜 배터리의 에너지 사용량을 줄여줍니다. 이는 한 번의 충전으로 더 멀리 운전할 수 있음을 의미합니다.
향상된 성능: SiC는 모터의 효율성을 높여 더 빠른 가속도와 더 높은 최고 속도를 가능하게 합니다.
더 작고 가벼운 전력 전자 장치: SiC는 더 작고 가벼운 전력 전자 장치를 만들 수 있으므로 차량 무게를 줄이고 공간 효율성을 높일 수 있습니다.

GaN은 또 다른 유망한 화합물 반도체 소재로, SiC보다 더 높은 스위칭 속도를 제공합니다. 이는 다음과 같은 이점을 제공합니다.

보다 효율적인 에너지 전환: GaN은 전력 손실을 줄여 에너지 전환 효율성을 향상시킵니다.
더 작고 가벼운 전원 공급 장치: GaN은 SiC보다 더 작고 가벼운 전원 공급 장치를 만들 수 있으므로 차량 무게를 줄이고 공간 효율성을 높일 수 있습니다.

테슬라는 현재 SiC와 GaN을 다양한 차량에 사용하고 있으며 앞으로도 더 많은 사용이 예상됩니다. 예를 들어, Tesla Model S 및 Model X Plaid는 SiC와 GaN을 사용하여 최고 1,000마력 이상의 출력과 2초 미만의 0-100km/h 가속 성능을 제공합니다.

테슬라가 화합물 반도체를 적극적으로 도입함으로써 전기차의 성능과 효율성을 크게 향상시키고 있습니다. 이는 전기차의 대중화에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

다음은 테슬라가 사용하는 화합물 반도체의 몇 가지 구체적인 예입니다.

모델 3: SiC 인버터는 더 빠른 충전 속도와 더 넓은 주행 거리를 제공합니다.
모델 S 및 모델 X Plaid: SiC 및 GaN 전력 전자 장치는 놀라운 성능과 효율성을 제공합니다.
로드스터: SiC 및 GaN 전력 전자 장치는 2초 미만의 0-100km/h 가속 성능을 제공합니다.

테슬라의 화합물 반도체 사용은 전기차 기술의 미래를 보여주는 흥미로운 사례입니다. 화합물 반도체는 전기차를 더 빠르고, 더 멀리, 더 효율적으로 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

현대차 화합물반도체 현황

현대차는 전기차 시대를 대비하여 화합물 반도체 사업에 적극 투자하고 있습니다. 특히, **실리콘 카바이드 (SiC)**와 질화갈륨 (GaN) 반도체 개발에 주력하고 있으며, 이를 통해 차세대 전기차의 성능과 효율성을 크게 향상시키는 것을 목표로 하고 있습니다.

-현대차의 화합물 반도체 투자 배경

전기차 시장 성장: 전 세계적으로 친환경 자동차로서 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있으며, 이에 따라 전기차 핵심 부품인 파워모듈 시장 또한 함께 성장할 것으로 예상됩니다. 특히, 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체 대비 우수한 성능과 효율성을 가지고 있어 전기차 파워모듈에 필수적인 소재로 주목받고 있습니다.
현대차의 전략적 목표: 현대차는 2030년까지 30%의 시장 점유율을 목표로 전기차 사업을 적극 추진하고 있습니다. 이를 위해 차별화된 경쟁력을 확보하는 것이 중요하며, 화합물 반도체 사업은 이러한 목표 달성에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

-현대차의 주요 화합물 반도체 사업

SiC 반도체: 현대차는 2019년부터 SiC 반도체 개발에 투자하기 시작했으며, 2022년 1월 세계 최초 자동차용 SiC 파워모듈 양산을 시작했습니다. 이는 현대차의 기술력을 입증하는 중요한 성과이며, 앞으로 전기차 플랫폼인 E-GMP에 SiC 반도체를 적용할 계획입니다.
GaN 반도체: 현대차는 GaN 반도체 개발에도 힘쓰고 있으며, 2023년 3월 국내 최초 자동차용 GaN 반도체 개발에 성공했습니다. GaN 반도체는 SiC 반도체 대비 더 높은 효율성을 가지고 있어 차세대 전기차의 성능 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.
파워모듈 사업: 현대차는 SiC 및 GaN 반도체를 활용한 파워모듈 사업을 추진하고 있습니다. 파워모듈은 전기차의 배터리에서 모터로 전력을 전달하는 역할을 하는 핵심 부품이며, 현대차는 파워모듈 사업을 통해 전기차 시장에서 경쟁력을 확보할 계획입니다.

- 현대차의 화합물 반도체 사업 전망

현대차는 화합물 반도체 사업을 통해 전기차 시장에서 선도적인 기업으로 자리매김할 것으로 기대됩니다. 특히, SiC 및 GaN 반도체 기술력을 바탕으로 차별화된 경쟁력을 확보하고, 파워모듈 사업을 통해 수익 창출 기회를 확대할 수 있을 것으로 전망됩니다.

