한 단계 더 발전하여 SiC 전기화를 앞당기세요. 앞으로 우리의 반도체는 자동차 및 기타 산업의 성능을 어떻게 향상시킬까요? Cree Company의 Wolfspeed 최고기술책임자(CTO) John Palmour

많은 전력 공급 시스템이 실리콘(Si) 기술에서 실리콘 카바이드(SiC) 기술로 전환되고 있습니다. 이는 1980년대 바이폴라 반도체가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 전환된 이후 전력 반도체 산업이 경험하는 가장 큰 변화가 될 것입니다. 이러한 변화와 동시에, 영향을 받는 많은 산업 또한 이례적인 전면적 전환기를 겪고 있습니다. 자동차 산업부터 태양광 에너지 산업에 이르기까지 실리콘 카바이드(SiC)의 장점이 두드러지고 있습니다. 큰 변화를 겪고 있는 가운데, 모든 주요 제조업체는 실리콘 카바이드(SiC)를 자사 기술에 더욱 통합하기 위해 노력하고 있습니다.

자동차 산업은 현대 산업의 전례 없는 변화를 보여주는 전형적인 사례입니다. 향후 10년 동안 자동차 산업은 내연기관에서 전기화로 전환될 것입니다. 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로의 전환은 전기차가 소비자의 요구를 충족하는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 기후 변화의 영향에 대한 정부 규제도 충족할 수 있습니다. 탄화규소(SiC) 솔루션은 "한 단계 더 발전"하여 전기차의 발전을 돕고 있으며, 고속 충전 인프라, 구동 인버터, 전원 공급 장치와 같은 애플리케이션을 업그레이드하고 통신 및 항공우주 분야의 발전을 촉진하고 있습니다.

그림 1. 실험실의 Cree 직원

전기차 기회

소비자 수요 증가와 정부 규제 강화에 따라 테슬라, 포드, 폭스바겐 등 자동차 제조업체들은 향후 300년간 전기차에 2030억 달러 이상을 투자할 것이라고 발표했습니다. 전문가들은 15년까지 순수 전기차(BEV)의 비중이 전체 자동차 대수의 XNUMX%에 달할 것으로 예측합니다. 따라서 향후 몇 년 동안 전기차용 실리콘 카바이드(SiC) 부품 시장이 기하급수적으로 성장할 것입니다.

전기화는 제조업체들이 더 이상 실리콘 카바이드(SiC)의 장점을 외면할 수 없을 만큼 중요한 요소입니다. 기존 전기 자동차에 사용되는 실리콘(Si) 기술과 비교했을 때, 실리콘 카바이드(SiC)는 배터리 수명을 늘리고 성능을 향상시키며 충전 시간을 단축할 수 있습니다. 따라서 많은 공급업체들이 Cree와 협력하여 전기 자동차 계획을 개발할 것이라고 발표했습니다. 예를 들어, 델파이 테크놀로지스는 실리콘 카바이드(SiC) 반도체를 사용하여 더욱 효율적이고 작고 가벼운 인버터 시스템을 개발하고 있으며, ZF 그룹은 순수 전기 구동 파워트레인을 개발하고 있습니다. ABB 그룹은 실리콘 카바이드(SiC)를 활용한 다양한 전력 시스템을 개발 및 공급하고 있습니다.

효율성 향상

실리콘 카바이드(SiC)의 스위칭 손실은 실리콘(Si) 기반 IGBT보다 훨씬 낮습니다. 또한 실리콘 카바이드 소자에는 내장 전압이 없어 전도 손실이 현저히 낮습니다. 따라서 실리콘 카바이드(SiC)는 전력 밀도가 더 높고 무게가 가벼우며 작동 주파수가 더 높습니다. 최근 자동차 테스트에서 실리콘(Si)과 비교하여 Cree의 실리콘 카바이드(SiC) 기술은 인버터 손실을 약 78% 줄였습니다. 자동차 분야에서 이러한 효율 개선은 파워트레인 솔루션, 전력 변환기, 비온보드 충전기 및 온보드 충전기에 적용될 수 있습니다. 기존 실리콘(Si) 기반 솔루션과 비교하여 실리콘 카바이드(SiC)는 전기 자동차의 전체 효율을 5~10% 향상시킬 수 있습니다. 제조업체는 이를 사용하여 순항 범위를 늘리거나 부피가 크고 값비싼 배터리 사용을 줄일 수 있습니다.

