[칩톡]스마트폰·전기차 두뇌칩 'SoC'에 탑재, 전력관리반도체가 뜬다

신에너지시대 핵심 PMIC
배터리로부터 전력 추출·차단·배분
기기 효율적 관리…발열 변수 줄여줘
전기차시장 확대에 PMIC 동반 성장
삼성전자 2010년부터 뛰어들어
TF도 신설, 관련 사업 집중 육성
DB하이텍·현대모비스도 개발
재생에너지에도 필요…잠재성 무한
PMIC 시장, 2033년 82조원 전망

전자기기가 작동될 수 있도록 하는 에너지원인 전기. 이 전기를 사람의 몸속 혈액이라고 보면, 혈액을 각 기관으로 배급해주는 심장과 같은 역할을 도맡아 해주는 반도체가 있다. 바로 전력관리반도체(PMIC)다.

전력관리반도체는 말 그대로 전력을 관리해주는 반도체다. 관리는 스스로 판단해서 효율적으로 이뤄지고 전자기기 내부 상황에 따라서 필요하면 전력을 전달하는 방식도 변환해줄 만큼 똑똑하다. 주로 시스템 온 칩(SoC) 안에 탑재된다. SoC 칩은 스마트폰 등 전자기기는 물론, 최근 자동차 시장에서 주류로 자리 잡아가고 있는 전기차에도 핵심부품으로 쓰이는 '두뇌' 칩이다. SoC 칩은 통상 파운드리(반도체 위탁생산)를 통해서 제조되고 이에 따라 전력관리반도체도 파운드리에서 많이 만든다. 파운드리를 잘하려면 SoC 칩에 들어가는 전력관리반도체도 잘 만들어야 하는 셈이다.

이 때문에 업계 일각에선 이달 들어 테슬라, 애플로부터 연이어 파운드리 수주를 받은 삼성전자의 낭보 이면에 전력관리반도체가 일부 자리 잡고 있다는 분석도 나온다. 삼성전자는 전력관리반도체를 2010년부터 만들기 시작해 업력이 15년에 이르렀고 기술도 오랜 기간 연구·개발했다.

파운드리 시장이 차츰 활성화될 조짐을 보이고 인류의 전기 생산 방식이 자연적으로 발생하는 '재생에너지'에 초점이 맞춰지고 있는 근래 전력관리반도체는 더욱 주목받고 있다. 미래 전망은 밝고 이 시장에서 활발히 활약하는 기업들도 늘었다. 시장조사업체 'IMARC 그룹'은 지난 3월 내놓은 보고서를 통해 지난해 446억달러(약 61조원) 규모였던 세계 전력관리반도체 시장이 2033년이 되면 595억달러(약 82조원)에 이를 것으로 내다봤다. D램, 낸드플래시 등 메모리에 비해, 비메모리인 전력관리반도체는 업계에서 아직은 수익성을 인정받지 못했고 주류라 부르기도 힘들다. 하지만 머지않아 무시할 수 없는 반도체 중 하나로 자리매김할 것이란 시각에는 대체로 이견이 없다.

전기차와 함께 급속히 성장

전력관리반도체가 주로 관리하는 대상은 당연히 배터리다. 배터리로부터 전력을 추출하거나 차단해서 배분하고 조율한다. 이를 통해 전체 기기가 전력을 효율적으로 쓸 수 있도록 유도하고 고열이 발생할 수 있는 변수를 줄여주는 것이다. 전력관리반도체의 역할과 능력은 일반 실리콘 반도체와는 구성 물질부터가 다르기 때문에 가능한 것으로 알려져 있다. 전력관리반도체는 최근 실리콘카바이드(SiC)와 게르마늄, 질화갈륨(GaN)을 혼합해서 많이 만들어지고 있다. 오랜 기술 개발을 통해서 가장 적합한 재료들로 선별된 것들이다. 실리콘카바이드, 질화갈륨만으로 만들어진 제품들도 있는데, 이 물질들은 반도체가 매우 높은 온도를 견디면서 정상적으로 작동할 수 있도록 해주고 높은 전압에 대해서도 잘 저항할 수 있도록 돕는다. 에너지 손실도 줄여준다. 실리콘카바이드와 질화갈륨으로 만들어진 반도체는 각각 400도, 800도의 고온에서도 기능을 수행할 수 있다. 기존 실리콘 반도체가 최대 150도에서 작동할 수 있는 것에 비하면 약 5~6배 이상 뜨거운 환경에서도 작동이 가능한 셈이다.

