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‘전력반도체용 SiC 소재’ 결함 분석·평가기술 개발

일본 80% 장악 중인 검사 장비 대비 절반수준 가격, 수입대체 효과 기대

‘전력반도체용 SiC 소재’ 결함 분석·평가기술 개발 - 산업종합저널 전자
‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 및 평가기술'을 개발한 한국전기연구원 전력반도체연구센터(좌측부터 정현진·방욱·나문경 연구원)

전력반도체 소자의 시작점인 탄화규소(SiC, Silicon Caribide) 소재의 결함을 조기에 분석하고 평가할 수 있는 획기적인 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국전기연구원(이하 KERI) 전력반도체연구센터 방욱·나문경 박사팀이 그 주인공.

전력반도체는 전력이 필요한 곳이면 필수적으로 활용되는 산업의 중요 부품으로, 전류 방향을 조절하고 전력 변환을 제어하는 등 사람으로 치면 근육과도 같은 역할을 한다. 전력반도체는 전기차 및 신재생에너지 등 친환경 산업의 근간을 이루는 첨단 소재이자, 5G 이동통신망 등 디지털 기반의 4차 산업을 이끄는 핵심 기술로 손꼽힌다. 특히 전기차에서 배터리와 전기모터를 연결하는 고성능 인버터에 필수적인 부품으로 활용되며 최근 많은 주목을 받고 있다.

전력반도체의 핵심인 제어 효율을 유지하는 소재는 기존 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로 대체되는 추세다. 우수한 열적·전기적 특성을 지닌 SiC는 뛰어난 내구성과 범용성, 동작 온도 및 속도, 높은 효율성 등을 자랑하며 기존 실리콘 전력반도체 시장을 빠르게 대체하고 있다.

하지만 SiC 소재는 재료 특성상 눈에 보이지 않는 내부의 결정 결함(dislocation)이 있어 반도체 소자의 성능을 저하시키는 주요 원인 중 하나로 손꼽힌다. 이러한 결정 결함은 워낙 복잡하고 규명하기 어려워 반도체 소자의 구동 초기부터 특성을 저하시키는 경우가 있고, 더 심각한 상황은 사용 중에 점차 특성이 변화되어 문제를 일으키는 경우도 있다. 예를 들어 사고에 민감한 전력계통 현장이나, 도로에서 주행 중인 전기차의 SiC 전력반도체에 문제가 발생할 경우 심각한 인명·재산 피해까지 이어질 수 있는 상황이다.

우수한 성능의 SiC 전력반도체를 개발하는 것도 중요하지만, 추후 문제가 발생하지 않도록 결함을 검사하고, 각종 문제를 해결할 수 있는 분석 기술이 반드시 필요하다. SiC 소재의 결함은 눈에 보이지 않고, 물질도 아주 단단하여 관찰 방법이 매우 어렵다. 현재 SiC 소재 검사 장비는 일본이 세계시장 80% 이상을 점유할 정도로 기술 난이도와 진입장벽이 높다. 장비 비용도 고가이다 보니 국내에서는 일부 웨이퍼 표본으로 성능을 검사하는 수준에 그치고 있다.

이에 KERI 연구팀은 광여기발광(PL, Photoluminescece) 현상을 이용해 SiC 소재의 결함을 검출하는 기술을 국내최초로 개발했다. PL 분석법은 여기된(excited) 전자들이 다시 제자리로 돌아가는 단계에서 특정한 파장의 빛을 내게 되는 현상을 분석하는 것이다. 즉 SiC 소재에 자외선(UV) 에너지를 보낸 뒤, 전자들이 내놓는 특정 파장을 분석하여 정상인지 아닌지(결정 결함)를 판단하는 것이다.

‘전력반도체용 SiC 소재’ 결함 분석·평가기술 개발 - 산업종합저널 전자
‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 장비’ 내부 사진

본래 SiC는 PL 방출 효율이 낮은 간접형 반도체(Indirect bandgap semiconductor) 물질로, 장비로 신호 검출이 어려웠지만, KERI는 광학 검사장비 전문 업체인 ㈜에타맥스(대표 정현돈)와의 협업을 통해 PL 손실을 줄이는 등 각고의 노력으로 ‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 장비’를 개발할 수 있었다.

검사 대상 및 평가 항목에 따라 2개의 다른 파장 빛을 선택해서 표면과 내부 결함을 검출하는 일본 제품과 달리, KERI 개발 장비는 단 하나의 레이저 파장만으로도 SiC 소재의 파괴 없이 내부의 다양한 결함을 검사할 수 있다. 검사 정밀도(결함 검출 능력) 등 장비 성능은 일본 장비보다 동등 이상의 수준을 보였다. KERI 연구팀은 업체와의 기술이전 및 상용화 라인 구축을 통해 검사 장비 가격도 일본 제품(약 14억) 대비 절반 수준으로 공급할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

KERI 나문경 박사는 “그동안 고난도의 SiC 전력반도체 분야 시장 선점을 위한 소재 원천연구와 이를 활용한 소자 개발에 중심을 뒀다면, 이제는 개발된 제품의 신뢰성과 품질을 확보할 수 있는 다양한 평가 방법을 개발하여 SiC 전력반도체의 ‘설계-공정-평가’까지 이어지는 통합 제작라인을 구축한 것”이라고 전하며 “지속적인 연구를 통해 평가 대상(다이아몬드 등 광대역 반도체)의 확대 및 분석기법의 다양화·정밀화(Raman 분석법 등)가 이루어질 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

연구팀은 개발 기술과 관련한 원천특허 출원을 완료했으며, ㈜에타맥스와의 지속적인 협력을 통해 장비의 업그레이드와 조기 상용화를 추진한다는 목표다.

한편 유럽 시장조사기관 IHS 마켓 등에 따르면 SiC 전력반도체 시장은 지난해 약 7억 달러(약 7천800억 원) 수준에서 오는 2030년 약 100억 달러(약 11조 1천400억 원) 규모로 연평균 32% 높은 성장세를 나타낼 것으로 전망했다.


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