오늘날 대부분의 반도체는 실리콘(Si) 기본 재료로 제작되나, 최근 몇 년 사이에 비교적 새로운 반도체 기본 재료가 화제가 되고 있습니다. 그 재료는 바로 SiC라고도 하는 탄화규소입니다. 오늘날 MOSFET 및 쇼트키 다이오드는 SiC를 활용한 주요 반도체 기술입니다.
Si와 비교하여 SiC의 장점은 무엇입니까?
탄화규소(SiC)는 기존 Si 반도체에 비해 고유한 장점이 있는 광역 밴드갭 반도체로 간주됩니다. SiC의 재료 특징 덕분에 다음에서 더 높은 결과를 보입니다.
- 파괴 전계
- 전자 표류 속도
- 열 도전율
파괴 전계
파괴 전계가 더 높으면 주어진 면적에서 장치가 더 높은 전압을 견딜 수 있습니다. 이를 통해 장치 설계자는 동일한 다이 크기의 전류 흐름에 할당된 면적을 늘려서 주어진 면적인 Rsp에 대한 장치 저항을 낮출 수 있습니다. 장치 저항은 전도 전력 손실과 직접적으로 관련되며, Rsp가 낮으면 손실이 줄어들어 효율성이 향상됩니다.
전자 표류 속도
전자 표류 속도는 전자가 전기장으로 인해 물질에서 얼마나 빨리 이동하는지 보여 줍니다. SiC 반도체의 전자 표류 속도는 Si 기반의 반도체보다 두 배 더 높습니다. 전자가 더 빨리 이동할수록 장치를 더 빨리 켜고 끌 수 있습니다. 시스템 설계자는 이와 같은 빠른 전환을 통해 두 가지 이점을 얻을 수 있습니다. 첫째로 전원을 켜고 끄는 전환 시간 동안의 전력 손실을 줄입니다. 둘째로 전환 주파수가 높으면 더 작은 마그네틱과 커패시터를 사용할 수 있게 됩니다.
열 도전율
SiC의 열 도전율은 Si에 비해 약 3배 더 우수하며, 다른 특징의 모든 이점을 포함합니다. 열 도전율은 열이 반도체 접합부에서 외부 환경으로 얼마나 빨리 전달되는지를 보여 줍니다. 이는 일반적으로 Si가 150°C로 제한되는 것에 비해 SiC 장치가 200°C까지 작동할 수 있음을 의미합니다.
시스템 설계자는 이러한 세 가지 장점을 모두 활용하여 보다 효율적인 제품을 설계하는 동시에 더 작은 경량 제품을 저렴한 비용으로 설계할 수 있습니다. SiC 장치는 Si에 비하여 비용이 더 드는 것으로 알려져 있으나, 더 작은 수동 부품을 사용하고 열관리를 줄여서 비용을 절감하면 전체 시스템 비용을 20% 감소시킬 수 있습니다. 소재 특징상 탄화규소는 전체 중량이 적으면서 전압, 전류, 온도, 열 도전율이 높아야 하는 고전력 응용 분야에서 매우 유리합니다. MOSFET 및 쇼트키 다이오드(개별 및 전력 모듈 패키징 모두에서)는 SiC를 활용한 주요 기술입니다.
탄화규소를 실용적으로 적용 시 이점
탄화규소는 전기차, 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템 및 EV 충전소와 같은 기존의 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 시스템 설계자와 제조업체가 이러한 변화를 주도하도록 여러 이점을 제공하고 있으나, 이러한 최종 제품의 소비자에게 이점이 되는 방법은 무엇입니까?
먼저 전기차(EV)를 살펴보도록 하겠습니다. 광범위한 채택을 제한하는 주된 이유는 주행거리 불안 때문입니다. SiC를 사용하면 EV의 주행거리를 7% 넘게 늘릴 수 있습니다. IGBT 기반의 인버터에서 SiC 인버터로 전환하기만 하면 주행거리에 큰 영향을 미칩니다. 이점은 이 외에도 더 있습니다. 또한 EV에 SiC를 사용하면 EV 채택 문제인 비용 문제를 해결할 수 있습니다. EV에 사용되는 배터리는 EV 부품 중 가장 비용이 많이 듭니다. SiC를 사용하여 EV의 주행거리를 7% 늘리려는 경우, SiC가 아닌 기준선과 동일한 주행거리를 유지하면서 배터리 크기를 7% 감소시킬 수 있습니다. 배터리 팩이 작아지면 직접적으로 EV의 전체 비용이 줄어듭니다. 이러한 이유로 EV에 SiC 채택을 매우 권장하고 있으며, SiC 제조업체의 대규모 수익을 예측하는 요인이 되기도 합니다.
