SiC는 실리콘 소자가 동작하기 힘든 고전압, 대전류, 고주파, 등의 환경에서 동작이 가능한 이점을 갖는다.

또한 전력소자 외에도 고온, 고압 등의 환경에서 고속 동작이 요구되어지는 센서, 항공분야 등의 응용분야에서도 관심이 집중되고 있다. 이외에도 바이오센서 분야로의 가능성도 점쳐지고 있다.

특히 전압·전류를 시스템에서 요구하는 적합한 형태와 크기로 변환하는 전력용 반도체에서도 에너지 효율이 뛰어난 반도체를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행이 되고 있다.

미국의 경우, 전체 전력소비량 가운데 냉난방을 포함한 모터제어 관련 분야가 60% 가량을 차지하고 있는데, 생산 용량 측면에서 보면 전체 전력 생산용량의 77%가 화석연료에 기반하고 있다.

또한 국내의 경우 총 전력생산량 403GWh 가운데, 화석연료를 사용하는 평균 전력생산량은 60% 이상을 차지하는 상황이다.

이러한 화석연료로 인해 지구온난화의 주범인 CO₂배출량의 40%가 전력생산에 기인하고 있다는 점을 고려하면 에너지의 효율적인 이용이 시급하다.

이러한 에너지의 효율적인 이용을 위해서는 전력변환기술, 특히 전력변환용 반도체소자의 고효율화 및 고신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요한 상황이다.

SiC 전력반도체 소자는 기존의 실리콘 기반의 전력반도체 소자의 한계를 극복해 전력변환기술의 고효율화를 달성하기 위한 대안으로 주목을 받고 있다. 특히 최근 웨이퍼 기술 수준의 향상과 함께, 전술한 최근 글로벌 에너지 정책에 따라 더욱 급부상하고 있다.

이에 정부도 ‘초고순도 SiC 원료 및 분말 제조기술’, ‘차세대 반도체/LED 핵심공정용 초고순도 SiC 제조기술’, ‘고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조기술’, ‘에너지반도체 소자용 SiC 에피소재 개발’ 등을 세부 핵심기술로 선정했다. 에너지 강국, 반도체 강국으로써의 국가경쟁력을 확보하기 위해 초고순도 SiC 소재 개발이 절실한 것이다.

초고순도 SiC 소재기술은 아직 세계시장 또한 초기단계로 2018년 세계시장은 3조7,000억원 규모로 성장할 것으로 예상된다.

또 그린카, 태양광, LED 등 미래녹색산업에서 필요로 하는 핵심소재로 외국의 기술성숙도도 높지 않아 국내 기술로 진입이 가능하다는 평이다.

초고순도 SiC 원료 및 분말 제조기술은 고부가가치 핵심 원천 소재로 선진국의 전략물자화에 의한 수급이 불가능한 상태이다.

미래 신성정동력산업을 창출하기 위해서는 이를 선도하는 것이 필수불가결하다. 현재 일본의 Bridgestone이 제조하고 있으며, 기술 선진국 일부 회사에서 자체 생산으로 초고순도 SiC 제품에 적용하고 있다.

상용화 수준은 SiC 분말의 순도는 6N 정도이다. SiC단결정과 반도체·LED 벌크 SiC에 적용된다.

우리나라에서는 소재원천기술사업 및 기업 R&D로 일부 핵심기술개발이 진행되고 있다.

차세대 반도체/LED 핵심공정용 초고순도 SiC 제조기술은 25㎚급, 450㎜ Si 웨이퍼를 위한 초고순도 SiC 소재 수요의 급격한 증가가 예상돼 개발이 필요하다.

또 이 기술은 LED 수율 증가를 위한 고품질 susceptor(화학증착에 의한 탄화규소 피복흑연) 개발에도 필수적이다.

▲ 초고순도 SiC 소재 기술 흐름.

일본의 Covalent, Asahi Glass, Bridgestone이 제조하고 있으며 순도는 6N, 강도는 450MPa정도가 최고 수준이다.

적용부품으로는 Dummy wafer, Susceptor, Container, Tube, Boat, Disk, Ring 등이 있다. 현재 순도는 6N 이상으로, 강도는 600MPa로 높이고 있다. 또 기판도 600㎜로 개발이 진행되고 있다.

국내 SKC솔믹스, 이노쎄라가 상용화에 박차를 가하고 있으며, 대학 및 연구소에서 일부 연구를 진행하고 있다.

고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조기술은 그린카, 태양광용 전력소자 및 고효율 LED/LD의 수요 및 성장 가능성이 급증하고 있음에 따라 선정됐다. 선진국의 기술 진입장벽으로 원천 소재기술 확보가 시급하다.

단결정 웨이퍼는 그린카 및 태양광용 전력소자, LED/LD소자의 대규모 응용을 위해 기판의 대구경화(150㎜) 및 고품질화(저 결함밀도)가 절대적으로 필요하다. 현재 전 세계적으로 50~100㎜의 SiC 단결정 웨이퍼가 개발 중에 있다.

에너지반도체 소자용 SiC 에피소재 개발은 에너지 효율을 증대시킬 수 있는 친환경 핵심 원천 소재이다.
이 역시 기술 진입장벽이 높고 선진국이 독점하고 있어 수급 자체가 불가능한 실정이다.

에너지반도체 영역의 신사업을 창출하기 위해서도 꼭 선점해야 한다.

미국의 Cree, Semisouth, 일본의 Shin-Etsu, 독일 SiCED가 선두그룹을 형성하고 있으며, 개발은 10A급 다이오드 적용과 50A급 소자화 연구가 진행되고 있다.

이러한 기술개발을 통해 우리나라는 SiC 전력소자의 획기적 에너지 효율 향상을 통한 그린산업 창출, 반도체·디스플레이·그린카·태양광발전·LED 등 녹색산업의 주요 핵심소재를 공급할 수 있게 된다.

또 국가 신성장 산업의 기술 선도 및 국가 기술 경쟁력을 한 차원 높이는 계기가 될 것으로 예상된다. 이를 기반으로 SiC 소재 관련 부품의 기술 경쟁력을 제고하고 차세대 성장동력 산업의 수요를 창출하게 되는 것이다.

2010년 현재 시장규모는 세계 8,000억원, 국내 1,200억원에 불과하지만 2019년에는 세계시장이 4조원대로 성장이 예상되며, 세계시장 점유율을 35% 늘린다는 계획이다.

현재까지는 상용화의 초기 단계에 있지만, 향후 지속적인 연구개발로 새로운 시대를 이끌어 갈 수 있을 것으로 보인다.