전력반도체의 미래: GaN 기술이 주도하는 반도체 혁신

1. 요약

• GaN(질화갈륨) 반도체 기술은 현재 반도체 산업에서 가장 주목받고 있는 혁신적 기술로, 특히 전력반도체 분야에서 그 중요성이 날로 증가하고 있습니다. 국내 반도체 대기업들은 GaN 기술을 차세대 먹거리로 삼아 집중 투자하고 있으며, 이러한 추세는 글로벌 전력반도체 시장의 급속한 성장과 맞물려 있습니다. GaN 반도체는 전력밀도가 높고, 고온 및 고압에서도 안전성과 효율성을 유지할 수 있는 특성을 가지고 있어, 전기차와 모바일 기기 등 다양한 응용 분야에서 필수적인 부품으로 자리 잡고 있습니다. 특히 전기차의 경우 GaN 반도체를 통해 충전 효율성을 높이도록 설계되고 있으며, 이로 인해 전기차의 인기가 상승세를 타고 있습니다. 또한, 모바일 기기에서도 GaN 기술이 적용되어 사용자의 편의를 극대화 하는 방향으로 발전하고 있습니다.

• 2023년에는 전력반도체 시장이 약 100조 원 규모로 성장하였으며, 앞으로 150조 원에 도달할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 GaN와 SiC(탄화규소) 등 차세대 기술에 대한 수요 증가에 기인하며, 시장조사기관 Yole Group에 따르면 GaN 전력반도체 소자 시장은 2027년까지 20억 달러로 성장할 것으로 보이고 있습니다. 따라서 국내 기업들은 이러한 시장 변화에 적극 대응하기 위해 GaN 소자의 개발과 생산능력 확장을 위한 전략을 마련하고 있으며, 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화하기 위한 노력을 기울이고 있습니다.

• 전력반도체의 기술 발전은 전자기기의 효율성을 높이고, 환경적으로도 지속 가능한 솔루션 제공이 가능하게 해줍니다. GaN 기술을 통해 이루어지는 전력소모 절감은 산업 전반에 긍정적인 영향을 미치며, 이는 또한 지속 가능한 경제로 나아가는 중요한 발판이 될 것입니다. 전력반도체 기술의 향상은 단순히 반도체 산업에 국한되지 않고, 전기차와 같은 미래 산업 전반에 걸쳐 장기적인 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

2. 전력반도체와 GaN 기술의 중요성

• 2-1. 전력반도체의 기본 개념과 기능

• 전력반도체는 전자 기기에 전력을 변환하고 제어하는 핵심 부품으로서, 전력이 필요한 다양한 전자 기기에 필수적으로 사용됩니다. 전력반도체는 주로 전원을 관리하고 분배하는 역할을 수행하며, 이로 인해 전자 기기의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 이들은 전압 변환, 전류 제어 및 전력 분배 기능을 수행하여 전력 소모를 줄이는 동시에 시스템의 신뢰성을 향상시킵니다.

• 전력반도체는 전력반도체 시장에서 높은 효율성과 성능을 요구하는 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 특히 시스템 반도체나 메모리와는 달리 전력반도체는 전자기기에서 전력을 안전하고 효율적으로 사용할 수 있도록 변환하여 공급합니다. 이 때문에 전기차, 가전제품, 통신 장비 등 다양한 분야에서 전력반도체의 채택이 증가하고 있습니다.

• 2-2. GaN 기술의 장점 및 기존 기술 대비 성능

• GaN(질화갈륨)은 차세대 전력반도체 기술로 주목받고 있으며, 기존의 실리콘(Si) 기반 반도체에 비해 뛰어난 성능을 보입니다. GaN 반도체는 고온 및 고압에서도 안정성을 유지하며, 전력 밀도가 높은 특성을 가지고 있어, 보다 소형화된 기기에서도 높은 효율을 발휘할 수 있습니다.

