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News/기술-산업-정책

그린 뉴딜의 핵심, 차세대 전력반도체

by 대학생신재생에너지기자단 R.E.F 20기 최예지 2021. 9. 27.

그린 뉴딜의 핵심, 차세대 전력반도체

대학생신재생에너지기자단 20기 최예지

 

[정부의 그린 뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획]

   지난해 12, 정부는 5 신재생에너지 기술 개발 이용 보급 기본계획을 발표하였다. 계획에서는 2050 탄소 중립을 실현하기 위한 신재생 에너지 분야의 대응 방향과 도전 과제를 제시하였다. 2034년까지 신재생에너지로 최종 에너지의 13.7% 발전량의 25.8% 달성하는 것을 목표로 삼았으며, 전력변환 효율 강화와 주파수 제어 전력계통을 체계적으로 운영할 예정이다.

   또한 올해 4, 기획재정부는 7 혁신성장 BIG3 추진 회의를 개최하였다. 회의에서는 시스템반도체, 미래 자동차, 바이오 분야로 구성된 BIG3 산업의 집중 육성 계획을 발표하였다. 그중에서, “차세대 전력반도체 기술 개발 생산역량 확충 방안” 안건이 논의되었다. 정부는 현재까지 90% 이상 수입에 의존하고 있는 차세대 전력 반도체 시장을 25년까지 자립시킨다는 목표를 발표하였다.

   이러한 정부의 그린 뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획은 어떤 관련이 있을까? 이것을 알아보기 전에, 전력반도체에 대한 이해가 필요하다.

 

[차세대 전력반도체란?]

    전력반도체는 정보나 신호를 처리하고 저장하는 시스템 반도체와 달리, 전자기기에 들어오는 전력을 변환, 저장, 분배하는 과정을 처리하는 핵심 부품이다. 컴퓨터, 가전, 전기자동차, 스마트그리드 등의 인버터나 컨버터에 사용될 뿐만 아니라, 태양광 발전 신재생 에너지 분야에도 유용하게 사용된다.

  ‘차세대’ 전력반도체는 기존의 실리콘 기반 전력반도체와 차별화된다차세대 전력반도체는 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 갈륨옥사이드(Ga2O3) 등의 신소재 웨이퍼로 제작된 반도체로서고전압에서 사용할  있고 전력 변환의 효율이 우수하며 고속 동작이 가능하다는 특징이 있다그렇기 때문에 차세대 전력 반도체는 고전압과 고온 환경인 신재생 에너지 발전 분야에 기존의 전력반도체보다 적합하다.

[자료1. 차세대 전력반도체] 

출처: SK 하이닉스 뉴스룸

   차세대 전력반도체는 웨이퍼에 사용된 소재에 따라서 활용되는 분야가 다른데, 실리콘 카바이드(SiC) 경우 고전압, 고효율의 특성을 가지고 있어 전기자동차, 태양광 신재생에너지의 인버터로 사용된다. 질화갈륨(GaN) 경우 반도체 공정이 용이하고 고속 동작과 소형화가 가능하기 때문에 고속 충전시스템, 자동차의 라이다, 통신 분야에 사용된다. 마지막으로 갈륨 옥사이드(Ga2O3) 경우 SiC, GaN 비해 고전압 동작과 집적화, 경량화가 가능하여 모터제어 IC, 통신 분야에 사용된다.

 

[신재생에너지 분야에서의 차세대 전력반도체]

[자료2. 차세대 전력반도체의 적용 분야]

출처: KERI 한국전기연구원

   첫 번째로, 차세대 전력반도체는 태양광 발전 기술에 이용된다. 태양광 패널에서 생산된 전력은 kV 고전압이며, 인버터를 통해 전력변환 과정을 거쳐 우리가 사용할 있는 전기로 바꿔야 한다. 이때 인버터의 핵심부품이 실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체이다. 특히, 태양광 발전의 간헐성을 극복하기 위해서 ESS 설치하는 경우 여러 차례의 전력 변환 과정을 거치기 때문에 태양광 발전의 성능을 높이기 위해선 전력 변환의 효율이 매우 중요하다. 이런 이유로 태양광발전에 이용되는 인버터는 고효율과 고전압용 차세대 전력반도체를 이용한다.

   두 번째로, 전기자동차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터에 공급하는 인버터의 핵심부품이 전력반도체이다. 차량의 연비 및 제한된 내부 공간으로 인해서 전력반도체의 경량화와 고집적화가 필수적이다. 또한 차량에 장착되기 위해선 차량 내부의 고온 환경에서도 견딜 수 있는 특성이 필요하다. 이때 탄화규소(SiC) 차세대 전력 반도체로 전기자동차의 인버터를 제작하면, 지금까지의 실리콘(Si) 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있다. 전력손실을 줄이고 자체 중량도 줄어들기 때문에 이중으로 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.

