전력반도체: 전기차와 신재생에너지의 미래를 이끄는 핵심 기술

1. 요약

• 전력반도체는 현대 전자기기, 특히 전기차와 신재생에너지 분야에서 그 중요성이 날로 증가하고 있는 핵심 기술입니다. 현대 사회에서 전력 효율을 극대화하는 역할을 수행하며, 이러한 기능은 기술 발전과 함께 더욱 부각되고 있습니다. 현재 삼성전자는 이러한 시장의 변화를 주도하기 위해 전력반도체 사업에 대한 구체적인 전략을 마련하고 있으며, 이를 통해 시장 내 선도적인 지위 확보에 노력을 기울이고 있습니다. 전력반도체의 정의와 기능을 살펴보면, 이들은 전력을 효과적으로 제어하고 변환하는 전자 부품으로, 다양한 분야에서 활용됩니다. 특히, SiC(실리콘 카바이드) 및 GaN(질화갈륨) 등 고성능 반도체의 필요성이 점차 커지고 있는 가운데, 이 기술들은 기존 실리콘 반도체의 한계를 극복하며 안정성과 효율성을 높이는 데 기여하고 있습니다.

• 전력반도체 시장은 2023년 약 530억 달러 규모에서 2025년까지 연평균 18%의 성장률을 보이며, 19조 원에 달할 것으로 예상되고 있습니다. 특히, 전기차와 신재생에너지 분야에서의 수요 증가가 이러한 성장을 이끄는 주요 요인으로 작용하고 있으며, 이로 인해 전력반도체의 중요성이 더욱 강조되고 있습니다. 전기차에서 사용되는 반도체 수가 증가하고 있으며, 이와 함께 고성능 반도체의 필요성이 대두되고 있습니다. 이러한 추세는 기술 혁신과 연관 산업의 성장에 힘입어 더욱 가속화될 전망입니다.

• 또한, 전력반도체는 전기차와 신재생에너지의 여러 응용 분야에서 필수적인 역할을 수행하고 있습니다. 예를 들어, 전기차에서는 배터리의 전력을 제어하고 분배하는 과정에서 전력관리 IC(PMIC)의 사용이 필수적입니다. 신재생에너지 분야에서도 전력반도체는 전력 변환 시스템의 필수 요소로 자리 잡고 있으며, 이는 지속 가능하고 효율적인 에너지 생태계 구축에 기여하고 있습니다. 각 기업들은 이러한 기술 개발을 통해 전력반도체 시장 진입을 위한 연구 및 개발에 투자하고 있으며, 이는 향후 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

2. 전력반도체의 중요성과 시장 동향

• 2-1. 전력반도체 정의 및 기능

• 전력반도체란 전력을 효과적으로 제어하고 변환하는 데 사용되는 전자 부품을 의미합니다. 주요 기능으로는 전류를 통제하고, 전력 손실을 최소화하며, 전력 변환 효율을 높이는 역할을 합니다. 이러한 반도체 소자는 전기차, 신재생 에너지, 전자 기기 등 다양한 분야에서 필수적으로 사용됩니다.

• 전력반도체의 주요 소자로는 다이오드, 트랜지스터, IGBT(절연게이트 양극 트랜지스터), MOSFET(금속산화물 반도체 필드 이펙트 트랜지스터), 트리스터 등이 있습니다. 각각의 소자는 특정한 전력 변환 작업을 수행하여 전력 시스템의 효율성을 극대화합니다.

• 특히 SiC(실리콘 카바이드) 및 GaN(질화갈륨)과 같은 화합물 반도체는 전통적인 실리콘 반도체보다 오랜 내구성과 높은 온도에서도 성능을 발휘할 수 있어 전기차와 자율주행차의 수요가 증가함에 따라 더욱 주목받고 있습니다.

• 2-2. 시장 규모 및 성장 전망

• 전력반도체 시장은 2023년 약 530억 달러 규모에서 2025년까지 연평균 18% 성장하여 19조 원에 달할 것으로 전망되고 있습니다. 특히 전기차와 신재생 에너지의 발전으로 인해 전력반도체의 수요가 급증하고 있는 추세입니다.

• 전기차의 경우, 기존 내연차에 비해 약 2천 개 이상의 반도체가 사용될 것으로 예상되며, 이는 고성능 반도체의 필요성을 더욱 부각시키고 있습니다. 특히 전기차 용 SiC 반도체는 2021년 2조 원 시장에서 연평균 70% 성장을 통해 2025년까지 19조 원 규모로 증가할 것으로 전망되었습니다.

