GaN(질화갈륨) 반도체 시장, 자동차부터 통신까지 다양하게 파고 들어

GaN 전력 소자는 2010년에 International Rectifier가 개발한 이후 2012년에는 최초의 6인치 GaN 온 실리콘 웨이퍼의 출현으로 이어졌다. 베리파이드 마켓 리서치의 최근 발표에 의하면 GaN 반도체 소자 시장은 작년에 16억 3천만 달러의 규모를 형성했던 것으로 나타났다.

베리파이드 마켓 리서치의 최근 발표에 의하면 GaN(갈륨 니트라이드) 반도체 소자 시장은 작년에 16억 3천만 달러의 규모를 형성했던 것으로 추정된다. 이 수치는 2028년에 553억 달러의 규모로 커져, 연평균 16.53%의 성장률을 기록할 전망이다.

자동차 산업이 내연 기관에서 전기로 이동함에 따라 주행 거리를 확장하고 비용을 절감하는 패러다임의 변화가 이미 시작되었다. GaN 반도체는 실리콘 제품보다 향상된 성능을 제공하면서도 실리콘 카바이드보다 더 저렴한 비용을 기반으로 한다. GaN 트랜지스터는 기존의 재료보다 물리적으로 우수하면서도 고성능 패키징을 갖춘 특징으로 인해 급성장 중이다. 기존의 실리콘 반도체보다 최고 3배 더 높은 전력 밀도와50% 낮은 손실을 자랑하며 4배 더 나은 성능으로 전체 시스템 비용을 20% 정도 절감시켜주는 것이 이 소자의 핵심 경쟁력이다.

특히 무선 주파수 (RF) GaN 시장은 주로 통신 및 군용 애플리케이션을 중심으로 어마어마한 성장을 할 것으로 보인다. 시장조사 기관인 욜(Yole) 디벨롭먼트는 GaN RF 시장이 2019년의 7억 4천만 달러에서 2025년에 20억 달러 이상의 규모로 경이로운 기록을 할 것이라고 보고 있다. 이 분야에서는 전 세계 500개 이상의 회사 및 연구 기관들이 3,000개 이상의 특허를 낸 것으로 분석될 정도이다.

상업용 무선 통신 애플리케이션에 대한 수요가 급증하고 있는 중국의 경우 차세대 통신 네트워크를 중심으로 수요가 급증하고 있다. 특히 미국과의 무역전쟁 이후 중국을 기반으로 하는 여러 기업들이 5G 인프라에 대한 GaN 소자 개발에 열을 내는 것도 주목할 만하다.

업체들간에 치열해지는 각축전

이처럼 급성장하는 GaN 소자 시장에서는 특허 기술 전쟁도 만만치 않다. Cree는 특히 GaN-on-SiC 기술 특허를 일찌감치 확보함으로써 스미토모 전기, 도시바의 진입에 제동을 걸을 정도이다. 인텔과 MACOM도 GaN 온 실리콘 기술의 경우 2017년부터 IP 활동을 강화해오고 있다. 특히 인텔은 현재 RF GaN 분야 최대의 특허 출원자로서 스미토모 전기, 후지쯔 뿐 아니라 Cree 조차 앞서서 IP의 리더쉽을 이끌고 있다.

GaN 소자 제공업체들은 다양한 애플리케이에서 저마다 입지를 확고히 하고 있다. 업계 최초로 자동차용 GaN FET을 내놓았던 텍사스 인스트루먼트는 집적 드라이버, 회로 보호 및 액티브 전원 관리 기능까지 추가하면서도 칩의 소형화에 주력 중이다. 그런가 하면 CGD는 소비자 및 산업용 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), 조명 등 특화된 애플리케이션을 위해 독자적인 ICeGaN 기술을 적용해 트랜지스터를 지속적으로 내놓고 있다.

세계 최초의 GaNFast 전력 IC를 출시했던 나비타스는 MHz 주파수와 최고 효율의 작동을 동시에 달성하는 기술로 모바일 고속 충전기 및 어댑터 시장에서 점유율을 높혀나가고 있다. IoT, TV, EV/하이브리드, LED 조명 및 새로운 에너지 솔루션에서 더 작고 빠르며 가볍고 낮은 전력 변환기를 내놓고 있는 이 회사는 일찌감치 디지키를 통해 전 세계 어디서든 즉시 공급이 가능한 24/7 유통 시스템을 가동 중이다.

디스크리트와 MOSFET 소자, 아날로그 및 로직 IC 전문기업인 넥스페리아 역시 GaN FET 시장에 진출해서 성공적으로 고객사들을 확보하고 있다. 대표 제품인 GAN063-650WSA는 60mΩ 이하의 낮은 RDS(on) 저항과 빠른 스위칭 속도를 통해 매우 뛰어난 효율을 제공하는 것으로 좋은 평판을 받고 있다.

이 회사는 전기 자동차, 데이터센터, 텔레콤 인프라, 산업 자동화, 고급 전원장치 등 고성능 애플리케이션 영역을 겨냥해 GaN온 실리콘 기술로 품질과 신뢰성 면에서 검증된 제품을 고전압 시장 영역에서 늘려나가고 있다. 넥스페리아의 소자들은 업계 표준 TO-247 패키지로 공급되기 때문에 사용자들은 익숙한 패키지에서 GaN의 탁월한 성능을 활용한다.

GaN 전력 변환기는 전력 애플리케이션에서 실리콘에 비해 근본적인 이점을 제공한다. 트랜스폼의 GaN FET는 AC-DC PFC 단계의 효율성을 99% 이상 향상시켜 전체 시스템 비용을 줄이면서 전력 밀도(동일한 폼 팩터에서 더 많은 전력)를 높이는 것으로 입증됐는데 모두 공시 현장 신뢰도가 1.0 FIT 미만이다.

NXP 는 작년에 1억 달러 규모의 GaN 팹라인을 확대해 6인치 GaN RF 5G 기지국 전원 증폭기 생산에 집중하기 시작했다. 한편 샤오미의 C 타입 GaN 충전기가 올 초에 출시된 이후 이 충전기 및 어댑터 시장에 불을 붙였다. 일부 글로벌 스타트업들은 한국을 중심으로 GaN 소자가 채택된 충전기 시제품을 내놓으며 시장성을 타진 중이다.

[#. 본 기사는 PEMK(파워일렉트로닉스매거진 코리아) 6월호에 먼저 게재되었습니다.]