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전자기기의 미래, 전력반도체를 잡아라

전기자동차, 신재생에너지 발전, 에너지 저장장치 등의 확산으로 최근 들어 전력반도체 산업이 빠르게 성장 중이다. 한편 전자기기의 다양화와 소형화는 효율적인 에너지 사용을 위한 전력반도체의 혁신적인 발전과 획기적인 제품 성능 향상을 요구하고 있다. 특히 전력반도체에서 가장 큰 비중을 차지하는 전력관리반도체는 소형화, 고효율, 경량화 등 성능과 제품의 다양성으로 인해 메모리 반도체와 달리 다품종 소량 생산 방식으로 제조되기 때문에 반도체 파운드리 기업의 역할이 더욱 커지고 있다.

 

 

 

 

전원장치

 

작은 크기와 효율적 전력 변환이 관건

 

전통적으로 전자기기의 전원장치 역할은 고전압 전기 전력이나 규정되지 않은 배터리 전압과 같은 에너지원에서 발생하는 전력을 전자 회로에서 사용할 수 있도록 적절하게 규정된 저 전압으로 변환하는 데 있다. 전원장치의 발전은 휴대전화나 디지털TV 같은 일상 전자제품에서부터 전기자동차, 로봇과 같은 산업용 기기, 통신 기지국과 데이터 센터와 같은 대규모 시설에 이르기까지 다양한 애플리케이션에서 전기를 절약하는 데 획기적인 기여를 하고 있다.

 

더 높은 전력 밀도를 제공하는 전원장치는 더 좁은 공간에 설치할 수 있을 뿐 아니라 전력 손실을 낮추고 발열과 신호 잡음을 줄이는 등 많은 이점을 제공한다. 또한 전원장치 아키텍처와 FET(field-effect transistor) 기술의 향상, 보다 우수한 배터리와 같은 에코시스템이 빠르게 개발되고 있는 가운데 보다 높은 전력 밀도와 효율적 전력 변환 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

전력반도체

 

디지털 뉴딜과 그린 뉴딜 혁신의 핵심부품

 

전원장치에서 전력반도체는 전력을 제어하는 반도체다. 전기를 변환하는 부분에서 전압, 전류, 주파수, 직류(DC)/교류(AC) 등 전기형태를 변환하는 스위치 역할을 한다. 가전기기, 조명을 비롯한 모든 전기전자제품을 제어하는데 반드시 필요하다. ​대표적으로 전기차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터에 공급하는 인버터의 핵심부품이 바로 전력반도체다.

 

차세대 전력반도체는 인공지능, 5G 등을 화두로 하는 디지털 뉴딜과 전기자동차, 신재생에너지 등을 화두로 하는 그린 뉴딜 양쪽 모두에 활용되는 공통 분모로 성장 가능성이 매우 높다. 디지털 뉴딜 쪽에서 전력반도체는 전력을 효과적으로 제어하고 사용할 수 있도록 돕기 때문에 전자기기 기반의 디지털화, 전자기기의 다기능화로 인해 수요가 증가하고 있고, 그린 뉴딜 쪽에서 전력반도체는 전력 효율과 고온∙고압 내구성이 뛰어나기 때문에 전기자동차 배터리, 신재생에너지 발전의 인버터 등에 필수적으로 적용될 수 있기 때문이다.

 

 

 

 

 

 

PMIC

 

전자기기의 전력을 공급하는 전력관리반도체

 

전력반도체에서 가장 큰 비중을 차지하는 핵심 반도체는 전력관리반도체(PMIC: Power Management Integrated Circuit)다. 인체의 각 기관으로 필요한 혈액을 보내주는 심장처럼 전자기기의 부속품에 전력을 공급해 준다. 전자기기 속 부품들은 필요한 전력이 모두 다르기 때문에 PMIC는 각 부품에 알맞게 전력을 변환하고 분배하고 제어하는 역할을 한다. 이를 통해 전력을 안정적이면서도 가장 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.

 

사물인터넷(IoT)과 자율주행 기술의 발전이 가속되면서 PMIC는 향후 큰 성장이 기대된다. 시장조사업체 옴디아에 따르면 PMIC 시장은 2021년 54억달러, 6조원에서 2024년 69억 달러, 8조원으로 성장할 것으로 예상된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

DDR5

 

차세대 D램 'DDR5’에도 PMIC 탑재

 

차세대 메모리 규격이자 게임체인저인 'DDR(Double Data Rate)5'에도 PMIC이 사용된다. DDR5는 DDR4에 비해 2배 이상 속도가 빨라 스마트폰 등 모바일 시장에서는 2019년부터 본격적으로 채택됐다. 하지만 DDR5 메모리와 호환하는 CPU가 부재한 PC와 서버 시장에서는 여전히 DDR4가 대세였다. 최근 인텔이 DDR5를 지원하는 서버용 CPU를 공개하면서 DDR5 도입이 빨라지고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스 등 D램 제조사들도 서버용 DDR5 성능 개선과 양산 능력 확보에 집중하고 있다.

 

DDR5는 향후 부품업체의 성장 동력이 될 것으로 보인다. DDR5에서는 DDR4까지 메인보드에서 담당했던 전력관리 기능의 일부를 ‘DRAM 모듈’이 수행한다. DDR5의 DRAM 모듈 안에는 PMIC, 온도 센서, 레지스터클럭드라이버(RCD) 등 시스템 반도체가 대거 탑재되기 때문에 부품 사용량이 늘고 공급단가도 오를 것으로 보인다.

 

 

 

 

 

 

 

 

DB하이텍

 

SiC과 GaN 기반 전력반도체 사업 신규 추진

 

로벌 파운드리 업체들 중 70V 이상의 고전압 PMIC를 생산할 수 있는 업체는 Tower Semiconductor, VIS, DB하이텍 등 손에 꼽을 정도다. 고전압 PMIC 시장은 다품종 소량 생산인 데다가 높은 기술력까지 필요로 하기 때문에 삼성전자, TSMC, 인텔과 같은 대기업들이 대응하기에는 무리가 있다.

 

반도체 파운드리 기업 DB하이텍은 전력반도체 시장 성장세와 맞물려 생산능력 증가와 환율, 판가상승 효과로 지난 4개 분기 연속 실적 성장을 기록했다. 2분기 영업이익은 전년대비 183% 상승한 2304억원, 2022년 연간 영업이익은 전년대비 125% 오른 9000억원에 이를 것으로 예상된다. 나아가 DB하이텍은 최근 실리콘카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)과 같은 화합물 전력반도체에 대한 연구개발을 본격화했고, 수년 내에 화합물 전력반도체 시장에 진입하면서 중장기 성장동력을 확보할 것으로 기대된다.