• 이러한 성장은 글로벌 내부에 지속되고 있는 전기차 생산 확대와 관련 산업의 기술 혁신에 기인합니다. 이를 통해 전력반도체는 현대 전자 산업에서 중요한 핵심 기술로 자리매김하게 될 것입니다.

• 2-3. 주요 응용 분야: 전기차와 신재생에너지

• 전기차는 전력반도체의 가장 주목할 만한 응용 분야 중 하나입니다. 전기차는 2차전지를 사용하여 동력을 얻으며, 이 과정에서 전력반도체는 배터리의 전력을 제어하고 분배하는 데 필수적입니다. 전력관리 IC(PMIC)는 전기차의 에너지 효율성을 높이는 데 매우 중요합니다.

• 신재생에너지, 특히 태양광 및 풍력 발전에서도 전력반도체는 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 태양광 발전 시스템에서는 태양광 모듈에서 생산된 직류 전력을 변환하여 가정이나 산업에서 사용할 수 있는 교류 전력으로 변환하는 데 전력반도체가 필수적입니다.

• 이 외에도 스마트 홈, 가전제품 및 산업 자동화 시스템 등에서 전력반도체는 매우 중요하며, 이로 인해 전력반도체의 시장 규모는 앞으로도 계속 증가할 것입니다. 이에 따라 많은 기업들이 전력반도체 분야의 연구 및 개발에 투자하고 있으며, 이는 향후 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 보입니다.

3. 전기차와 신재생에너지에서의 역할

• 3-1. 전기차 산업에서 전력반도체의 기능

• 전기차 산업에서 전력반도체는 차량의 전력 관리 및 에너지 효율성을 극대화하는 중요한 역할을 합니다. 전력반도체는 차량의 배터리가 전력을 공급하고, 이를 다양한 구동 시스템에 적절히 전달하도록 제어하는 기능을 수행합니다. 전력반도체는 전압 변환, 전력 분배 및 시스템의 안정성을 확보하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 전기차에서 흔히 사용되는 인버터는 DC(직류) 배터리 전력을 AC(교류) 전력으로 변환하여 전기 모터를 구동하는 데 핵심적인 소자로 작용합니다. 이러한 변환 과정에서 전력반도체의 효율성이 높을수록 차량의 성능과 주행 거리가 증가하게 됩니다. 특히, 최근에는 고온 및 고압 환경에서도 안정적으로 작동하는 화합물 반도체인 실리콘카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)이 주목받고 있습니다. 이들은 기존의 실리콘 반도체에 비해 성능이 월등히 뛰어나고, 높은 열전도성 및 전력 밀도를 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 전기차의 인버터 및 충전 시스템에서 SiC와 GaN을 적용하면 에너지 손실을 줄이고, 전반적으로 더 효율적인 에너지 관리를 가능하게 합니다.

• 3-2. 신재생에너지와 전력반도체의 상관관계

• 신재생에너지는 전력 소비 패턴의 변화에 대응하기 위해 효율적으로 에너지를 변환하고 관리하는 시스템이 필수적입니다. 전력반도체는 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 전력 변환 및 저장 과정에서 중요한 역활을 합니다. 특히, 신재생에너지원에서 생성된 전력이 안정적이지 않은 경우가 많기 때문에, 이를 효과적으로 관리할 수 있는 전력반도체의 필요성이 더욱 강조됩니다. 이는 변환 및 제어 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하고, 시스템의 전체 효율성을 높이기 위함입니다. 예를 들어, 태양광 패널의 전력을 직류에서 교류로 변환하는 인버터에 전력반도체가 활용되며, 이는 다시 전력망으로 연결되거나 전기차 충전소로 이어질 수 있습니다. 이러한 시스템은 전력망의 안정성과 신뢰성을 높일 수 있는 중요한 역할을 합니다. 또한, 전력반도체는 에너지 저장 장치와 결합되어 배터리 관리 시스템(BMS)에서도 핵심적인 요소로 작용하여, 보다 안정적이고 지속 가능한 에너지 생태계를 구축하는 데 기여하고 있습니다.