• 특히 GaN 기술은 전력손실을 절반으로 줄일 수 있는 가능성을 보여 주며, 성능은 기존 실리콘 반도체에 비해 4배 이상 뛰어난 것으로 평가됩니다. GaN 반도체는 열전도율이 뛰어나기 때문에 열 관리 문제에서도 우수한 성능을 자랑합니다. 이러한 특성 덕분에 GaN 기반의 전력반도체는 고전압 및 고주파 특성이 필수인 전기차 인버터, 데이터 센터 및 통신 장비 등에서 널리 사용되고 있습니다.

• 2-3. 전력반도체의 주요 응용 분야

• 전력반도체는 가전제품, 산업용 기계, 전기차, 통신 기기 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 역할을 합니다. 특히 최근에는 전기차와 지속 가능한 에너지 시스템의 발전에 따라 전력반도체의 수요가 크게 증가하고 있습니다. 전기차의 성능을 극대화하기 위해서는 고효율의 전력반도체가 필요하며, 이는 충전 효율을 향상시키고 주행 거리를 늘리는데 기여합니다.

• 모바일 기기에서도 GaN 기술은 전력 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히, 스마트폰과 노트북 PC 같은 디바이스에서 전력소비를 최소화하고, 동시에 장시간 사용할 수 있는 배터리 생명력을 갖출 수 있게 돕습니다. 또한, IoT 기기와 같은 신생 분야에서도 GaN 전력반도체의 적용이 증가하고 있으며, 이러한 경향은 여러 산업에서의 응용 가능성을 한층 넓혀주고 있습니다.

3. 글로벌 전력반도체 시장 현황 분석

• 3-1. 2023년 글로벌 전력반도체 시장 규모 및 성장 전망

• 2023년 글로벌 전력반도체 시장은 약 100조 원 규모로 평가되며, 앞으로 150조 원 규모까지 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 급격한 성장은 전력반도체의 수요가 급증하고 있다는 반증으로, 전기차와 모바일 기기를 비롯한 여러 산업에서 전력효율을 최적화하기 위한 필수적인 요소로 자리 잡고 있습니다. 특히, 시장조사기관 Yole Group의 보고서에 따르면, GaN(질화갈륨) 전력반도체 소자 시장은 2021년 1억 2600만 달러에서 2027년까지 20억 달러로 확대될 것으로 보이며, 연평균 59%의 고속 성장이 전망됩니다.

• 이러한 성장세는 최신 기술인 GaN과 SiC(탄화규소)가 기존의 실리콘 기반 제품을 대체하면서 더욱 가속화되고 있습니다. GaN 전력반도체는 고온, 고전압에서도 높은 내구성을 보이며, 공간 효율과 전력밀도를 높이는 데 도움을 주는 특성을 가지고 있습니다. 따라서 전력半导체의 시장 성장은 다양한 산업 분야에서의 기술 향상 및 효율성을 강조하는 흐름과 잘 맞아들어갑니다.

• 3-2. 국내 기업의 시장 점유율 확대 전략

• 삼성전자와 SK하이닉스를 포함한 국내 반도체 기업들은 GaN 반도체 기술에 대한 집중 투자와 개발을 통해 글로벌 시장에서 점유율을 확대하고 있습니다. 삼성전자는 CSS(Compound Semiconductor Solutions) 사업팀을 신설하여 GaN 기술을 포함한 차세대 전력반도체 사업을 확대할 계획을 세웠으며, 2025년에는 8인치 GaN 전력반도체 파운드리 서비스를 시작할 것으로 알려져 있습니다. 이는 기존 실리콘 반도체와 비교해 10배 이상의 고전압을 견디는 능력을 갖춘 GaN의 장점을 극대화하기 위한 전략입니다.

• Additionally, SK하이닉스는 GaN 웨이퍼의 상용화를 위해 영국의 웨이퍼 제조업체 IQE와 파트너십을 맺고, 2025년까지 GaN 기반의 8인치 웨이퍼 파운드리를 개발하고 있습니다. 이러한 전략적 접근은 국내 기업들에게 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖추도록 하며, 향후 전력반도체 분야에서의 기술 선도 및 시장 점유율 확대에 중요한 역할을 할 것입니다.