 

[차세대 전력반도체의 미래]

   정부의 그린 뉴딜 사업 추진에 따라서, 화석연료에서 신재생에너지로의 전환은 활발해질 것이며, 신재생에너지 발전기술에 적합한 특징을 가진 차세대 전력반도체의 수요는 더 늘어날 전망이다.  그러나 차세대 전력반도체는 안정적인 동작 및 내구성 확보를 위하여 공정 과정에서 해결해야 할 문제가 많아, 세계적으로도 독일과 일본만이 양산화에 성공하였다. 폭발적으로 늘어나는 전기차 수요에 비해 차세대 전력반도체는 소수의 국가만이 독점하고 있어 전 세계적으로 공급 부족 문제가 발생한 상황이다.

   우리나라의 차세대 전력반도체 시장 또한 아직 초기 성장 단계에 있다. 차세대 전력반도체 기술 발달은 곧 안정적인 신재생에너지 수급과 직결되기 때문에, 정부의 차세대 전력반도체 집중 육성 계획을 통한 공정 기술의 고도화와 양산 능력 확보로 탄소중립 사회로의 점진적인 전환을 희망한다. 

 

참고문헌

[정부의 그린뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 집중 육성 계획]

1) "기재부, 미래차·바이오 등 혁신성장 BIG3 추진회의 개최", 이예름, Daily NTN, 2021.04.02

https://www.intn.co.kr/news/articleView.html?idxno=2016113

1) 제5차 신재생에너지 기본계획(2020~2034) 발표, 산업통상자원부,  대한민국 정책 브리핑, 2020.12.29

https://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156429610 

 

[차세대 전력반도체란?]

1) "그린뉴딜 핵심부품 '차세대 전력 반도체' 본격 육성", 정 애, 에너지신문, 2021.04.01

https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=75956

 

[신재생에너지 분야에서의 차세대 전력반도체]

1) "'급이 다른' SiC 전력반도체", 한국전기연구원, The Science Times,  2021.05.11

https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=75956

2 ) "차세대 전력반도체와 이에 기반한 최신 전력변환 기술, 정인성, 전기신문, 2018.05.31

http://m.electimes.com/article.php?aid=1527756161158611052   

 

댓글10

  • 요즘 전력반도체가 새로운 키워드로 떠오르고 있다는 것은 알았는데, 다른 반도체와 정확히 어떤 점이 다른건지 헷갈렸었는데 이 기사를 읽으면서 잘 정리할 수 있었던 것 같습니다. 재생에너지 뿐만 아니라 전기차, 스마트그리드 등 다양한 미래의 먹거리 산업에 전력반도체가 필수적인 것 같습니다. 반도체 강국인 우리나라에서도 정부의 적극적인 지원 아래에서 전력반도체 분야에서 두각을 나타냈으면 좋겠습니다. 기사를 읽으며 궁금했던 것은 전력 반도체의 90% 이상을 해외에서 수입하고 있다고 하니 삼성전자, SK하이닉스 등 국내 유수 반도체 기업의 전력반도체 기술 수준과 시장 위치는 어느 정도 되는지 궁금합니다. 전력 반도체에 대해 잘 정리해주신 기사 잘 읽었습니다!
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  • 일상과 산업 전반의 전력화 및 첨단화가 이뤄지면서 반도체의 중요성은 갈수록 높아져만 가는 듯 합니다. 기존 산업 구조와 기술에서 지속가능한 형태로 바뀌기 위해서는 무엇보다 관련 기술의 확대가 우선시 되어야하겠죠. 그 중심축에 반도체 또한 자리잡고 있다는 사실을 다시 한 번 돌아보는 기회가 되었습니다. 유익한 기사 감사합니다.
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  • 기존에 일반 반도체와 전력 반도체와의 차이점을 구체적으로 알지 못하였는데 이번 기사를 통해 자세히 알게되었습니다! 또한 차세대 전력 반도체의 경우 일반적은 실리콘 베이스의 전력 반도체와는 다르게 신소재 웨이퍼로 제작된 반도체라는 점도 무척 흥미로웠습니다 :) 그린 뉴딜 사업 추진이 가속화되면서 신재생 에너지 기술에 아주 적합하겠네요! 좋은 기사 써주셔서 감사합니다~
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  • 이번 기사를 통해 전력 반도체가 무엇이고 그것의 필요성에 대해 자세히 짚고 넘어갈 수 있었습니다 신재생 에너지의 확대와 기술의 발전으로 반도체 역시 더불어 발전되어야 하는 것이 강조되는데 이에 발맞추어 나온 전력 반도체인것 같네요 또한 전력반도체의 웨이퍼 소재의 종류에 따라 주로 사용되는 분야가 달라질수 있다는 점, 정말 흥미롭게 읽었습니다 좋은 기사 감사합니다 :)
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  • 특정 분야에 활용되는 차세대 전력반도체에 대해서 처음 알게 되었는데 앞으로도 태양광과 전기차의 수요가 폭발적으로 증가하는 것은 당연한 수순이기에 얼른 양산 기술이 확보하고 수급 불안정 문제를 해결할 수 있으면 좋겠습니다. 그리고 반도체도 공정 방법에 따라 환경유해물질이 배출되는데, 앞으로 많은 수요를 이끌 차세대 전력반도체도 공정 내에서부터 환경유해물질을 최소화하는 방식으로 양산 기술이 발전하면 더욱 좋을 것 같습니다. 좋은 기사 감사합니다.
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  • 차세대 전력반도체가 기존의 실리콘 기반 반도체에 비해 소재 부문에서 어떤 차이점이 있는지와 이를 사용했을 때 에너지 효율이 증가한다는 장점이 있다는 점을 새로 알게 되었습니다! 그린뉴딜 사업으로 각광받는 여러 가지 사업들을 보고 있었는데 그 중 차세대 전력반도체라는 주제에 대해 잘 이해할 수 있던 기사였습니다.
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  • 반도체 분야를 희망하고있고 현재 학부연구생 중이기에 특히 재미있게 읽었습니다. 반도체의 종류로는 메모리 반도체와 시스템 반도체만 알고있었는데 전력 반도체라니 새롭고 또 신기하네요. 전력 반도체의 역할을 알고나니 꼭 존재해야 할 너무나 중요한 기능인데 왜 이제서야 생각했나 싶습니다.

