IBK투자증권은 4월 13일 발표한 ‘전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체’와 7월 27일 발표한 ‘전환의 시대 화합물 반도체’등 두 번에 걸친 화합물 반도체에 대한 보고서를 통해 전력 반도체에 방점을 찍었다. 보고서의 저자 IBK투자증권 이건재 연구원은 화합물 반도체는 LED, 태양전지, 전력 반도체 등지에서 쓰임이 급속히 확대되고 있다고 분석했다. 특히 전력 반도체는 전기차와 환경 친화적인 에너지 이슈 등으로 화합물 반도체 시장을 이끌어 갈 것으로 전망했다. 

1962년부터 시작된 적색 LED 발전사와 비교해 볼 때 화합물 반도체인 질화물(Ntride) LED의 급성장은 혁명에 가까다. 1990년도 중반에 접어들면서 적색 LED 뿐만 아니라, 녹색 및 청색 LED 조명 효율이 백열 전구 수준을 능가하게 됐다. 1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 결합시켜 제작한 고휘도 백색 LED의 등장은 마침내 반도체 조명시대를 열기 시작했다.

90년대 중반 이후 질화갈륨(GaN) 청색 LED가 개발되면서 LED를 이용한 총천연색 Display가 가능하게 됐다. 최근 사용 어플리케이션이 늘어나고 있는 UV LED도 화합물 반도체를 활용해 제작하고 있어 화합물 반도체의 활용도는 점차 증대 되고 있다.

태양전지의 경우 실리콘 웨이퍼를 사용하는 일반 태양 전지와 달리 화합물 반도체인 GaAs 계 태양전지는 주로 위성용 태양전지에 적합한 특성을 갖고 있다. GaAs 기술은 주로 위성 산업이 발전한 선진국 위주로 발전되었으며 대표적 국가는 미국, 러시아, 일본, 독일 등이다.

일반적으로 갈률비소계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 공정 소요시간이 오래 걸리고 사용하는 소재들이 고가여서 주로 고성능 전자부품 시장을 형성하고 있으며 위성산업이 이에 적합한 산업으로 꼽힌다.

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양전지는 광전변환 효율이 Si보다 15% 이상 높고 온도 안정성과 방사능 내성이 우수해 대기권 밖 우주에서 효과적으로 사용되고 있다. 현재 미국 보잉사의 자회사인 스펙트로랩와 엠코어가 상용화를 준비하고 있는 화합물 반도체를 이용한 태양전지 시스템은 InGaP/GaAs/Ge 구조이며 비집광시 28 ~32%, 집광시 37~ 40%의 전환 효율을 나타낸다.

화합물 전력 반도체는 작동온도 상한이 500 ~ 600 ℃로 높고 열전도율이 높아 전열면적이 적어도 냉각이 용이해 인버터 소형화가 가능하다. 또한 송배전용이나 분산 전원용 전력 소자로 화합물 반도체를 적용할 경우 전력 변환 손실을 큰 폭으로 줄일 수 있어 소비전력이 감소하고 주변부품의 생략 혹은 소형화가 가능해 전력변환기의 크기 또한 감소시킬 수 있다.

이같은 특성과 함께 화합물 반도체를 적용하면 부품 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 장점 때문에 전력 반도체는 스마트 그리드, 전기차 등 신규 수요에 힘입어 급성장 하고 있다. Omdia에 따르면 SiC, GaN 전력 반도체의 판매액은 2018년 5억 7100만 달러에서 2020년 8억 5400만 달러로 2년간 49.6% 성장할 것으로 예상된다. 화합물 전력 반도체시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수 성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50억 달러를 넘어 설 것으로 전망된다. 

IBK증권은 전력 반도체 성장이 화합물 반도체 시장을 이끌 것으로 전망했다. 화합물 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있으며, 화합물 전력 반도체 중 사업성 높은 GaN과 SiC 전력 반도체가 시장 관심을 받고 있으며 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN과 SiC에 집중하고 있다. 다만 생산 비용이 Si전력 반도체 대비 높고 공정 개발이 성숙되지 않아 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 단적인 예로 2인치 화합물 반도체 웨이퍼 가격이 12인치 실리콘 웨이퍼보다 40배 가량 비싸다.

하지만 전기차 보급 확산으로 시장이 빠르게 성장해 기술이 점차 축적되고 있어 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상된다. 무엇보다도 충전인프라 문제 해결엔 SiC 전력반도체가 대안이 될수 있기 떄문이다.

IBK증권은 “순수 배터리 전기차는 여전히 극복해야할 과제가 존재한다. 배터리 생산, 성능 개선, 재활용, 충전 인프라 확보와 같은 굵직한 문제들에 대한 해결책이 더 필요한 상황”이라며 “이같은 극복 과제 중 성능 개선과 충전인프라 확보는 고성능 반도체 기술로 해결이 가능하다”고 진단했다.

“특히 충전 인프라 문제는 전기차 충전시간을 기존 화석연료 차량의 연료 충전 시간과 유사한 수준까지 끌어 올려야 하며 이같은 문제 해결은 화화물 전력 반도체로 해결할수 있다”며 “다이오드 MOSFET 드라이버는 고전력 충전 회로에 있어 중요 소자이며 화합물 전력반도체로 전환해 효율과 성능개선이 가능하다”고 덧붙였다.