EV와 관련된 EV 충전소는 이러한 충전 인프라에서 구축되었습니다. EV 충전소의 경우, 주된 한 가지 고려 사항은 전력 밀도입니다. SiC는 시스템 설계자가 동일한 볼륨에서 더 많은 전력을 받거나 전력을 동일하게 유지하면서 볼륨을 300% 줄일 수 있도록 지원합니다. 동일한 볼륨에서 더 많은 전력을 출력하는 점이 EV 충전소에 SiC를 사용하는 주요 요인입니다. 사람이 주유소에서 보내는 시간과 동일한 양으로 EV를 충전하는 것이 목표입니다. 이는 충전소에서 EV에 전달하는 전력의 양을 늘려야만 가능합니다.
또한 탄화규소로 더 작고 가벼운 태양광 인버터를 만들 수 있어 재생 에너지 시장을 돕고 있습니다. SiC로 지원되는 더 빠른 전환 주파수를 사용하는 태양광 인버터에는 더 작고 가벼운 마그네틱을 사용할 수 있습니다. 태양광 인버터는 전력 수준에 따라 50파운드 미만이 될 수 있습니다. 50파운드는 개인이 들어올릴 수 있는 최대 한도이며, 직업 안전 건강 관리청(OSHA)에서 설정합니다. 50파운드를 초과하는 리프팅 장비에는 두 명 이상의 사람 또는 리프팅 장비가 필요합니다. 조직은 더 가벼운 태양광 인버터를 만들어 설치 시 단 한 명의 사람만 필요합니다. 이렇게 하면 설치 비용이 절약되기 때문에 설치자와 소비자에게 적합합니다. 이러한 장점은 월박스 EV 충전기에도 적용됩니다. 전반적인 효율성 향상 및 전체 시스템 비용 절감 등과 같이 태양광 인버터에서 SiC를 사용하는 것에는 다른 실질적인 이점이 있습니다.
또한 산업용 모터 드라이브를 SiC로 전환하여 이점을 얻을 수 있습니다. SiC는 모터 인버터에 효율 개선, 소형화 및 열 발산 증가를 제공하여 모터 드라이브를 국소적으로 또는 모터 자체에 배치할 수 있습니다. 이를 통해 Si IGBT를 사용하는 솔루션에서 여러 개의 긴 케이블을 전력 제어함으로 다시 돌릴 필요성이 줄어듭니다. SiC 솔루션에는 전력 제어함에 연결되는 케이블 2개만 필요합니다. 이를 통해 이미지 2에 나온 7개 모터 관절형 로봇 암의 예시에 필요한 수백 피트의 비싸고 복잡한 케이블을 제거할 수 있습니다. 이에 대한 자세한 내용은 SiC MOSFET와 Si IGBT 비교: SiC MOSFET 장점
에서 확인할 수 있습니다.
이전의 응용 분야 예시에서는 설계자가 질화 갈륨(GaN)과 같은 기타 광역 밴드갭 반도체를 사용하는 것을 고려할 때 중요한 차별화 요소인 SiC의 우수한 내구성과 신뢰성의 이점을 누립니다.
GaN과 SiC의 차이점에 대해 자세히 알아보십시오.
탄화규소를 통한 탈탄소화로의 전환
위에서 설명한 적용의 공통된 맥락은 모두 탈탄소화로의 전환이 가능하다는 것입니다. 단, 서로 다르게 적용됩니다.