• 3-3. 주요 경쟁국 및 기업 분석

• 전력반도체 시장은 일본, 미국 및 유럽을 중심으로 한 선진국들의 강력한 기술력과 투자로 치열한 경쟁이 이루어지고 있습니다. 대표적인 기업으로는 인피니언, STMicroelectronics, International Rectifier 등이 있으며, 이들은 일찍이 GaN 및 SiC 기술 개발에 집중하여 시장을 선도하고 있습니다. 이러한 기업들은 R&D(R&D, Research and Development) 비용을 대폭 투자하여 기술력을 높이고 있으며, 시장의 수요 변화에 민첩하게 대응하고 있습니다.

• 특히 중국 또한 이 분야로의 큰 투자를 확대하고 있으며, 이는 국내 기업들에게는 위기이자 기회가 될 수 있습니다. 예를 들어, 중국 기업들은 생산 시설을 신속하게 구축하며 기술을 발전시키고 있으며, 이러한 상황은 한국 기업들이 기술 개발 및 시장 대응 전략을 더욱 강화할 필요성을 시사합니다. 한국의 중소기업들도 GaN 반도체 기술 개발에 적극적으로 참여해야 하며, 정부 및 산업계의 지원이 절실히 요구됩니다.

4. 전기차 및 모바일 기기에서의 전력반도체 수요 증가

• 4-1. 전기차 시장 성장과 전력반도체의 관계

• 전기차 시장의 성장은 전력반도체 수요 증가와 밀접한 관계가 있습니다. 2022년 글로벌 전기차 판매 비중은 전체 차량 판매량의 약 9.9%를 차지하였고, 이러한 추세는 앞으로도 지속될 것으로 예상됩니다. 전기차는 내연기관차와 비교했을 때 더 높은 전압을 사용하며, 전력 효율이 중요하기 때문에 기존 실리콘(Si) 전력반도체보다 성능이 우수한 GaN(질화갈륨) 및 SiC(탄화규소) 반도체의 탑재가 필수적입니다. 실제로 전기차의 내장 배터리와 모터 시스템의 작동 전압은 400V에서 800V까지 증가하고 있으며, 이는 고온에서도 성능을 유지할 수 있는 화합물 전력반도체의 필요성을 더욱 부각시키고 있습니다. 예를 들어, 테슬라의 2023년 전기차 판매량 중 SiC 반도체를 탑재한 차량 비율은 99%에 달했으며, 현대기아차의 아이오닉, EV6, 제네시스 EV 모델에서도 이러한 전력반도체가 널리 사용되고 있습니다.

• 4-2. 모바일 기기에서의 전력반도체 적용 확대

• 모바일 기기에서도 전력반도체의 적용이 급속히 확대되고 있습니다. 특히 GaN 전력반도체는 높은 전자 이동성과 강한 파괴 전압을 자랑하여 RF 소자 및 고속 무선 충전에 적합한 특성을 지니고 있습니다. 최신 모바일 기기용 초고속 충전기에는 대부분 GaN 소자가 적용되며, 이는 기존 실리콘 반도체에 비해 충전 효율과 발열 문제를 대폭 개선하였습니다. GaN 반도체의 스위칭에서 오는 손실이 적기 때문에, 빠른 충전 속도와 함께 발열 제어의 효율성이 높아지는 효과를 가져왔습니다. 이러한 이유로 GaN 반도체는 5G 통신장비, 고속 전력 변환 장치, LiDAR 및 레이더 시스템 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있습니다.