- 참고자료

현대차, 세계 최초 자동차용 SiC 파워모듈 양산 돌입 [유효하지 않은 URL 삭제됨]
현대차그룹, 반도체 사업 본격화…SiC·GaN 반도체 개발 속도 [유효하지 않은 URL 삭제됨]
현대차, 차세대 전기차용 GaN 반도체 개발 성공 [유효하지 않은 URL 삭제됨]

5. sic 반도체에 대한 테슬라의 감축계획

> 관련하여 일시적인이 지속적인지는 의견이 분분하나 sic 의 가격및 공급의 문제가 완화되면 다시 좋아질것으로 예상

일론 머스크가 이끄는 미국의 전기자동차 기업 테슬라가 전기차 제조에 사용되는 SiC(실리콘 카바이드) 전력 반도체 사용량을 75% 감축하겠다고 발표했습니다.

SiC 전력 반도체는 전기차의 주행 거리와 충전 속도를 향상 시키는 데 중요한 역할을 하는 부품 중 하나이며, 기존의 실리콘(Si) 전력 반도체보다 높은 전압과 온도에서도 안정적으로 작동하고 전력 손실이 적어 전기차의 성능을 향상 시키는 데 큰 역할을 합니다.

테슬라는 SiC 전력 반도체의 공급 부족과 가격 상승으로 인해 사용량을 감축하기로 결정했으며, 이를 통해 전기차의 생산 비용을 절감하고 수익성을 개선할 계획입니다.

일부 저가 모델에는 Si(실리콘) 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 탑재할 것으로 예상하고 있습니다.

전력반도체의 value chain ( 2022년 11월 신한금융투자 )

화합물반도체에서 웨이퍼 공급자 우위 여부

sic 웨이퍼 가격 이전에 기존의 si 웨이퍼의 가격동향을 보면 전방시장(칩)의 변동성을 떠나 안정적으로 유지됨

그 이유는 크게 장기 계약과 소수의 웨이퍼 공급사로 한정되어서 공급자 우위의 시장이 형성되었기 때문임

기존 si 웨이퍼도 이러한데 화합물 반도체는 기술적 난이도가 높아 더 어려운 상황임을 감안하면 sic 웨이퍼도 공급자 우위 시장으로 갈것으로 보임

sic 웨이퍼의 변화

울프스피드가 가장 빠르게 진행하고 있으나 두번째 8인치 팹은 27년으로 연기된것으로 보임

(제미나이에서 검색한 결과을 첨부함)

sic 칩 시장

전력반도체 산업에서 칩 산업은 웨이퍼 산업 대비 상대적으로 변화가 적다. 글로 벌 선도 비메모리 칩 제조사들이 Si에서와 마찬가지로 차세대(SiCᆞGaN) 전력 반도체 영역에서도 앞서가고 있기 때문이다. Si에서와 다른 변화 포인트는 웨이퍼 제조사들의 칩 영역 확대다. Wolfspeed를 비롯한 SiC 웨이퍼 제조사들은 칩(디바 이스)과 웨이퍼 수직 계열화를 활발히 진행 중이다.

국내전력반도체 산업현황 (SK그룹)

- sic 웨이퍼

- 전력반도체 칩

Epitaxial Layer 공정 (화합물반도체에서 부가가치가 가장 높은 공정)

-LX세미콘

sic 웨이퍼의 선두주자이면서 칩까지 생산하여 수직계열화를 진행중인 울프스피드

- 울프스피드의 최근 분기 실적발표 QnA

가동률 :

Mohawk Valley를 확장하는 것은 WOLF 이야기에서 가장 중요한 부분으로 남아 있습니다. 2024년 6월 분기까지 활용률을 20%로 끌어올리겠다는 목표에서 알 수 있듯이 이는 확실히 빠르게 진행되지는 않습니다. 하지만, 순조롭게 진행되고 있는 것 같아 긍정적이기도 합니다.

한편, 가동률이 증가함에 따라 마진도 높아질 것이며, 30~40%의 가동률로 팹은 현금 손익분기점에 도달하게 됩니다.

수율 :우리는 이미 200mm 탄화 규소 웨이퍼를 사용하여 자동차 등급 MOSFET 기판의 높은 수율을 달성했으며 이제 Building 10 공장이 Mohawk Valley에서 최소 25%의 웨이퍼 시작을 지원할 수 있을 것이라고 확신합니다. <== 회사측이 언급한 내역이며 자동차등급 MOSFET 기판의 높은 수율은 ai 에 물어보니 60~70% 라고 합니다

design-in (설계단계부터 참여하는 수주?)