• 3-3. 세부 응용 사례 및 효과

• 전기차와 신재생에너지 분야에서 전력반도체의 세부 응용 사례는 다양한 형태로 나타납니다. 전기차의 경우, 테슬라는 2018년 모델 3에 SiC 전력반도체를 최초로 적용하면서 그 생산성을 극대화했습니다. 전력 손실을 최소화하고, 차량의 성능을 한층 끌어올리는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 연료전지 자동차의 경우, 현대차의 2세대 연료전지 전기차 '미라이'에 SiC 전환 소자를 탑재하여 성능 개선을 이뤘습니다. 이러한 사례는 전력반도체가 경량화와 고효율을 동시에 충족할 수 있음을 입증합니다. 신재생에너지 솔루션에서도, 예를 들어 태양광 변환 시스템에서 전력반도체가 탑재된 인버터의 사용은 그 효율성을 크게 증가시킨다고 알려져 있습니다. 이를 통해 에너지를 효율적으로 관리하고, 최적화된 전력 소비 패턴을 유지할 수 있습니다. 이러한 전력 전환 시스템의 효과는 전기차와 신재생에너지 간의 상호작용에서 더욱 두드러지게 나타납니다. 즉, 전력반도체가 신재생에너지의 배터리 저장 및 관리에 사용될 때, 이는 단순한 기술의 적용을 넘어서 전체 탄소 배출 감소 및 지속 가능한 에너지 소비를 가능하게 합니다. 이러한 전환은 전 세계적으로 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환을 가속화할 중요한 요소로 작용하고 있습니다.

4. 삼성전자의 전력반도체 태스크포스(TF) 및 미래 전략

• 4-1. 삼성전자의 TF 구성 배경

• 삼성전자는 최근 전력반도체 시장의 중요성을 인식하고, 그에 대한 전략적 대응을 모색하기 위해 전력반도체 태스크포스(TF)를 신설하였습니다. 전력반도체는 전기자동차와 신재생에너지 분야의 성장과 밀접하게 연관되어 있으며, 이를 통해 삼성전자는 전반적인 반도체 사업의 포트폴리오를 다각화하려 하고 있습니다.

• 이 TF의 구성은 반도체 부문 내 여러 사업부 소속 임직원들로 이루어졌습니다. 구체적으로, 칩 위탁 생산을 담당하는 파운드리 사업부, 반도체 회로 설계를 맡고 있는 시스템 LSI 부서 등 다양한 전문 인력이 차출되었습니다. 이들은 전력반도체 설계부터 생산 공정까지 사업 가능성을 다방면에서 검토하며, 현재 시장 트렌드와 기술 발전을 철저히 분석하고 있습니다.

• 전력반도체는 기존 실리콘 기반 반도체의 한계를 극복할 수 있는 기회를 제공하며, 삼성전자는 이런 혁신적인 기술을 통해 새로운 시장의 주도권을 확보하고자 합니다.

• 4-2. 전력반도체 사업 추진 방향

• 삼성전자의 전력반도체 TF는 두 종류의 주요 화합물인 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)을 중심으로 연구 개발을 수행하고 있습니다. 이러한 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있으며, 특히 높은 온도와 전압에서도 안정적으로 작동할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

• 이와 같은 높은 성능은 전기차 및 자율주행차량에 필수적인 요소로, 고온, 고압의 환경에서도 견딜 수 있는 전력반도체의 필요성이 커지고 있습니다. 삼성전자는 이러한 기술 개발을 통해 삼성의 반도체 제품군을 세계적인 수준으로 끌어올리고, 전력 효율성을 극대화하여 산업 전반에 긍정적인 영향을 미치겠다는 목표를 세우고 있습니다.

• 또한, 삼성전자는 메모리 사업 의존도를 낮추기 위한 방안으로 전력반도체 시장을 적극적으로 검토하고 있으며, 이는 장기적으로 매출 안정화에 기여할 것으로 예상됩니다.

• 4-3. 업계 동향과 삼성전자의 차별점

• 현재 전 세계 전력반도체 시장은 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있습니다. 테슬라와 현대자동차를 비롯한 여러 완성차 업체들이 전기차용 전력반도체 확보에 적극적으로 나서고 있으며, SK그룹이나 대만 TSMC와 같은 다른 반도체 기업들도 이 시장에 대한 공격적인 투자를 단행하고 있습니다. 스위스의 ST마이크로일렉트로닉스와 미국의 크리, 독일의 인피니언 등이 주요 기업으로 부각되고 있습니다.

• 다만 삼성전자는 풍부한 자본과 생산 경험을 기반으로 시장에서의 차별화를 꾀하고 있습니다. 삼성의 전력반도체 TF는 연구개발뿐만 아니라, 대규모 생산 체제를 신속히 갖출 수 있는 기반을 마련하는 데 집중하고 있습니다. 이로 인해 삼성전자가 차세대 전력반도체 시장에서 강력한 경쟁력을 가질 것으로 기대되고 있습니다.

