차세대 Power device로 주목받고 있는 SiC 반도체는 Electric Vehicle용도로는 이상적이지만 아직 본격적인 보급까지는 이르지 못하고 있습니다. 그 배경에는 강한 성질을 가지고 있는 SiC 재료를 취급하기 어렵다는 점이 있으며, 이것을 극복해 SiC Power device양산에 성공한 것이 롬(ROHM)입니다.
롬(ROHM):SiC-MOSFET의 양산화에 최초로 성공한(2010년) 반도체 장비 메이커
저손실, 고내압으로 고온작동이 가능한 꿈의 반도체
SiC Power Device 개발은 누구도 경험한 적이 없고, 아무도 모르는 여러 가지 문제가 발생합니다. 학술 논문도 아직 없는, 말하자면 미지의 영역입니다. 그래서 어떤 일이 일어날지 모르는 상황에서 하나하나 해결해 나가면서 해결 수단까지 찾아 나가야 하기 때문에 어렵습니다.
롬(ROHM)은 2010년에 세계 최초로 SiC(실리콘 카바이드)를 이용한 트랜지스터(MOSFET) 양산에 성공하고, 2012년에는 SiC를 이용한 SBD(Schottky Barrier Diode)를 전동차의 차량용 충전기에 사용합니다. 차량용이기 때문에 ACE-Q101규격에 맞는 성능을 확보한 세계 최초 양산품입니다. 그리고 같은 해에 SiC Power Module양산도 성공했습니다.
근래에 자주 들리는 이 SiC반도체 재료 이름으로, 최근 20년 동안에 급격히 발전해 온 Electric Vehicle이나 Hybrid Electric Vehicle에는 IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)라고 하는 Power Device를 사용하는데, 이것이 전동구동의 핵심이라고 할 수 있는 Invertor의 주요 부품입니다. 1.000V 이상이나 되는 고전압에 견디면서 저손실에다가 초고속으로 전류를 On/Off 할 수 있어서, 직류 형태로 전력을 저장하는 배터리와 교류를 필요로 하는 Motor 사이에 전력 조정과 변환이라는 역할을 합니다.
IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)는 이름 그대로 트랜지스터의 일종으로 반도체 기판상에 형성되는 구조를 가리킨다고 생각하면 됩니다. 기판에는 SiC를 이용하지만 이론적으로는 Si 외에의 기판 위에 형성하는 것도 가능합니다. 이 밖에 전력제어 용도의 트랜지스터로는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)가 있습니다. 실리콘을 이용하는 MOSFET는 더 고속으로 전류의 On/Off가 가능하다는 등의 장점도 있지만, 전압 내구성의 한계가 있기 때문에 몇 백 볼트나 되는 고전압을 다룰 필요가 있는 Electric Vehicle 등의 전동 Powertrain용도로는 한정적입니다. IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)는 이 Si-MOSFET의 약점이라고 할 수 있는 부분을 극복하기 위해서 만든 것으로, 높은 압력을 견딜 수 있고 손실이 적다는 장점이 있는 반면에 고속에서의 스위칭에는 맞지 않는 단점이 있기도 합니다. 그래서 고안된 것이 더 높은 전압에 견디고, 고속 스위칭이 가능한 재료로 MOSFET를 만드는 것입니다. 그 재료가 SiC입니다. 그러나 Si 같은 단일 원소를 단결정화해 만드는 Si 반도체와 Si와 C(탄소) 두 가지 원소로 이루어지는 화합물을 결정화할 뿐만 아니라 반도체 부품이 필요로 하는 순도 높은 균일한 상태로 만드는 일은 후자 쪽이 가공 난이도가 훨씬 높습니다. 게다가 SiC는 반도체 상에 구조를 만들어 넣는 것도 상당히 어렵습니다.
SiC는 상당히 단단하기 때문에 가공하는 것 자체가 대단히 어렵습니다. 반도체 부품 제조에는 열처리 같은 공정이 필수적인데, 그 온도가 SiC만 해도 몇 백도나 되고 SiC에서는 높은 내열성 때문에 2000도 가까운 초고온에서 처리할 필요가 있습니다. 즉 제조가 곤란하다는 뜻은 즉, 비용이 많이 들어간다는 뜻이기도 합니다. SiC가 큰 기대를 받으면서도 아직까지 Si Power Device 수요를 능가할 만큼 보급되지 않은 이유가 여기에 있습니다.
- SiC Power Device의 성능은 압도적입니다.
