닛케이 기술 예측
2023년 10월 17일
일본 기업들은 차세대 전력반도체 제조에 필수적인 탄화규소(SiC) 웨이퍼의 안정적인 공급을 확보하기 위해 안간힘을 쓰고 있습니다. DENSO와 Mitsubishi Electric은 새로운 SiC 웨이퍼 회사에 각각 5억 달러(약 745억 엔)를 투자할 예정입니다. 토요타자동차가 SiC 웨이퍼 품질 향상 기술을 보유한 스타트업에 기술 협력을 제공하기로 했다. 르네사스 일렉트로닉스는 20억 달러(약 2980억엔)의 보증금을 지불하고 최대 SiC 웨이퍼 제조사와 장기 공급 계약을 체결했다. 자동차 업계를 중심으로 일본 기업들이 고품질 SiC 웨이퍼 확보를 위한 대대적인 조치를 취하기 시작했습니다.
일본 기업들은 SiC 파워 디바이스에 대한 수요가 향후 급속도로 확대될 것으로 예상되기 때문에 SiC 웨이퍼 조달에 적극적으로 나서고 있습니다. Fuji Keizai(도쿄 주오)의 조사에 따르면 SiC 시장은 2022년 1,707억엔에서 2030년 2조 2,080억엔으로 급성장할 것으로 예상된다. 2022년 전체 전력반도체 시장에서 차지하는 비중은 10% 미만이지만, 2030년에는 30%에 가까운 비중을 차지할 것으로 예상된다. 이에 따라 SiC 웨이퍼 시장도 빠르게 성장할 것으로 예상된다. Fuji Keizai에 따르면 시장 규모는 2022년 3억 5,840만 달러(약 535억 엔)에서 2030년 22억 1,440만 달러(약 3,310억 엔)로 성장할 것으로 예상됩니다.
원동력은 자동차입니다. 전기차(EV) 수요가 크게 늘어날 것으로 예상된다. 여기에는 온보드 충전기, DC-DC 컨버터, 메인 모터를 구동하는 인버터가 포함됩니다. SiC는 지상에 설치되는 급속충전기에서도 활약하고 있습니다.
SiC는 일반 실리콘(Si)에 비해 전력 손실을 대폭 줄일 수 있어 주목받고 있다. 전력 손실을 줄이면 순항 범위가 길어집니다. 항속거리를 동일하게 유지하면 전력 손실이 적어 배터리 용량을 줄일 수 있어 배터리 비용을 절감할 수 있다. 이러한 장점 때문에 고급형 전기차부터 점차 도입되고 있다. 이러한 추세는 앞으로 더욱 가속화될 것으로 예상되며, SiC는 2025년경 많은 EV에 채용될 것으로 예상됩니다.
향후 SiC 전력소자에 대한 수요가 급증함에 따라 웨이퍼 조달이 사업의 성패를 좌우할 것입니다. 이에 전력반도체 업체들은 SiC 웨이퍼 확보에 나섰다. 지금까지는 이러한 장치의 제조 기반에 많은 투자를 한 해외 기업에 초점이 맞춰져 있었습니다. 최근 자동차 산업을 중심으로 일본 기업들이 SiC 웨이퍼 전쟁에 참여하기 위해 막대한 자금을 투자하고 있습니다.
르네사스가 불을 질렀습니다
르네사스 일렉트로닉스는 2023년 이런 흐름을 시작한 기업이다. 지난 7월 미국 최대 SiC 웨이퍼 업체인 울프스피드(Wolfspeed)와 10년 SiC 웨이퍼 장기 공급 계약을 체결했다. 르네사스는 미화 20억 달러(약 2,900억 엔)의 보증금을 지불할 예정입니다.
이 보증금은 전력 반도체 산업, 특히 투자 금액이 수십억 엔에서 수백억 엔에 이르는 일본 전력 반도체 회사의 경우 매우 높은 금액입니다. Renesas가 지금까지 SiC 웨이퍼를 찾아 나선 이유는 Renesas가 SiC 업계의 '신인'이기 때문입니다.
르네사스는 지금까지 Si 파워디바이스 연구를 진행해 왔으며, 2025년부터 SiC 파워디바이스 양산을 시작할 예정이다. SiC 웨이퍼 구매 실적이 없는 르네사스의 경우, SiC 사업에 대한 '진지함'을 입증하기 위해 보증금 지급이 필요했던 것으로 보인다. 이번 계약을 통해 르네사스는 현재 주류인 직경 150mm(6인치)의 SiC 웨이퍼와 향후 본격적인 양산에 들어갈 직경 200mm(8인치)의 SiC 웨이퍼를 조달하게 된다.
DENSO와 Mitsubishi Electric이 전투에 참여합니다.
2023년 10월에는 더 많은 일본 기업이 SiC 웨이퍼를 조달하기 위해 움직였습니다. 미쓰비시전기(Mitsubishi Electric)와 덴소(DENSO)는 미국 SiC 웨이퍼 기업인 실리콘카바이드(Silicon Carbide)에 각각 5억 달러(약 745억엔)를 투자한다고 발표했다. 결과적으로 DENSO와 Mitsubishi Electric은 Silicon Carbide 주식의 12.5%를 각각 보유하게 됩니다.
Taking advantage of this investment, DENSO and Mitsubishi Electric entered into long-term supply contracts for silicon carbide and SiC wafers, respectively. 양사 모두 6인치와 8인치 제품을 안정적으로 조달할 수 있게 됐다.