5. 결론: 향후 전망과 산업 내 전력반도체의 필요성

• 5-1. 전략적 접근 방안

• 산업 내 경쟁력을 높이기 위해 기업들은 전력반도체 분야에 대한 연구와 개발을 지속적으로 강화해야 합니다. 삼성전자가 전력반도체 태스크포스(TF)를 신설한 것처럼, 업계의 주요 기업들은 보다 체계적이고 전략적인 접근 방식을 필요로 합니다. 특히 글로벌 전력반도체 시장은 성장을 지속하고 있으며, 앞으로도 시장 수요에 적합한 기술 개발이 필요합니다. 이를 통해 기업들은 새로운 기술을 상용화하고, 경쟁력을 유지하는 동시에 지속 가능한 성장 동력을 확보할 수 있습니다. 전력반도체의 역할이 나날이 중요해지고 있는 만큼, 미래의 전자산업에서도 핵심적인 위치를 차지할 것입니다.

결론

• 전력반도체는 현재 전기차와 신재생에너지 산업의 발전에 필수적인 역할을 하고 있으며, 이 분야의 기술 혁신은 전체 전자산업에 중대한 영향을 미치고 있습니다. 향후 전력반도체의 필요성과 중요성은 더욱 커질 것으로 예상되며, 이를 통해 기업들은 새로운 시장 기회를 창출하고 지속 가능한 성장 동력을 확보해야 합니다. 삼성전자가 전력반도체 태스크포스를 신설한 것처럼, 업계의 주요 기업들은 기술 개발을 통한 전략적 접근 방식이 필요하며, 이를 통해 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

• 또한, 전기차 및 신재생에너지 분야의 빠른 성장세는 전력반도체 기술의 발전을 더욱 가속화할 것이며, 이 기술들은 차세대 전자기기에서 필수적인 구성 요소로 자리 잡을 것입니다. 기업들은 전력반도체 분야의 연구 및 개발에 집중하여 혁신적인 솔루션을 제공하고, 변화하는 시장 트렌드에 민첩하게 대응하여야 할 것입니다. 지속 가능한 에너지 소비와 탄소 배출 감소를 통한 환경보호는 향후 산업 전반에서 더욱 중시될 것이며, 이에 따라 전력반도체 기술의 발전은 불가피할 것입니다.

용어집

• 전력반도체 [기술]: 전력을 효과적으로 제어하고 변환하는 데 사용되는 전자 부품으로, 전력 손실을 최소화하고 효율성을 높이는 역할을 한다.

• SiC(실리콘 카바이드) [소재]: 고온 및 고압에서도 안정적으로 작동할 수 있는 화합물 반도체로, 전력반도체 기술에서 높은 성능을 발휘한다.

• GaN(질화갈륨) [소재]: 전력반도체 분야에서 사용되는 화합물 반도체로, 높은 열전도성과 전력 밀도를 가지며, 효율적인 에너지 관리를 가능하게 한다.

• 전력관리 IC(PMIC) [부품]: 전기차의 전력을 제어하고 분배하는 데 중요한 역할을 하는 집적 회로이다.

• IGBT(절연게이트 양극 트랜지스터) [부품]: 고전압 및 고전력 기기를 제어하는 데 사용되며, 전력 변환 시스템에서 핵심적인 기능을 수행한다.

• MOSFET(금속산화물 반도체 필드 이펙트 트랜지스터) [부품]: 효율적인 전력 관리 및 변환을 위해 사용되는 반도체 소자로, 전력반도체의 중요한 구성 요소이다.

• 전기차 [응용 분야]: 전력을 배터리에서 공급받아 동력을 얻는 차량으로, 전력반도체가 필수적으로 필요한 분야 중 하나이다.

• 신재생에너지 [응용 분야]: 태양광 및 풍력 등 자연에서 얻은 에너지를 사용하는 분야로, 전력반도체가 에너지 변환 및 저장에 중요한 역할을 한다.

• 전력 변환 시스템 [구조]: 전력을 변환하여 사용하는 시스템으로, 전력반도체가 필수적으로 사용되는 핵심 구성 요소이다.

• 전력 밀도 [특성]: 단위 부피당 전력의 양을 의미하며, 전력반도체의 성능을 평가하는 중요한 기준이다.

출처 문서

• 삼성전자, '전력 반도체' TF 꾸렸다…반도체 먹거리 발굴 나서 [뒷북비즈]https://www.sedaily.com/NewsView/29MVCJKWMU
• 전기차용 SiC칩 매년 70% 성장…반도체시장 '게임 체인저'로https://www.sedaily.com/NewsView/29MUX8J04G
• 미래 전기차의 핵심, 전력 반도체https://brunch.co.kr/@kbk1268/23