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안녕하십니까,
부매경입니다.
고속충전기가 손바닥만 하게 작아지고, AI 데이터센터 전원 아키텍처가 800V로 바뀌면서 GaN(질화갈륨) 전력반도체가 계속 언급되고 있습니다. 오늘은 GaN 전력반도체가 무엇인지, 실리콘·SiC와 뭐가 다른지 한번 알아보도록 하겠습니다.
GaN 전력반도체 정의
- GaN(Gallium Nitride, 질화갈륨)은 갈륨(Ga)과 질소(N)를 결합한 화합물 반도체입니다.
- 밴드갭(전자가 절연체→도체로 넘어가는 데 필요한 에너지)이 약 3.4eV로, 실리콘(약 1.1eV)의 3배 수준입니다. 이런 소재를 '와이드 밴드갭(Wide Bandgap, WBG)' 반도체라고 부릅니다.
- 밴드갭이 넓을수록 높은 전압·온도·주파수에서 안정적으로 동작합니다. 그래서 전기를 변환·제어하는 '전력반도체' 소재로 적합합니다.
- 실제 소자는 대부분 실리콘 기판 위에 GaN 박막을 얇게 성장시킨 'GaN-on-Si' 구조의 HEMT(고전자이동도 트랜지스터)로 만듭니다.
- 크게 전력변환용(Power GaN)과 통신용(RF GaN)으로 나뉩니다. RF GaN은 GaN-on-SiC 기반으로 방산 레이더·5G 기지국에 쓰입니다.
GaN 전력반도체 원리 — 실리콘·SiC와 차이
- 전자이동도가 핵심입니다. GaN은 약 2,000cm²/Vs로, SiC(약 650) 대비 3배, 실리콘 대비 훨씬 높습니다.
- 전자가 빠르게 움직이니 스위칭 속도가 빠릅니다. GaN은 1MHz 이상 주파수에서 스위칭이 가능하고, 스위칭 속도는 최대 150V/ns 수준입니다. 실리콘은 통상 100kHz 미만으로 제한됩니다.
- 스위칭이 빠르면 인덕터·커패시터 같은 수동부품과 냉각 시스템을 작게 만들 수 있어, 전원장치 전체 부피·무게가 줄어듭니다.
- 전력 변환 손실은 고전력 시스템 기준 최대 약 50%까지 줄일 수 있습니다.
- 역할 분담이 있습니다. GaN은 저·중전압(30~650V, 최근 1,200V까지 확장)의 고주파 영역, SiC는 고전압(600V~10kV) 대전력 영역이 주력입니다. 전기차 급속충전기·구동 인버터처럼 전압이 아주 높은 곳은 여전히 SiC가 유리합니다.
| 구분 | 실리콘(Si) | SiC | GaN |
|---|---|---|---|
| 밴드갭 | 약 1.1eV | 약 3.3eV | 약 3.4eV |
| 전자이동도 | 낮음(기준) | 약 650cm²/Vs | 약 2,000cm²/Vs |
| 스위칭 주파수 | 약 100kHz 미만 | 수백 kHz급 | 1MHz 이상 |
| 주력 전압대 | 전 영역(저효율) | 600V~10kV 대전력 | 30~650V 고주파(1,200V로 확장 중) |
| 대표 응용 | 일반 가전·산업용 | 전기차 인버터·급속충전기 | 고속충전기·데이터센터 전원·전기차 OBC·RF |
GaN 전력반도체 활용 사례
- 고속충전기 : 이미 주류가 됐습니다. GaN 충전기는 효율이 최대 93~95%(실리콘은 약 85%)이고, 같은 출력에서 크기를 약 50% 줄일 수 있습니다. 65W 초과 충전기 중 GaN 비중이 절반을 넘었고, 삼성·샤오미 등이 2025년 말~2026년 초 프리미엄 기기에 기본 채택했습니다.
- AI 데이터센터 전원 : NVIDIA 차세대 800VDC AI 팩토리 전원 아키텍처에 GaN이 채택됐습니다. Navitas의 10kW급 800V→50V DC-DC 플랫폼은 피크효율 98.5%, 전력밀도 2.1kW/in³ 수준입니다.
- 전기차 OBC(차량 탑재형 충전기) : GaN 기반 OBC는 실리콘 대비 충전 속도가 최대 3배, 에너지 절감 최대 70%입니다. GaN 기반 11kW·800V OBC는 SiC 대비 전력밀도 36% 향상, 부품 비용(BOM) 최대 15% 절감이 보고됐습니다.
- RF·방산 : GaN-on-SiC RF 트랜지스터는 6GHz 대역까지 동작해 4G·5G 기지국, 방산 레이더·전자전·위성통신의 핵심 부품입니다. mmWave와 6G 대역에도 유리합니다.
