2차전지를 넘어 전력용 반도체로..

종합주식인|2021년 03월 20일



GaN 반도체 생산과정


1. Si 또는 SiC 등의 웨이퍼 제작

2. Si 또는 SiC 등의 웨이퍼에 GaN Epi 성장으로 GaN On Si 또는 GaN On SiC 웨이퍼 제작

- 반도체 원가의 30~50%에 달하는 핵심 공정임

3. Gan On Si 또는 Gan On SiC 웨이퍼를 통해 전력용 반도체 생산

- 참고로 GaN반도체는 GaN On Si 또는 GaN On SiC 웨이퍼 제작이 핵심기술임

- RFHIC는 전력반도체 설계기술과 3번과정을 시행하고 Si가 아니라 SiC를 사용하므로 원가가 매우 높을것임

- 특히 원가의 30~50%에 달하는 2번 과정을 못하므로 원가경쟁력이 낮음




에이프로의 생산공정


1. Si(실리콘) 웨이퍼 구매

2. GaN Epi 성장 웨이퍼( Si웨이퍼 위에 GaN 합치는 화합물용 웨이퍼)생산

- 8인치 MOCVD(금속유기화합물 증착기) 1대 올 2월 입고되어 양산시작 GaN Epi 성장 웨이퍼 양산시작

내년 1대 추가 구매예정이며, 계속 늘려갈 예정

- 기존의 200V이하의 저압이 아니라 650V의 중고압용으로 월등히 뛰어남

- 한국광학기술원의 시설을 임대하여 양산할 예정, 부족시 외부 업체로부터 GaN Epi 성장 웨이퍼 구입도 예정

참고로 TSMC도 6인치 GaN용 웨이퍼 장비 3~4대밖에 없음

3. 반도체 칩 생산

대구경북과학기술원의 공용팹 이용 및 싱가폴의 8인치 파운드리업체인 IGnA사에서 양산

- 웨이퍼 장비 1대당 년간 약 120만개의 GaN반도체 생산 가능, 싱가폴 위탁까지 합하면 수량은 훨씬 늘어날 수 있음





Si 대비 GaN 및 SiC 반도체의 장점

1. 내전압이 높으므로 Si 대비 크기를 1/10로 줄일 수 있다.

- 일반적인 전력용 IGBT의 경우 성인 손바닥만함(두께 3~4Cm, 여기에 거대한 방열판 달림), 이게 인버터에 6개이상, DC-DC컨버터에도 설계에 따라 여러개 들어가고, On Board Charge(OBC)에도 들어감

2. 고주파를 사용하므로 수동소자(인덕터, 커패시터, 변압기등의) 크기도 매우 작게 만들 수 있어 공간 및 비용을 줄일 수 있음

3. 스위칭 손실이 낮으므 효율이 높음

4. 고온에서 동작 가능하므로 냉각장치 비용 감소 및 크기 감소


Si 대비 GaN 및 SiC 반도체의 단점 : 고비용, 고주파에 의한 전자파



GaN과 SiC를 비교하자면

효율과 스위칭 속도는 GaN이 우세

고압과 고온 특성은 SiC가 우세


GaN 반도체 사용처 : 전력반도체가 필요한 모든곳

전기차의 경우

- OBC : 온보드차져의 경우 가정의 220V를 사용하여 전기차를 충전하는 모듈임. 현재 전기차는 대부분 400V를 사용하므로 정류(교류를 직류로 변환)후 DC-DC컨버터를 이용하여 400V이상으로 승압해줘야 함. 이때 DC-DC컨버터용의 스위칭 소자로 기존 IGBT대신 GaN반도체를 사용하게 됨. 장점은 같은 크기에서 충전속도를 현저히 올릴 수 있고 전력손실이 낮음

- DC-DC컨버터 전기차 전압이 400V인데 차량내 다른 전자장비는 전압이 낮으므로 강압해 줘야 함. 이때 DC-DC컨버터용의 스위칭 소자로 기존 IGBT대신 GaN반도체를 사용하게 됨. OBC와 거의 동일