전력관리반도체에 대한 업계의 관심은 이전부터 적지 않았다고 한다. 다만 이 분야에 뛰어들어야겠단 기업들의 결심은 전기차 시장이 확대되면서 증폭된 측면이 있다. 전기차 개발 경쟁이 심화되면서 자연스럽게 필수로 탑재되는 SoC 칩의 수요가 높아졌고 전력관리반도체의 기술 개발과 양산도 함께 늘어났다는 게 업계의 시각이다. 지난해 8월 인천 청라 아파트 지하주차장에서 발생한 전기차 화재 사고를 기점으로 전기차 배터리의 발열 문제에 대한 해결방안 마련 문제가 대두됐는데, 이 과정에서 전력관리반도체의 적극적인 활용과 개발에 대한 요구가 커졌다는 분석도 있다.

삼성·DB 등 두각…삼성은 TF 운영

우리 기업들의 전력관리반도체에 대한 투자와 관심은 독일, 미국 등의 유수 기업들과 비교해도 그 정도가 작지 않다. 삼성전자를 비롯해, DB하이텍, 현대모비스 등이 전력관리반도체를 생산해 공급하거나 관련 연구개발에 힘을 쏟고 있다. 중소 스타트업들의 관련 동향도 활발하다고 한다.

삼성전자가 가장 선봉에 서 있고 두각도 나타내고 있다. 삼성전자는 전력관리반도체 시장에 다소 이른 2010년에 처음 뛰어들었다. 스마트폰, 태블릿 등 모바일용 제품을 만들고 반도체 사업도 영위하고 있는 그룹의 특성이 전력관리반도체로 눈길을 이끌었다고 볼 수 있다. 스마트폰도 고열을 방지하고 배터리 사용량을 제어해줄 수 있는 전력관리반도체를 꼭 필요로 한다. 근래에는 삼성전자가 경영진의 높은 관심 아래 전기차에 탑재되는 차량용 반도체에 사업 역량을 대거 투입하면서 전력관리반도체의 개발속도도 동반해서 올라가고 있다. 삼성전자는 최근 전력반도체 태스크포스(TF)도 신설해 관련 사업을 집중적으로 키우고 있는 것으로 전해진다. 전력관리반도체를 연구, 개발하면서 일부 이론과 성능들을 일반 반도체에도 적용이 가능한지를 살피는 조직이다. 다각도로 사업 전략들도 짜고 추진하려 하고 있다. 전기차 제조사들은 물론, 여러 기업과의 파트너십과 협력도 도모하고 있다. 제품의 개발과 출시에도 힘을 기울이고 있다. 앞서 2021년 5월에는 DDR5 D램 모듈에 탑재할 수 있는 전력관리반도체 3개 종(S2FPD01, S2FPD02, S2FPC01)을 시장에 내놓은 바 있다. 이들은 외부 기판에 탑재됐던 이전 제품들과 달리, D램 모듈 기판에 직접 탑재돼 전원을 안정적이고 빠르게 공급할 수 있어 메모리 성능 향상과 동시에 오작동을 최소화할 수 있도록 만들어져 주목받았다.

재생에너지 관리에도 필요…잠재성 무한

지금은 전기차에서 부각되고 있지만, 전력관리반도체는 재생에너지 사용의 활성화, 발전 등 최근 흐름과 함께 그 잠재성이 더욱 무한해졌다는 평가를 받는다. 재생에너지를 관리하고 사용하는 데 있어 전력관리반도체는 꼭 필요하다. 대표적으로, 태양광 발전 시스템이 그렇다. 태양광을 통해 생산된 전기를 직류(DC)에서 교류(AC)로 변환할 때 전력관리반도체가 쓰인다. 에너지가 생산될 때 불규칙한 흐름을 보이는 신재생에너지의 특성에 대응하는 데도 전력관리반도체가 요구된다. 인공지능(AI) 시대에 맞춰 기업들이 설립에 박차를 가하고 있는 데이터센터에서도 전력관리반도체의 역할이 필수적이다.

김형민 기자 khm193@asiae.co.kr