또한, 탄화규소(SiC)는 냉각 요구 사항을 줄이고 공간을 절약하며, 실리콘(Si) 기반 방식보다 무게가 가볍습니다. 탄화규소(SiC)는 고속 충전기를 지원할 수 있으며, 현재 75분 충전으로 배터리 수명을 5마일(약 XNUMXkm)까지 늘릴 수 있습니다.

탄화규소(SiC) 솔루션 가격의 지속적인 하락은 도입률 증가로 이어졌습니다. 자동차를 예로 들면, 전기 자동차에 사용되는 탄화규소(SiC) 부품의 가격은 약 250달러에서 500달러(전력 요구량에 따라 다름)로 추산됩니다. 자동차 제조업체가 배터리 비용, 배터리 및 인버터의 부피와 무게, 그리고 각 전기 자동차의 냉각 요구 사항 측면에서 절감하는 총 비용은 최대 2,000달러에 달할 수 있습니다. 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로의 전환을 촉진하는 여러 요인이 있지만, 이것이 핵심입니다.

자동차 산업 외

자동차 산업 수요는 크리(Cree)의 9억 달러 규모 실리콘 카바이드(SiC) 시장 기회의 약 절반을 차지하며, 태양광, 항공우주, 통신 인프라 분야는 다른 수요의 주요 동력입니다. 캐나코드 제뉴이티 컴퍼니(Canaccord Genuity Company)의 최근 전망에 따르면, 2030년까지 실리콘 카바이드(SiC) 수요는 20억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

그림 2. Cree 650V MOSFET

탄화규소(SiC) 전력 소자는 산업 및 에너지 기업이 전력 및 공간 활용률을 극대화하는 데에도 도움을 줄 수 있습니다. 탄화규소(SiC)는 고주파 산업용 전원 공급 장치와 무정전 전원 공급 장치에 더 높은 효율, 더 높은 전력 밀도, 그리고 더 가벼운 무게를 제공합니다. SiC가 제공하는 이점은 그 자체의 비용을 훨씬 능가합니다.

이러한 분야에서 높은 효율은 높은 수익을 의미합니다. 전력 전자 분야에서 탄화규소(SiC)의 효율은 실리콘(Si)보다 훨씬 높고, 전력 밀도는 실리콘(Si)의 세 배에 달합니다. 이는 고전압 시스템을 더 가볍고, 더 작으며, 더 효율적이고, 더 경제적으로 만들어 줍니다. 이러한 뛰어난 성능은 폭발적인 수준에 도달했으며, 제조업체들은 현재 시장에서 경쟁력을 유지하려면 더 이상 이를 외면할 수 없습니다.

반도체의 미래

비용은 실리콘 카바이드(SiC) 도입의 주요 장애물입니다. 그러나 생산량과 경험이 지속적으로 향상됨에 따라 비용도 감소하고 있습니다. 따라서 제조 효율과 정교함이 향상되고 있습니다. 더 중요한 것은 고객들이 실리콘 카바이드(SiC)의 진정한 가치가 장치 수준의 비교가 아닌 시스템 수준에 있다는 것을 깨닫게 되었다는 것입니다. 다양한 산업의 요구를 충족하기 위해 실리콘 카바이드(SiC) 생산이 더욱 촉진될 것이며, 생산량은 지속적으로 증가할 것입니다. 따라서 가격은 지속적으로 하락할 것입니다. Cree를 예로 들면서, Cree는 이러한 요구를 충족하기 위해 대규모 투자를 단행했습니다. 최첨단 기술을 도입하고 차량 규정을 준수하는 뉴욕주 공장을 건설하여 생산 능력을 30년 대비 2017배 이상 확대할 계획입니다.

실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로의 전환은 더 이상 언제 일어날지, 혹은 일어날지 여부의 문제가 아닙니다. 우리는 이미 그 과정에 있습니다. 여러 산업의 거대한 변화에 온전히 참여하는 것은 매우 흥미로운 일입니다. 이러한 산업의 미래는 결코 정체되지 않을 것이며, 우리는 앞으로도 전례 없는 변화를 겪을 것입니다. 그리고 이러한 변화에 신속하게 적응하는 제조업체들은 분명 풍성한 성과를 거둘 것입니다.