한국세라믹기술원, 탄화규소 전력반도체 기판소재 핵심기술 개발

하나머티리얼즈·동의대 등 공동
초고순도 탄화규소 블록 개발
현재 상용화 절차 진행 중

실리콘기판보다 열 특성 등 우수

한국세라믹기술원 전경. /한국세라믹기술원 제공

한국세라믹기술원(원장 정연길)은 공동연구를 통해 반도체용 탄화규소(SiC) 재활용 소재를 원료로 적용해 전력반도체용 단결정 기판을 초고속으로 성장시킬 수 있는 기술을 개발했다고 28일 발표했다.

이 연구는 기술원 정성민 박사 연구팀과 하나머티리얼즈(대표이사 오경석), 동의대학교 신소재공학부 이원재 교수 연구팀이 공동으로 진행했다. 탄화규소(SiC) 기판소재는 탄화규소 반도체 소자의 핵심요소로 최근 전기차 시장에서 활발하게 적용되고 있으며, 기존 널리 사용되는 실리콘 기판보다 우수한 열적·전기적 특성을 갖고 있다.

보통 탄화규소 단결정은 탄화규소 원료를 고온으로 가열해 기화된 원료가 상대적으로 차가운 종자결정상에 증착되는 ‘승화재결정법’으로 제조된다. 그러나 실리콘 단결정의 성장에 비해 수십~수백분의 1에 지나지 않는 200~400μm/h 정도의 느린 승화재결정법의 성장속도는 탄화규소 기판의 생산성을 개선하기 어려운 주요 원인이며, 이를 인위적으로 고속성장 시킬 경우 다양한 문제로 품질저하 문제가 발생한다.

공동연구팀은 이 같은 문제를 개선하고자 재활용한 탄화규소 원료를 전력반도체용으로 활용하는 연구를 진행해왔다. (주)하나머티리얼즈는 기존의 탄화규소 분말원료보다 불순물이 적고 비표면적이 적은 초고순도 탄화규소 블록의 개발을 완료하고 상용화하는 절차를 진행중이다.

한국세라믹기술원 연구팀은 하나머티리얼즈에서 개발한 탄화규소 폐기물을 재활용한 블록을 기존의 ‘승화재결정법’에 원료로 적용해 직경 2인치급(50mm)의 탄화규소 단결정을 성장시켰다.

탄화규소 반도체 기판시장 세계 규모는 22년 8억6500만 달러를 넘어 연 19%씩 성장해 2027년에는 20억 달러를 넘어설 것으로 전망되고 있다.

연구책임자인 한국세라믹기술원 정성민 박사는 “원료의 선별을 통해 고속의 성장속도에서 우수한 품질을 갖는 탄화규소 단결정을 제조할 수 있음을 실증했다”며 “이번에 개발된 초고속 탄화규소 단결정 성장기술이 탄화규소 단결정기판의 생산성에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

진주=김해연 기자 haykim@hankyung.com