GaN 8인치 전환과 650V·1200V 동향
- GaN 소자는 지금 8인치(200mm) 웨이퍼 전환이 진행 중입니다. 웨이퍼가 커질수록 칩 단가가 내려갑니다.
- 중국 Innoscience가 세계 최대 8인치 GaN 전용 IDM으로, 2025년 전력 GaN 소자 시장 점유율 1위입니다. 저가 공세로 판가 하락 압력이 큽니다.
- onsemi는 GlobalFoundries와 200mm GaN-on-Si 기반 650V 소자를 2026년 상반기부터 고객 샘플링하고, Innoscience로부터 공급도 받습니다.
- Infineon은 한발 더 나아가 300mm(12인치) GaN 양산을 추진하며 2025년 4분기 첫 샘플을 냈습니다. 300mm는 200mm 대비 칩 생산량이 2.3배입니다. TSMC는 가격 경쟁을 이유로 GaN 파운드리 사업을 2027년 7월 종료할 예정입니다.
- 고전압 확장도 시작됐습니다. onsemi가 GaN-on-GaN 수직형 GaN으로 700V·1,200V 소자를 얼리액세스 고객에 샘플링 중이며, 1,200V급이 열리면 GaN이 SiC 영역을 일부 잠식할 수 있습니다.
- 국내에서는 삼성전자가 8인치 GaN 파운드리 라인 가동을 준비 중이나, 시험생산에서 고온 불량이 확인돼 양산 일정이 밀릴 수 있습니다. DB하이텍은 650V E-mode GaN HEMT 공정을 확보해 2026년 GaN 전용 시제품 제작을 진행하고 있습니다.
GaN 전력반도체 시장 규모
- 전력용 GaN 소자 시장은 2031년까지 약 35억 달러 규모로, 연평균(CAGR) 약 35% 성장할 전망입니다(Yole Group, 2026년 8월).
- 2031년 기준 소비자·모바일 전자기기가 약 17억 달러, 통신·인프라(AI 데이터센터)가 약 7.5억 달러이며, 자동차는 CAGR 57%로 가장 빠르게 큽니다.
- 앞선 리포트도 방향은 같습니다. Yole은 2024년 3.55억 달러에서 2030년 약 30억 달러(CAGR 42%, 6배)로 봤고, 다른 추산은 2025년 5.3억 달러에서 2029년 20.13억 달러(연평균 약 40%)로 봅니다.
- 전기차 OBC용 GaN 파워스테이지만 떼어 봐도 2024년 6.73억 달러에서 2033년 31.2억 달러로 늘어날 전망입니다.
- 통신용 RF GaN 시장은 2026년 약 24억 달러 규모이고, 이 중 방산용은 2025년 5.92억 달러에서 2031년 10억 달러(CAGR 10%)로 성장합니다.
GaN 전력반도체 관련 기업
- 글로벌 : Innoscience(중국, 8인치 GaN IDM 1위), Infineon(300mm GaN 추진), Navitas(GaNFast, AI 데이터센터 전원), onsemi(650V·수직형 GaN), Power Integrations, EPC, Texas Instruments, Renesas, STMicroelectronics
- RFHIC : 국내 유일 GaN 트랜지스터·전력증폭기 양산 기업. 통신·방산·RF에너지
- 웨이비스 : 국내 최초 GaN RF 반도체 칩 양산 국산화, 패키지·트랜지스터·모듈 수직계열화
- 에이프로(에이프로세미콘) : 650V급 8인치 GaN-on-Si 에피웨이퍼 양산
- 아이언디바이스 : 100V급 GaN 게이트드라이버 IC 양산, GaN 파워 IC 확대
- DB하이텍 : 650V GaN HEMT 파운드리 공정 확보
- 삼성전자 : 8인치 GaN 전력반도체 파운드리 라인 준비
- 시지트로닉스 : GaN·SiC·산화갈륨 등 화합물반도체 라인업 보유
- 관련주 대장주와 세부 테마 분류는 자매 블로그 thema-stock의 'GaN 전력반도체 관련주' 글에서 자세히 다루겠습니다.
GaN 전력반도체는 고속충전기에서 이미 실리콘을 밀어냈고, 이제 AI 데이터센터 전원과 전기차 충전으로 전선을 넓히고 있습니다. 다만 1,200V 이상 대전력은 여전히 SiC의 몫이고, 8인치·12인치 대구경 전환의 수율 확보와 중국발 가격 경쟁이라는 숙제가 남아 있습니다. 당분간은 GaN과 SiC가 전압대를 나눠 쓰며 함께 크는 그림으로 보입니다.
이상입니다. 감사합니다.
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