전력반도체 소재가 기존 실리콘(Si)에서 화합물(SiC·GaN) 기반으로 바뀌는 것은 에너지 효율의 패러다임을 바꾸는 일이다.
구상모 차세대전력반도체추진단장(광운대 전자재료공학 교수)은 이를 ‘비포장도로에서 고속도로로의 전환’에 비유했다. 구 단장은 “화합물 반도체는 에너지 장벽인 밴드갭(Band-gap)이 실리콘보다 3배 넓어 고압과 고온을 견디는 힘이 압도적”이라며 “전력 변환 손실을 최대 90%까지 줄일 수 있어 전기차 주행거리를 10% 이상 늘리고 냉각 장치 부피는 10분의 1로 줄일 수 있다”고 설명했다.
산업적 전환점은 이미 시작됐다. 2018년 테슬라가 모델3에 SiC 전력반도체를 도입하며 실리콘의 물성적 한계를 넘어선 것이 첫 번째 티핑 포인트였다면, 지금은 AI 데이터센터와 에너지 그리드(전력망)를 중심으로 두 번째 티핑 포인트가 오고 있다는 분석이다. 구 단장은 “과거 테슬라가 그랬듯, 이 흐름을 먼저 타는 국가가 향후 10년의 에너지 패권을 쥘 것”이라고 내다봤다.
반도체 강국인 한국은 화합물 전력반도체에서 후발 주자다. 한국 반도체 생태계는 소품종 대량 생산인 메모리에 최적화된 구조인 반면, 전력반도체는 다품종 소량 생산이며 필요한 공정 기술도 다르기 때문이다. 구 단장은 “메모리 반도체라는 ‘두뇌’에 집중하느라 이를 뛰게 할 ‘심장’인 전력반도체 육성에 소홀했다”고 했다.
이어 독일 인피니언이 메모리 사업부를 분사하고 전력반도체에 집중해 세계 1위가 된 사례를 언급하며 “이제는 국가 반도체 포트폴리오를 전략적으로 재설계해 메모리 강국의 저력을 전력분야로 빠르게 전이시켜야 할 때”라고 말했다.
한국의 승부처는 ‘8인치(200mm) 전환을 통한 골든타임 확보’에 있다. 현재 글로벌 시장의 화두인 8인치 웨이퍼는 기존 6인치보다 칩 생산량이 약 1.9배 많아 원가를 30% 이상 낮출 수 있는 물리적 기반이 된다. 구 단장은 “중국이 보조금을 앞세워 ‘물량’으로 밀어붙인다면, 우리는 대구경에서도 결함이 없는 ‘고수율 공정 기술’로 초격차를 벌려야 한다”며 “감가상각이 끝난 기존 8인치 실리콘 팹(Fab) 장비를 SiC 공정에 빠르게 이식해 양산 속도를 높이는 것이 승패를 가를 핵심 열쇠”라고 강조했다.
산업부 지원으로 운영되는 추진단은 이를 위해 ‘수요 연계형 고속 상용화’에 전력을 다하고 있다. 단순한 부품(칩) 생산을 넘어, 냉각과 구동 회로가 통합된 지능형 전력 모듈(IPM) 시스템으로 부가가치를 높이는 전략이다. 구 단장은 “개발 단계부터 수요 기업과 원팀이 되어 스펙을 맞추고 트랙 레코드를 쌓아야 한다”며 “정부가 초기 시장의 불확실성을 걷어주는 제도적 안전장치를 마련한다면 충분히 승산이 있다”고 밝혔다.
미래를 위한 자원 배분은 ‘투 트랙’으로 가져간다. 단기적으로는 이미 주류가 된 SiC와 GaN의 제조 경쟁력 확보에 자원의 80%를 쏟고, 장기적으로는 산화갈륨(Ga2O3)이나 다이아몬드 같은 미래 소재의 원천 특허를 확보하는 방식이다. 구 단장은 전력반도체 효율 1% 향상이 최신 원자력 발전소 1기를 더 짓는 것과 맞먹는 효과가 있다고 강조했다.
그는 “에너지를 만드는 것만큼이나 잃어버리지 않고 쓰는 게 중요하다”며 “전력반도체는 단순한 산업재를 넘어 미래 에너지 인프라의 통제권을 결정짓는 국가 안보 자산인 만큼, 이번 골든타임을 놓치지 말고 반드시 자립 생태계를 구축해 기술 주권을 확보해야 한다”고 덧붙였다.
김리안 기자 knra@hankyung.com