전기차는 운송으로 인해 배출되는 이산화탄소의 파운드 수를 직접 감소시켜 탈탄소화에 기여합니다. 배기관 배출이 없으며, 이산화탄소 배출원에서 생산된 전기를 소비합니다. 미국 에너지부는 이러한 배출을 포함해 휘발유를 사용하는 차량의 이산화탄소 12,594파운드의 대비 평균 2,817파운드의 이산화탄소를 배출합니다. 대기로 배출되는 이산화탄소의 양이 78% 감소한 수치입니다.
EV 충전소는 탈탄소화에 직접적인 영향을 미치지는 않으나, DC 고속 충전소의 강력한 인프라가 없다면 EV의 채택은 제한될 것입니다. 주행거리 불안증은 여전히 EV 채택을 주저하게 되는 주요 원인입니다. EV를 소유한 미국 가구의 90%는 전기차가 아닐 가능성이 높은 또 다른 차량을 소유하고 있습니다. 이러한 통계를 통해 소비자들이 자신의 EV가 특히 장거리 주행과 같은 자신의 모든 요구를 충족시킬 수 있다는 확신을 갖지 못한다는 것을 알 수 있습니다.
2009년 이후로 광전 변환(PV) 태양광 발전 비용이 거의 90% 감소하며 2020년 기준 37달러/MWh로 가장 낮은 에너지 발전 비용원이 되었습니다. 석탄이 112달러/MWh이고 천연 가스가 59달러/MWh인 점과 비교해 보십시오. 태양광을 사용하여 다른 에너지원에 비해 가장 적은 비용으로 에너지를 생산하면서 이산화탄소 배출량이 없는 에너지를 생산할 수 있습니다. SiC가 이러한 비용 절감의 전적인 요소는 아니겠지만, 태양광 발전의 비용을 감소시키는 기여 요인이 되고 있습니다.
세계는 더 많은 전기 에너지를 채택하고 있으므로, 전기 에너지를 소비하는 장비의 효율성을 계속 향상시키는 것이 중요합니다. 전기 모터는 전 세계 전력 소비의 40~50%를 차지합니다. 전 세계적으로 모터를 방대하게 사용하여 작은 효율성을 내므로 전기 모터의 효율성을 높이는 것이 중요합니다.
SiC는 기존 응용 분야에서 탈탄소화를 가속화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 이전에 실현하지 못했던 응용 분야를 가능하게 합니다. 그 예로 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기가 있습니다. SiC가 EV의 주행거리를 확장하는 것처럼 eVTOL에도 주행거리를 확장하여 더욱 실용적입니다.
SiC 반도체는 전반적으로 저렴한 비용으로 종단 시스템을 보다 효율적이고, 안정적이며, 견고한 경량의 소형 시스템으로 만들어 이러한 종단 시스템의 채택을 가속화할 수 있습니다.
Arrow Electronics로 SiC 적용
다른 새로운 기술과 마찬가지로 빠른 변화와 극복해야 할 문제점이 있을 것입니다. Arrow Electronics는 업계 최고의 SiC 공급업체 포트폴리오와 협력하여 SiC로 빠르게 전환하기 위한 전문 지식과 도구를 개발합니다. 이러한 SiC 공급업체로는 Infineon Technologies, Microchip Technology, onsemi, ST Microelectronics 및 Wolfspeed 등이 있습니다.
SiC의 모든 이점을 얻기 위해서는 전체 설계를 재평가해야 하며, 시스템 설계자가 새로운 게이트 드라이버, 전류 센서, 커패시터, 마그네틱, 커넥터 및 컨트롤러까지 선택해야 합니다. 이를 인정받아 Wolfspeed와 Arrow Electronics는 SiC용 모듈형 평가 플랫폼인 Wolfspeed SpeedVal Kit™를 공동 개발했습니다. 이를 통해 시스템 설계자는 플러그 앤 플레이 환경에서 다양한 게이트 드라이버 및 컨트롤러와 함께 다양한 SiC 장치를 신속하게 평가할 수 있습니다.
SiC는 세계가 탈탄소화를 향해 가속화할 수 있도록 하는 Si 기술에 비해 분명한 이점을 가지고 있습니다. Arrow Electronics는 전용 고출력 전문 지식과 업계 최고의 공급업체 포트폴리오를 통해 SiC 채택 및 탈탄소화로의 전환을 가속화하는 데 도움을 줄 수 있는 독보적인 위치에 있습니다.
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