• 4-3. 향후 시장의 주요 동력 및 도전 과제

• 향후 전력반도체 시장의 주요 동력은 더욱 강화된 전기차와 모바일 기기의 보급 확대입니다. 특히, GaN 전력반도체는 2021년부터 2027년까지 연평균 59%의 높은 성장률을 기록할 것으로 전망되며, 이는 전기차와 모바일 기기뿐 아니라 다양한 산업 분야에서의 수요 증가에 따른 것입니다. 그러나 이러한 성장 가능성에도 불구하고, 기술적 도전과 높은 제조 비용은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있습니다. GaN 및 SiC 반도체의 공정난이도와 높은 원재료 비용 등으로 인해 초기 생산 비용이 높은 상황이기 때문에, 대규모 생산 시스템의 개발과 기술 혁신이 필요합니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 국내 기업들은 연구 개발 및 협력 강화를 통해 경쟁력을 높여가고 있으며, 향후 이들 기술이 산업 전반에 미치는 영향은 더욱 클 것으로 예측됩니다.

5. 미래 전망 및 결론

• 5-1. 국내 반도체 기업의 전략적 방향

• 국내 반도체 기업들은 GaN(질화갈륨) 기술을 혁신의 핵심으로 삼아 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화하려 하고 있습니다. 삼성전자와 SK하이닉스는 GaN 반도체를 통해 전력 효율성을 극대화하고, 전기차와 같은 신시장에 적합한 제품군을 확대하고 있습니다. 현재 기존의 실리콘 반도체가 가진 한계를 극복하려는 전략의 일환으로, 고전압을 견디고 열에 강한 GaN 소재를 적극 활용하고 있으며, 이러한 방향은 차세대 전력반도체 시장에서 우위를 점하는 데 결정적 역할을 할 것입니다.

• 특히 역사적으로 일본과 유럽의 전통적인 강국들에 치열하게 맞서기 위해 국내 기업들은 생산성 향상과 비용 절감을 위해 R&D 투자와 더불어 인수합병 전략을 통해 기술력을 강화하고 있습니다. 예를 들어, SK㈜는 전력반도체 전문 업체를 인수하여 새로운 기술력을 보유함으로써 시장 진출을 가속화하고 있습니다.

• 5-2. 전력반도체 기술 발전의 중요성

• 전력반도체의 기술 발전은 단순히 반도체 산업의 경쟁력 강화를 넘어, 이차전지와 전기차 등 미래 산업 전반에 걸쳐 보편적인 영향을 미치고 있습니다. GaN 반도체는 높은 스위칭 주파수와 열전도성을 가진 장점 덕분에 빠르게 변화하는 전력 수요에 효과적으로 대응할 수 있는 기술로 자리매김하고 있습니다.

• 국내외 연구개발 결과에 따르면, GaN 소재의 전력반도체는 기존 실리콘 대비 10배 이상의 고전압 저항력을 지닌다는 보고가 있으며, 이는 전기차와 같은 고전압 시스템에서의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술 발전은 단순히 제조 효율성뿐만 아니라, 전력 소비의 최적화를 통해 탄소 배출 감소와 같은 환경적 측면에서도 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

• 5-3. 하반기 전력반도체 시장의 주요 이슈 및 예측

• 2025년 하반기 전력반도체 시장은 다음 몇 가지 주요 이슈와 변화를 겪을 것이며, 이는 시장 전체에 중요한 영향을 미칠 것입니다. 첫째로, GaN 및 SiC(탄화규소) 기술의 채택이 가속화될 것으로 예측되며, 특히 전기차에서의 이러한 신기술 적용이 급격히 증가할 것입니다.

• 둘째, 글로벌 공급망 불안정성으로 인해 원자재 가격 이슈가 전력반도체 제조업체에 악영향을 미칠 것으로 보이며, 여기에 대응하기 위해 국내 제조업체들은 자원을 효율적으로 분배할 필요가 있습니다. 셋째, 각국의 친환경 정책과 전기차 시장의 성장은 전력반도체의 수요를 더욱 촉진할 것으로 예상됩니다. 따라서 향후 시장에서의 성공은 이러한 변화에 얼마나 잘 적응하고 대응하는가에 달려 있을 것입니다.

