삼성전자, 차세대 'GaN' 전력반도체 사업 '박차'

오는 2025년 GaN 전력반도체 파운드리 개시
전력손실 줄여 한번 충전에 더 오래 쓰는 기술
아직 초기 시장…차세대 8인치 시장서 본격화

[서울=뉴시스]삼성전자가 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 삼성전자 파운드리사업부 최시영 사장이 기조연설을 하고 있다. (사진=삼성전자 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이인준 기자 = 삼성전자가 8인치 GaN(질화갈륨) 전력반도체 파운드리(반도체 위탁생산) 서비스를 시작한다.

이 전력반도체는 모바일 기기의 증가, 전기 자동차 보급 확대 등으로 한창 성장 중인 전력반도체 산업의 한계를 돌파할 차세대 제품이다. 아직 시장 초기 단계여서 삼성전자는 특화(스페셜티) 공정 개발을 통해 고객사 확보와 시장 선점에 적극 나설 전망이다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부문장은 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 "컨슈머(소비자), 데이터센터, 오토모티브(자동차) 향으로 2025년 8인치 GaN(질화갈륨) 전력반도체 파운드리 서비스를 시작한다"고 밝혔다.

전력반도체란 가전기기, 조명 등의 전기전자제품에서 전력을 변환 및 변압, 분배 및 제어하는 역할을 수행하는 반도체를 말한다. 시장조사기관 옴디아에 따르면 세계 전력반도체 시장 규모는 2019년 450억불에서 2023년 530억불 규모로 성장할 것으로 보인다.

특히 GaN는 실리콘(Si) 반도체의 한계를 극복할 수 있는 화합물이다. 전력을 공급하고 배분하는 과정에서 발생하는 전력손실을 줄여, 같은 전력으로도 더 오랜 시간 제품을 사용할 수 있게 해준다. 또 전력전자시스템의 소형화에 강점을 갖고 있다.

이미 TSMC는 지난 2020년 GaN 반도체 위탁 생산을 시작한 것으로 알려졌다. 삼성전자는 아직 글로벌 GaN 전력반도체 기술 개발과 상용화가 초기 단계인 상황에서 기술력을 확보해 선두 추격에 나설 전망이다.

[서울=뉴시스]삼성전자가 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 삼성전자 파운드리사업부 최시영 사장이 기조연설을 하고 있다. (사진=삼성전자 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

전기화 시대, 차세대 전력반도체 신형 무기로 급부상

기존 전력반도체는 주로 Si(실리콘)으로 만드는데, 고전압, 고주파, 고열 등의 거친 환경에서 성능 구현이 어렵다는 단점이 있었다.

이를 극복하기 위해 도입한 것이 화합물 소재다. '와이드 밴드 갭'(Wide Band Gap) 소재를 사용해서 제조해 기존 실리콘 반도체 대비 전압에 견디는 능력을 크게 높일 수 있다.

밴드갭은 전자가 흐르는 대역(전도대)과 그렇지 않은 대역(가전자대) 간의 차이를 말하는데, 수치가 클수록 고온, 고전압에서도 작동 가능하다. Sic(탄화규소)와 GaN 등 화합물의 밴드갭은 실리콘(1.1eV) 대비 3배에 달한다.

반도체가 높은 전압에도 견딜 수 있게 되면 부품 소형화에 유리하다. 동일 전압에서 디바이스 크기를 실리콘 대비 10배 축소시킬 수 있다.

또 방열판 등 추가 냉각 부품의 필요성이 적다. 특히 GaN를 사용한 전력반도체는 스위치를 켜고 끌 때 전력손실을 크게 낮출 수 있는 특성이 있다. 그만큼 외부로부터 전기 공급을 받지 않고도 더 오래 쓸 수 있다. 특히 고주파 환경에서 동작이 가능하기 때문에 통신, 항공, 위성 등 가혹한 환경에서도 활용이 가능하다.

인피니온 등 시장 수요 태동…파운드리 먹거리 커진다

이미 전력반도체는 업계 1위인 독일 자동차 반도체 기업인 인피니온, 미국의 온세미컨덕터 등이 가전 제품이나 통신, 의료 분야의 전력 칩으로 활용하고 있다.

다만 GaN 전력반도체는 아직 기술 구현에 어려움이 크고, 실리콘에 비해 성능 대비 생산 단가가 높은 반면 수요가 적다. 이에 따라 사용처는 아직 제한적이라는 평이다.

삼성전자는 현재 이 시장이 6인치(150㎜) 공정을 중심으로 본격화 하는 상황에서, 차세대 공정인 8인치(200㎜) 제품으로 승부를 볼 예정이다.

웨이퍼 크기가 커지면, 한번에 더 많은 양의 칩을 생산할 수 있다. 가격 절감 효과도 뒤따른다.

업계에 따르면 8인치 웨이퍼에서 얻을 수 있는 칩 개수는 6인치 대비 80% 많은 것으로 알려졌다. 삼성전자는 시장 수요에 맞춰 오는 2025년께 GaN 전력반도체 파운드리 양산에 들어갈 계획이다.

앞으로 GaN 전력반도체는 스마트폰, 자동차, 데이터 센터 등 응용처가 점차 확대될 것으로 기대를 모은다.

특히 고속 충전에 강점이 있어 모바일 기기 뿐만 아니라 전기차, 신재생 에너지 등 분야에도 활용될 전망이다. 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 따르면 GaN 전력반도체 소자 시장은 2021년부터 2027년까지 연평균 59%의 높은 성장률을 기록할 수 있다.

삼성전자 관계자는 "다양한 고객 수요 충족을 위한 스페셜티(특화) 공정 경쟁력을 지속 강화해 응용처 다변화와 고객 저변을 넓히는 기회로 삼겠다"고 밝혔다.

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