이번 시간에는 전기차의 핵심이라 불리는 SiC 반도체에 대해 알아보겠습니다.
WHAT / WHO - SiC가 무엇이며, 누가(어떤 회사들이) 다루고 있지?
Si(실리콘) + C(탄소), 실리콘카바이드라고 부르는데 화합물 반도체 재료입니다.
SiC는 Si 반도체 이후 개발된 첨단 산업의 반도체 구조입니다.
SiC 반도체를 개발하는 주요 회사로는 ST마이크로, 울프스피드, 온세미, 로옴, 인피니언, NXP 등이 있습니다.
해당 산업의 전망은 22년 16.9억달러에서 23년 22.7억달러로 41.4%나 성장하였는데요.
26년에는 53.2억달러의 규모를 내다보고 있다고 합니다.
WHERE / WHEN - 어디에, 언제 주로 쓰이는 거지?
Si 반도체 대비 물리화학적 특성이 강한 탓에 전기차, 항공, 우주 분야에서 해당 소재는 주목받고 있습니다.
특히 전기차에 많이 쓰이는데요.
최근 더욱 각광받고 있는 이유는 배터리 시스템의 공칭전압이 400V에서 800V로 바뀌고 있는 흐름 때문입니다.
800V 배터리 시스템을 적용하게 되면 충전 시간이 줄어들기 때문이죠.
다만 충전 시간이 줄어드는 만큼(=고전압으로 충전시키는 만큼) 고전압 환경에 약한 Si 반도체는 사용할 때마다 성능 저하가 크게 발생하여, SiC 반도체 탑재를 점점 늘리게 되는 추세입니다.
전기차에서 쓰는 대표 부품은 PCU(Power Control Unit) 입니다.
특히 인버터에서 많이 이용되는데요.
인버터는 고전압 배터리팩에서 나오는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 모터를 움직이는 역할을 합니다.
해당 과정에서 SiC를 사용하게 되면 에너지 손실(스위칭 손실)이 적어지기 때문에 인버터 부품을 만들 때 소형화, 저손실화가 가능해집니다.
아래는 도요타에서 발표한 SiC 반도체 소개 영상입니다.
테슬라 차량에도 ST마이크로 사의 SiC 전력반도체를 사용한다고 합니다.
HOW / WHY - SiC가 왜 필요한거며, 이게 다 어떻게 가능한거지?
우리가 사용하는 모든 전자제품은 '전력'을 소비하게 되어있습니다.
전력이란 것은 '전압'과 '전류'의 상관관계에서 출력되는 단위이고, 시간에 따른 손실 등에 따라 결정됩니다.
이 때 전력의 변환, 전송에서 손실을 줄이거나 고전압, 대전류, 고주파수에서 사용하는 반도체를 전려간도체라고 합니다.
전력반도체를 전자제품에 사용하게 되면 전력을 얻기 위한 과정에 필요한 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 나타납니다.
[장점] Si 반도체 대비 높은 물리화학적 특성을 지닌 덕에, 고전압과 고온 환경에 강한 장점을 갖습니다.
- 에너지 밴드 갭이 Si 대비 3배나 넓은 3.26eV로 고온에서 잘 작동하는 특성
- 절연파괴전계값이 Si 대비 10배나 높아 고전압(수천V)에서도 끄덕없이 작동
- 열전도도가 Si 대비 4배 높아 300도 이상 고온에서 잘 버티며 냉각을 위한 에너지 낭비가 없음
또한 SiC는 실리콘이 포함된 재료이기 때문에 다른 물질에 비해 Si와 비슷합니다. 따라서 Si 반도체를 만들 때 사용하는 공정을 이용해서 SiC 전력반도체를 제작할 수 있게 되어, 공정을 그대롸 활용할 수 있다는 장점도 있습니다.
단점은 가격입니다.
[단점] Si 대비 10배 비싸다고 합니다. (6인치 SiC 웨이퍼가 8인치 Si 웨이퍼에 비해 10배 고가)
이렇게 오늘은 전기자동차의 핵심 소재, 실리콘 카바이드에 대해 알아보았습니다.
읽어주셔서 감사합니다.