- 모터 구동을 위한 인버터 : 400V 전압에는 600V용 인번터가 필요함(현재 에이프로는 650V까지 개발되었고 세계 최고 수준임)

급속충전기 : OBC를 차량 외부(급속충전기)에 설치하고 크기를 키운것으로 볼 수 있음


태양광 : DC-DC컨버터, AC-DC컨버터, DC-AC인버터 등에 사용


수소차 : 전기차와 비슷


기타 : 충방전기, 5G통신, 미니LED, 데이터센터 전력용(대전력이므로 효율이 중요)



SiC 반도체 사용처 : 기본적으로 GaN과 동일하지만 효율은 약간 낮고 고압에 강점이 있으므로 고압용으로 사용됨(현재 사용처가 GaN과 겹치고 있음)

예를 들어 : 800V전압을 사용하는 포르쉐 타이칸의 경우 1200V 인버터가 필요하므로 SiC 반도체만 사용 가능

(현재 Gan 최고전압 : 650V, SiC최고전압 : 1200V)

테슬라는 400V인데도 SiC 사용함, 아이오닉5도 SiC가 사용될 것으로 보임



앞으로의 전망

전기차 효율과 성능을 위해 800V 시스템으로 진화해 갈 예정으로 보임. 그러나 현재는 초기 단계이며, 400V에서 모든 시스템을 800V로 바꾸는건 상당히 어렵고 비용도 많이 들어감.

일반형은 400V시스템, 고급형은 800V 시스템이 사용될 것으로 보임



그동안 GaN과 SiC가 활성화 되지 못했던 이유는?

필요성도 낮았고 가격적인 문제도 있었음

4인치 웨이퍼에서 생산되는 GaN반도체가 Si IGBT에 비해 10~15배가격임에 비해 6인치에서 생산하면 4~5배 가격임

에이프로는 8인치에서 생산하므로 규모의 경제만 된다면 동일한 가격에도 생산이 가능할 것으로 판단됨(글로벌 6인치보다 앞섬)

이에 비해 SiC를 생산하는 예스파워테크닉스는 4인치 웨이퍼를 사용함, 글로벌은 6인치 추세



에이프로의 사업

1. 현재 고온가압 충방전기+디게싱장비 를 통합한 충방전기 세계최초 개발하여 LG화학에 납품중

- 탁월한 원가경쟁력을 가짐

이에 더해 충방전기에 GaN반도체를 올 하반기부터 사용하여 충방전 시간을 20일에서 10일로 단축하고 장비 크기를 22% 소형화함

2. 전기차용 OBC, DC-DC컨버터, 급속충전기

3. 수소차용 전력반도체

4. 5G용 전력반도체

5. 태양광용 DC-DC, AC-DC, DC-AC용

6. 데이터센터, 미니LED 등



예스티에 대해 간단히

예스파워테크닉스의 기존 최대 주주는 장동복 예스티 대표로, 본 계약 체결을 통해 장 대표가 보유한 예스파워테크닉스의 지분율은 37.2%에서 31.7%로 낮아진다. 반면 인수 후 예스티의 예스파워테크닉스에 대한 지분율은 28.7%에서 34.2%로 확대됨으로써 예스티가 최대 주주 지위를 확보하게 된다.

또한 최근에 SK(주)에서 지분투자를 하여 예스파워테크닉스의 지분 33.6%를 보유하고 있다.



끝으로 GaN 및 SiC는 몇년후의 먹거리가 아니라 지금 당장 진행되고 있음

하반기에 본격화 될 것이며 주가는 상반기에 반영할 것임

전세계적으로도 GaN 및 SiC 반도체를 생산할 수 있는 업체는 5개사 이하로 보임

이중 국내에서 에이프로가 GaN을 예스티가 SiC를 생산할 수 있음


국내 관련사는 많으나 실체가 있는 에이프로와 예스티가 유망함

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