한국세라믹기술원, 탄화규소 전력반도체 기판소재 핵심기술 개발

한국세라믹기술원(원장 유광수)은 에너지효율소재센터 정성민·신윤지 박사 연구팀이 세계 최고 수준의 전력반도체용 탄화규소 단결정 기판 제조기술을 개발했다고 28일 발표했다.

전력반도체 기판으로 활용되는 탄화규소(SiC) 단결정 기판 소재는 기존에 널리 사용되는 실리콘 기판보다 우수한 열적·전기적 특성을 갖고 있다. 고전압·고전류 특성이 필요한 항공·우주·전기차 등 에너지 산업에 적용되기 시작해 시장이 폭발적으로 증가추세에 있지만 재료 특성상 결함이 많아 단결정 성장기술이 필요한 상태다.

세라믹기술원 연구팀은 기존의 방법(승화법)이 아닌 용액성장법을 통해 직경 2인치급(50mm) 탄화규소 단결정 기판을 제조했다. 제곱센티미터당 결함밀도 270개 이하의 고품질의 기판을 제조할 수 있는 원천기술과 공정기술도 개발했다.

연구팀은 공정 제어가 어려운 용액성장법의 단점을 극복하기 위해 동의대학교·(주)악셀·일진디스플레이(주) 등과 협력해 핵심 원천기술을 확보하고 공정기술을 최적화했다.

개발된 기판의 결함수준은 제곱센치미터당 결함밀도 270개 이하인 것으로 확인됐다. 기존 프라임급의 상용 탄화규소 기판이 제곱센치미터당 결함밀도 1000개 이상인 점과 비교해 품질을 약 4배 향상시켰다.

전세계 탄화규소 반도체 소자 시장규모는 2022년 10억 8300만 달러를 넘어서는 등 급증세다. 하지만 탄화규소 반도체의 핵심소재인 기판소재는 아직 품질문제 등으로 국산화되지 못해 100% 수입에 의존하고 있다.

이번에 개발한 고품질 탄화규소 단결정 기판 제조기술은 국내 탄화규소 기판소재의 품질을 단시간에 향상시킬 수 있어 아직 사업화 실적이 미약한 국내 전력반도체 산업의 육성 및 세계 시장 점유율 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국세라믹기술원 정성민 박사는 “고품질 탄화규소 단결정 용액성장기술은 후발주자인 우리나라의 기판시장 진입을 가속화할 수 있는 핵심적인 소재원천기술”이라며 “후속 연구를 진행해 국내 기업이 하루 빨리 고품질 탄화규소 기판제품을 양산할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다. 진주=김해연 기자 haykim@hankyung.com