그래서 시장에서 실적을 인정받아 성장기에 들어갔습니다. 다만 Si Power Device가 전부 SiC로 대체되느냐면 그렇지 않을 거라 생각합니다. 필요로 하는 성능이나 특성에 맞춰서 각각을 적재적소에 선택해 사용할 것으로 예상됩니다.
앞에서도 언급했듯이 이미 SiC-MOSFET 양산에 성공한 롬(ROHM)에서는 Electric Vehicle이 Motor를 구동하는 Traction Invertor의 구성 부품인 Power Device를 Si-IGBT에서 SiC-MOSFET로 바꾸는 실험을 해오고 있습니다. WLTC 연비시험에서 3~7%나 전비향상 효과를 확인했다고 합니다. 즉 항속거리는 가만 놔두고 배터리 용량을 줄일 수 있는 가능성이 있습니다. 현시점에서는 SiC-MOSFET로 바꾸게 되면 가격이 올라가기는 하지만, 반면에 배터리 용량을 낮출 수 있기 때문에 배러티 가격 절감으로 상승분을 흡수할 수 있는 가능성이 있습니다. 배터리 용량이 클수록 가격인하 효과가 크므로, 대용량 배터리를 탑재하는 Luxury Car부터 보급하고 있습니다. 이미 몇몇 자동차 메이커와 Tear-1 Maker에서는 채택하기로 결정된 상태여서 전 세계의 고객사들에게 롬(ROHM)의 SiC를 검토받고 있습니다.
SiC-IGBT에서 SiC-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 바뀜으로써 특히 효과가 나타나는 것은 앞에서도 설명하였듯이 큰 출력을 필요로 하지 않는 시내주행 때입니다.
모터가 가벼운 부하로 작동하는 이 영역에서 대폭적으로 손실이 줄어듭니다. 여기서 크게 작용하는 것이 IGBT와 SiC-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 출력특성 차이에서 오는 낮은 손실입니다. SiC-MOSFET 같은 겨우, 손방향 전류가 제로전압에서 직선적으로 솟구치기 때문입니다. IGBT에서는 어느 일정한 전압을 넘어설 때까지 전류가 올라가지 않기 때문에 손실이 커지는 것입니다. 덧붙이자면 전기전도 손실 그래프 우측의 막대그래프는, 파워 모듈 내의 Si-IGBT와 조합하는 Free Wheel Diode를 Si Base의 FRD(First Recovery Diode)로 했을 때의 일반적인 사례이며, Free Wheel Diode를 SiC Base의 SBD(Schottky Barrier Diode)로 교체했을 경우, 그리고 모든 요소를 SiC만 사용했을 경우에의 손실을 비교하였습니다. 흥미로운 점은 중앙의 Si-IGBT와 SiC-SBD의 조합인데, 이것은 말하자면 Si와 SiC의 하이브리드 구조라고 할 수 있는데, 이것만으로도 40%나 되는 저손실 효과를 얻을 수 있습니다. 사실 FWD만 SiC-SBD로 바꾸는 방법은 승용하 인버터에 적용하는 것을 감안하면 효과와 크기, 가격을 종합적으로 판단할 필요가 있어서, 그다지 현실적이지 않습니다. 그래서 시판차량이 아니라 철도차량의 Invertor 등에 적용되고 있습니다.
한편 스위칭 손실은 전기전도 손실과는 또 달라서, 스위칭 때의 전환에 걸리는 시간, 말하자면 응답성이 영향을 끼치는 부분입니다. Si-IGBT가 됐든 SiC-MOSFET가 됐던지 간에 이 전환 시간에서 손실이 발생하는 것은 똑같지만, On에서 Off 또는 Off에서 On으로 상태가 바뀔 때의 '그래프 기울기'가 수직에 가까울수록 스위칭 시간이 짧을수록 손실이 작아집니다. 덧붙이자면, 막대그래프에서 74%의 손실저감을 보이는 SiC-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)에 FWD용도로 SiC-SBD를 부가하는 일은 없습니다. MOSFET의 구조상, 형성되는 기생 Diode를 활용해 외장 FWD가 없어도 작동할 수 있기 때문에 실장 공간등에 장점이 있습니다.
꿈의 반도체로 기대를 모으는 SiC이지만, ROHM에서는 이미 차량용 반도체에 필요한 ACE-Q101 규격 제품의 양산체제까지 갖춘 상태입니다. SiC 분야에서 세계 최첨단을 달리는 ROHM이기 때문에 가능한 기술입니다.
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