R&D 리더<전력경제신문 창간 15주년 특집 기획>
기업 지원 ‘탄력’ 히든챔피언으로 키운다 
“기술 독립 실현·글로벌 시장 선도 최선”
전기차용 ‘SiC 전력반도체’ 개발·기술이전
기업 지원 ‘스마트 이노베이션센터’ 착공

한국전기연구원(KER)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2020년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)과 1개의 지역본부(광주)가 있으며, 전체 직원 수는 800여명에 이른다.
KERI는 첨단 전기기술을 개발하는 데 그치지 않고, 기술을 발판으로 기업과 함께 성장하고, 이를 통해 국가사회에 기여할 수 있는 방향으로 나아가고 있다. KERI의 대표 기업협력 사례를 소개한다.

한국전기연구원 SiC 전력반도체 제조용 웨이퍼

# KERI 전력반도체연구센터가 SiC(탄화규소) 전력반도체 소자 기술에서 가장 난이도가 높은 ‘트렌치 구조 모스펫(MOSFET) 상용화 핵심기술’을 개발하고, 전문 제조업체를 대상으로 20억원 규모의 기술이전 계약을 체결하는 대형성과를 달성했다.
전력반도체는 전력이 필요한 곳이면 필수적으로 활용되는 산업의 중요 부품이다.
전류 방향을 조절하고 전력 변환을 제어하는 등 사람으로 치면 근육과도 같은 역할을 한다.
현재 전기차에서 배터리와 전기모터를 연결하는 고성능 인버터에 필수적인 부품으로 활용되며 많은 관심을 받고 있다.
최근에는 그린·디지털 뉴딜 정책에 힘입어 신재생에너지와 5G 이동통신망 등 미래 산업의 패권을 좌우할 핵심 기술로 손꼽히고 있다.
전력반도체의 핵심인 제어 효율을 유지하는 소재는 기존 실리콘(Si)에서 재료 특성이 우수한 탄화규소(SiC, Silicon Carbide)로 대체되는 추세다.
우수한 열적·전기적 특성을 지닌 SiC 전력반도체는 실리콘 반도체보다 10배 높은 전압과 2배 높은 열을 견디고, 전력 소모도 작아 칩 크기를 기존 대비 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다.
SiC 전력반도체가 전기차에 적용될 경우 연비 10% 이상 향상을 기대할 수 있을 정도로 효과가 매우 크다.
하지만 폭발적으로 늘어나는 전기차 시장에 비해 SiC 전력반도체는 소수의 선진 국가들만이 독점하고 있어 전 세계적으로 공급 부족 현상에 시달리고 있다.
이에 전력반도체의 대량생산을 가져올 수 있는 트렌치(Trench) 구조가 큰 주목을 받고 있다.
트렌치 구조는 반도체의 용량이 커지면서 반도체 칩 평판에만 셀을 집적시키는 방식이 물리적 한계에 부딪히며 나온 방식이다.
기존 평판(Planar) 구조는 전자들이 수평으로 형성된 채널을 통과한 뒤 수직방향으로 이동하는 방식이었다면, 트렌치 구조는 모스펫 가운데에 좁고 깊은 골(도랑)을 만들어 전자가 수직으로 형성된 채널을 바로 통과해 이동하는 방식이다.
면적 활용도를 크게 높여 반도체 칩 크기를 10% 이상 줄일 수 있는 아주 획기적인 기술이다(단위 면적당 흐르는 전류 10% 이상 향상).
하지만 트렌치 구조는 안정적인 전압 및 장기적 내구성 확보 등 해결해야 할 난제들이 많아 전 세계적으로도 독일과 일본만이 어렵게 양산화에 성공할 정도로 기술 장벽이 매우 높았다.
이에 지난 20년 간 전력반도체 분야만 외길로 매진해 온 KERI 전력반도체연구센터가 그동안 쌓아온 SiC 소재 특성 데이터 및 전력반도체 소자 설계 역량을 토대로, 세계 3번째로 초고난도의 SiC 전력반도체인 ‘트렌치 모스펫’ 개발에 성공한 것이다.
KERI 트렌치 모스펫 국산화 실현은 최근 전기차 시장의 화두인 전력반도체 부족 현상을 해결하는데 큰 기여를 할 것으로 보고 있다.
트렌치 구조로 반도체 칩이 작아진 만큼 1개 웨이퍼에서 생산할 수 있는 반도체의 제작 수량이 크게 늘어난다.
예를 들어 SiC 전력반도체를 제조하는 6인치 웨이퍼(기판) 1개를 기준으로, 기존 평판 구조를 통해서는 1,000개의 반도체 소자를 만들 수 있었는데, 트렌치 구조를 활용하게 되면 100개 이상 소자를 더 만들 수 있다는 것을 의미한다.
이를 통해 SiC 전력반도체의 대량 생산이 가능해지며, 궁극적으로 전기차의 가격을 낮추는 효과로도 이어질 전망이다.
KERI 방욱 전력반도체연구센터장은 “전기차 시대 도래로 전 세계적으로 SiC 전력반도체의 공급난이 일어나고 있는 만큼, 해당 기술의 고도화 및 자립화, 그리고 양산화 능력 확보가 국가 경쟁력에 큰 영향을 미치고 있다”고 밝히며 “이번 트렌치 모스펫 성과는 우리나라도 SiC 전력반도체 분야에서 선진국과 견줄 정도의 훌륭한 기술력을 가지고 있다는 것을 의미한다”고 전했다.
KERI는 개발한 ‘트렌치 구조 SiC 전력반도체 모스펫’ 제조 원천기술을 포함해 제품 상용화를 위한 각종 측정·분석 기술 등 종합적인 기술 패키지를 전력반도체 전문 제조기업인 ㈜예스파워테크닉스(대표 김도하)에 최근 기술이전했다.
기술이전 금액은 과제수탁 계약 포함 총 20억원에 이르는 대형 계약이다.
연구팀은 장비 구매부터 양산화 라인 구축까지의 전 프로세스를 지원하는 등 그동안 수입에 많이 의존했던 SiC 전력반도체의 국산화 및 대량 생산화를 적극 지원할 계획이다.
개발자인 KERI 문정현 박사는 “SiC 전력반도체 분야 국내 최대 규모인 대형 기술이전 20억원 체결 성과에 만족하지 않고, 기업과의 지속적인 협업과 꾸준한 연구를 통해 SiC 전력반도체와 관련한 소재·부품·장비 분야로 기술 적용을 확대하는 등 우리나라가 전력반도체 분야에서의 기술 독립을 실현하고 글로벌 시장을 선도할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 전했다.