실리콘 카바이드는 SiC 웨이퍼 사업을 분사한 미국 회사인 바카라 카지노가 2023년 4월에 설립한 신생 회사입니다. 바카라 카지노는 이전 II-VI부터 SiC 웨이퍼를 제조해 왔습니다. 그 중에서도 고주파 장치에 사용되는 '반절연' SiC 웨이퍼에서 강력한 실적을 보유하고 있습니다. 전력소자용 제품도 취급하고 있어 전력소자 분야 최대 기업인 Wolfspeed를 따라갈 수 있는 위치에 있습니다.
DENSO는 SiC 전력 장치와 이러한 장치를 사용하는 인버터를 제조하는 주요 자동차 반도체 회사입니다. 미쓰비시 전기는 자동차 애플리케이션뿐만 아니라 재생 에너지 및 산업 장비를 포함한 다양한 시장을 위한 SiC 전력 장치를 탑재한 모듈 제품(전력 모듈)을 생산합니다.
각 회사는 SiC 전력소자 양산에 주력하고 있습니다. 예를 들어, 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)는 구마모토현에 새로운 SiC 전력 장치 공장을 건설하기 위해 약 1000억 엔을 투자할 예정입니다. 이 공장은 2026년 가동될 예정입니다. 기존 시설 확장과 함께 회사는 2026년 회계연도에 SiC 전력 장치 생산 능력을 2022회계연도 대비 약 5배 늘릴 계획입니다. 원래 미쓰비시 전기는 이 새 공장을 위해 바카라 카지노와 8인치 웨이퍼 공동 개발을 진행하고 있었습니다.
도요타는 스타트업에 중점을 둡니다
도요타자동차도 이전하였습니다. 고품질 SiC 웨이퍼의 안정적인 공급 체제를 확보하기 위해 SiC 웨이퍼의 품질 및 생산성 향상 기술을 보유한 스타트업인 QureDA Research(효고현 산다시)와 기술 개발 아웃소싱 계약을 체결했습니다. 주로 양산기술로 지원할 예정입니다.
QureDA Research는 Kwansei Gakuin(Kwansei Gakuin University 및 기타 학교를 운영하는 교육 기업)과 Toyota Tsusho 간의 50-50 합작 투자로 2023년 3월에 설립된 연구 개발 회사입니다. 이번 프로젝트의 핵심은 QureDA Research 대표이자 간세이가쿠인대학교 공과대학 교수인 Tadaaki Kaneko의 연구 그룹의 연구 결과를 바탕으로 한 "Dynamic AGE-ing(DA)" 기술입니다. SiC 결정에서 웨이퍼를 절단할 때 발생하는 결정 결함 및 뒤틀림은 열처리 등의 방법을 통해 대폭 감소됩니다. 이는 SiC 파워 디바이스의 품질 및 수율 향상으로 이어질 것입니다.
이번 계약을 활용하여 Toyota는 DA 기술 상용화를 위한 대량 생산 장비 개발 및 품질 보증 시스템 구축과 관련된 업무 중 일부를 아웃소싱할 것입니다. 토요타는 자동차 제조를 통해 쌓아온 기술 노하우를 QureDA Research에 제공할 예정입니다. 예를 들어, 제품 열처리와 관련된 공정 계획, 장비 개발, 품질 보증의 개념입니다. 소재(재료에 열과 힘을 가해 형상을 만드는 부품)의 열처리 기술은 열 관리가 중요한 DA 기술과 궁합이 좋다고 한다. 또한 양산 품질 유지를 위한 표준화된 규정에 대한 노하우를 QureDA Research에 제공할 예정입니다.
QureDA Research에서는 SiC의 결정 품질을 향상시키는 데 필요한 결정 평가 기술도 다루고 있습니다. 우리는 DA 기술과 이 평가 기술을 외부 당사자에게 라이센스할 것입니다. 회사는 2025년 DA 기술을 적용한 8인치 SiC 웨이퍼 제품 출시를 목표로 노력하고 있다.
키워드:
SiC:탄소(C)와 규소(Si)의 화합물, 탄화규소라고 합니다. 다결정과 단결정이 있으며 단결정은 전력반도체로 사용된다. Si에 비해 전력반도체로서 우수한 물성을 갖고 있어 차세대 전력반도체 중 하나로 꼽힌다.
SiC 전력반도체소자(전력소자)를 컨버터, 인버터 등 전력변환장치에 적용하면 Si에 비해 전력손실을 대폭 줄일 수 있습니다. 섭씨 200도가 넘는 온도에서 작동할 수 있는데, 이는 Si 전력소자로는 어려운 일이다. 낮은 전력 손실과 고온 작동 특성으로 인해 전력 변환기의 소형화에 적합합니다.
SiC는 우수한 특성을 갖고 있지만 가격이 비쌉니다. 특히, 파워 디바이스 제조에 필요한 SiC 웨이퍼는 Si 웨이퍼에 비해 가격이 높고, 직경도 더 작다. 그러나 이러한 문제가 해결되면서 채용이 해마다 늘어나고 있습니다. 2025년부터 전기 자동차에 SiC가 사용될 것으로 예상됩니다. 또한, 에너지 인프라, 재생 에너지, 철도, 산업 장비 등 고출력 및 고내압이 요구되는 애플리케이션에 SiC 전력 장치의 채택이 점차 늘어날 것입니다.