    우리나라가 메모리 반도체가 세계적으로 대두될 무렵 많은 이들의 염려에도 불구하고 무모하게 반도체 사업에 뛰어들어 현재 메모리 반도체 분야 수출 세계 1위 국가가 되었고, 그로 인해 it분야에서 많은 성장과 명성을 거두었듯 전력 반도체 또한 어느 나라에게는 그런 기회가 되지 않을까 생각합니다. 우리나라도 전력 반도체에 주목하고 연구하여 어서 양산화 대열에 들어설 수 있었으면 좋겠네요.

    일본은 반도체 분야에서 초반에는 강세를 거두다가 이후 현재는 메모리 반도체와 시스템 반도체 모두 한국과 미국에 밀려 수출비율 1-3%밖에 차지하지 못하기에 파운더리 반도체같은 특수 반도체에 방향을 틀어 산업을 성장중이라고 들었는데 여기서 이렇게 알게되니 반갑고 또 신기한 마음이 듭니다. 일본이 반도체 시장의 재 점유를 위해 특수반도체에 몇년 전부터 주목하고 있는데 반도체 1위 국가인 우리도 빨리 이 흐름을 반영하여 그 명성을 놓치지 않을 수 있었으면 좋겠네요.

    연구생으로 있는 저보다도 새롭고 알기쉬운 반도체 기사 써주셔서 감사합니다.

    좋은 기사 써주셔서 감사드리고 고생 많으셨습니다!
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  • 전력반도체에 잘 몰라 어려울 기사일 굿 같았는데 기존 반도체와의 차이점과 신재생 에너지 발전 효율성 측면에서도 집어주셔서 이해하기 어렵지 않은 기사였습니다! 에너지 품질공정 쪽에 관심이 많았는데 차세대 전력반도체의 웨이퍼 공정에 대해서도 알게된 계기였습니다 좋은기사 감사합니다!
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  • 이번 기사를 통해 그린 뉴딜 사업과 차세대 전력반도체 사이에 어떤 관계가 있는지 알게 되었습니다. 또한 차세대 전력반도체와 기존의 반도체와의 차이점도 기사를 읽고 쉽게 이해할 수 있었습니다! 우리나라의 탄소중립 사회로 가는길에 있어 차세대 전력반도체의 발달이 필요하다고 생각하게 되었습니다. 유익한 기사 감사합니다 :~)
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  • 정말 반도체라는 부품은 외유내강이라는 말이 어울리는거같아요!
    그저 전기를 생산하고 끝내는 것이 아닌 "관리"와"변환"이 더욱 중요할 현재~미래에서는
    전력반도체의 위상이 더욱 높아질 것 같습니다!
    ESS등 차세대 부품들의 더욱 효율적인 관리를 위하여 전력반도체 시장이 더욱 활성화 되면 좋겠네요 :)
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