결론

• 전력반도체 분야에서 GaN 반도체 기술은 현재와 미래의 필수 요소로 자리매김하고 있으며, 국내 반도체 기업들은 이 기술을 통해 글로벌 시장에서의 입지를 확고히 하는 데 집중하고 있습니다. 삼성전자와 SK하이닉스는 GaN 기술을 적극적으로 활용하여 전력 효율성을 극대화하고, 전기차와 같은 신시장의 요구에 부합하는 제품군을 개발하고 있습니다. 이러한 전략은 전세계적으로 경쟁이 치열한 반도체 산업에서 중요한 의미를 가지며, 향후 국내 기업들이 시장에서 우위를 점할 수 있는 기반이 될 것입니다.

• 그뿐만 아니라, 정부와 산업계는 GaN 전력반도체 기술 개발을 지원하기 위한 노력에 박차를 가해야 합니다. 기술 혁신은 필수적인 경쟁 요소로, 지속적인 연구 개발과 인프라 구축이 뒷받침되어야 합니다. 따라서 국내 기업이 기술 발전을 통해 글로벌 시장에서의 변동성을 극복하고 기회를 창출하는 측면에서 적극적인 방향전환이 요구됩니다. 2025년에 진입하게 될 전력반도체 시장에서의 변동과 글로벌 경쟁 환경에 대한 면밀한 분석이 이뤄져야 하며, 이러한 요소들이 기업 전략에 반영된다면, 지속 가능하고 안정적인 성장 모멘텀을 형성할 수 있을 것입니다.

용어집

• GaN [기술]: GaN(질화갈륨)은 차세대 전력반도체 기술로, 높은 전력 밀도와 고온 안정성으로 주목받고 있다.

• SiC [기술]: SiC(탄화규소)는 고온 및 고전압에서 우수한 성능을 발휘하는 전력반도체 소재로, GaN과 함께 차세대 기술로 자리잡고 있다.

• 전력반도체 [부품]: 전력반도체는 전자 기기에 전력을 변환하고 제어하는 핵심 부품으로, 전자기기의 효율성을 높이는 데 기여한다.

• R&D [기술 용어]: R&D는 Research and Development의 약자로, 연구와 개발을 통해 기술 혁신을 도모하는 활동을 의미한다.

• 충전 효율성 [개념]: 충전 효율성은 배터리가 전력을 얼마나 효과적으로 저장하고 사용하는지를 나타내는 중요한 성능 지표이다.

• 전자 이동성 [물리적 특성]: 전자 이동성은 전자가 전기장에서 이동하는 능력을 의미하며, 전력반도체의 성능에 큰 영향을 미친다.

• 파괴 전압 [물리적 특성]: 파괴 전압은 반도체 소자가 견딜 수 있는 최대 전압으로, 이 값을 초과하면 소자가 손상될 수 있다.

• 소형화 [개념]: 소형화는 전자 기기를 작고 가벼운 형태로 만드는 과정을 의미하며, 현대 전자 기기의 중요한 경쟁력 중 하나이다.

• 스위칭 주파수 [기술 용어]: 스위칭 주파수는 전력반도체 소자가 전기를 켜고 끄는 주기의 빈도를 나타내며, 높은 주파수는 효율성을 높일 수 있다.

• 제어 시스템 [기술 용어]: 제어 시스템은 전자기기의 작동을 제어하고 최적화하는 시스템으로, 전력반도체의 중요한 응용 분야 중 하나이다.

출처 문서

• 삼성전자, 'GaN 반도체' 미래먹거리로 낙점...기존 반도체보다 10배 이상 고전압 견뎌 < 산업/IR < 기사본문 - 플레이포럼https://www.playforum.net/news/articleView.html?idxno=415410
• 반도체, 또 하나의 승부처…‘GaN 전력반도체’http://m.applen.or.kr/news/articleView.html?idxno=74087
• 벤처금융레터 :: vol.'23-06월 :: 벤처 인사이트 :: 이차전지 이후 주목해야 할 키워드: 전력반도체https://vcletter.co.kr/page/view.php?type=newsletter&category=12&idx=29