2022년 구축 예정인 한국전기연구원 스마트 이노베이션센터(지상 5층, 연면적 5,509㎡ 규모)

# 국가사업인 스마트 산단을 성공으로 이끌기 위한 140억원 규모의 ‘스마트 이노베이션센터’가 2022년 3월 완공을 목표로, 한국전기연구원 창원본원에 설립된다.
이번에 설립될 센터에서 진행될 주요 사업에는 ‘공정혁신 시뮬레이션센터’와 ‘스마트제조 고급인력 양성사업’이 있다.
지난해부터 시작된 ‘공정혁신 시뮬레이션센터’는 지역 중소·중견기업들이 제품개발 단계에서 겪는 각종 어려움을 시뮬레이션을 통해 사전에 예측하고, 해결방안까지 제시해주는 기업지원 사업이다.
운영은 KERI 해석기술지원실(실장 백명기)이 맡고 있다.
현재까지 약 40개 중소·중견기업이 시뮬레이션을 통해 전력기기 분야(3차원 모터), 자동차(배터리 쿨링 패드), 관광(첨성대 지진 영향), 건축(몽골식 가옥 에코 팬), 헬스케어(밸런스 운동기구) 등 분야에서 기술 지원을 받았다.
총 84억원 규모의 제품개발 및 생산기간 단축 효과를 얻을 정도로 결과가 아주 좋았다.
KERI는 이번 스마트 이노베이션센터 구축을 통해 더욱 좋은 환경에서 많은 시뮬레이션 수혜기업들이 나올 수 있도록 지원 규모를 확대한다는 계획이다.
또한 지역 내 산학연과의 협력을 통해 시뮬레이션과 관련한 각종 교육 프로그램도 개설하여 매년 100여명 이상의 해석기술 전문 인력 양성에도 나설 예정이다.
전문가들은 센터 구축으로 인한 시뮬레이션 기업 지원 효과를 매년 100억원(소프트웨어 구매 및 유지관리비 절감 40억원, 생산비 50억원 등) 이상으로 추정하고 있다.
기업들의 제품 개발 및 생산 기간 단축효과까지 고려하면 그 파급효과는 더 커질 전망이다.
KERI 백명기 해석기술지원실장은 “더욱 강력해질 공정혁신 시뮬레이션센터를 통해 기업들이 신제품 개발, 장비 국산화, 기존 제품 문제점 해결, 해외시장 진출, 연구소기업 설립 등 기회비용 절감 및 매출 증대를 할 수 있도록 적극 지원할 예정이며, 이들이 4차 산업혁명의 변화에 적응하고 미래 산업을 이끌어 갈 히든챔피언으로 거듭날 수 있도록 지원하겠다”고 밝혔다.
또 다른 핵심 분야인 ‘스마트제조 고급인력 양성사업’은 경남·창원 지역의 스마트제조 혁신을 이끌어 갈 핵심인력을 육성하고, 관련 일자리 확충을 목적으로 추진하는 사업이다.
창원대를 주관으로 KERI와 경남대, 창원문성대, 경남창원산학융합원 등이 함께한다.
이번 스마트 이노베이션센터 설립을 통해 첨단 교육환경을 구축하고, 스마트 제조분야 석·박사급 고급인력을 대거 양성해 대한민국 기계 산업의 중추인 창원국가산업단지의 부흥과 스마트화를 달성한다는 목표다.
한편 경남 창원 강소연구개발특구의 기술핵심기관인 KERI는 ‘지능 전기기술’을 기계 산업에 적용해 제조 혁신 및 지역경제 활성화를 위한 많은 노력을 기울이고 있다.
지난해 캐나다 워털루 대학과의 인공지능연구센터 개소를 필두로, 이번에 착공되는 스마트 이노베이션센터, 올해 하반기 HVDC 전력기기 국제공인 시험인증 설비까지 지능 전기기술의 확대 적용을 위한 핵심 인프라를 연이어 구축할 계획이다.