AI 데이타센터가 주목하는 GaN 전력 반도체

AI 데이터센터는 2023년 한 해에만 20% 이상 전력 수요가 증가하며 전 세계 전력망 운영자들의 고민거리가 되고 있습니다. 특히 생성형 AI 모델과 대규모 연산이 요구되는 추론·훈련 작업이 폭증함에 따라, GPU와 AI 가속기의 전력 효율을 극대화할 수 있는 전력반도체에 대한 관심이 고조되고 있으며 기존 실리콘 기반 반도체의 물리적 한계를 뛰어넘을 수 있는 GaN 전력반도체가 AI 시대의 에너지 효율 핵심 솔루션으로 부상하고 있습니다.

전력반도체란

전력반도체 Power Semiconductor는 전력을 변환·분배·제어하는 기능을 수행하는 반도체로, 전통적으로 변압기, 배전반 등의 전력 계통부터 가전제품, 태양광 인버터까지 고전압·고전류를 다루는 회로에서 광범위하게 사용되어 왔습니다. 전기차의 등장이후 파워트레인의 성능을 좌우하는 핵심 부품으로 주목받으며, 최근에는 전력 소모가 극심한 AI 데이터센터의 전원공급장치 PSU 및 냉각 시스템에도 채택되며 그 중요성이 급부상하고 있습니다.

메모리나 프로세서와 같은 시스템 반도체가 미세공정 기술을 통해 성능을 개선해왔다면, 전력반도체는 전기적 물성 한계를 극복하기 위해 소재 혁신이 중심이 됩니다. 이에 따라 실리콘 Si 을 넘어 GaN Gallium Nitride, SiC Silicon Carbide 같은 화합물 반도체로 진화하고 있습니다.

왜 GaN 인가 - 실리콘 반도체의 한계와 소재 혁신

기존 실리콘 전력반도체는 낮은 항복전계 Breakdown Electric Field, 느린 스위칭 속도, 낮은 열전도율 등의 한계로 인해 고전력·고밀도 회로 설계에 점차 부적합해지고 있습니다. 특히 AI 서버처럼 수백 개의 GPU가 밀집된 장비에서는 발열이 심각하며, 이를 감당하기 위한 냉각 장치는 전체 시스템 공간과 전력의 상당 부분을 소모합니다. 이에 따라 차세대 전력반도체 소재로 GaN과 SiC가 주목받고 있습니다.

반도체 소재를 결정하는 주요 요소인 밴드갭과 항복전계는 높을수록 고전압에서 작은 면적으로 안전하게 구동할 수 있으며, 전자 이동도는 스위칭 손실을 줄이고 고속 연산을 가능케 합니다. 또한 열전도율이 높을수록 칩이 과열되지 않고 안정적인 작동을 유지할 수 있습니다.

SiC는 열전도율과 항복전계가 뛰어나 1,200V 이상의 고전압·고출력 시스템에 적합하여 전기차 인버터나 HVDC에 주로 채택됩니다. 특히 테슬라의 전기차 탑재를 계기로 급성장하였습니다. 초창기 테슬라 라인업의 SiC 반도체 탑재 비율은 2018년 64%에서 2022년 99%까지 확대되었으며, 이러한 추세는 현대차, 기아, 제네시스 EV 등으로 빠르게 확산되었습니다.

반면 GaN은 전자 이동도가 높고 스위칭 속도가 빠르며, 650V 이하의 중저전압 구간에서 전력밀도 Power Density를 높이고 손실을 줄이는 데 최적화된 소재입니다. 주요 수요처로 기대되는 AI 데이터센터의 전력 인프라는 대부분 3상 400V AC를 받아 48~80V DC Bus로 변환한 뒤, GPU 및 DRAM에 전력을 공급합니다. 이 전압 구간은 바로 GaN의 특성이 극대화되는 영역이며, GaN 전력반도체는 특히 SMPS (스위칭 모드 전원공급장치), DC-DC 컨버터, 냉각 팬 구동 회로 등에서 실리콘 대비 50% 더 작은 크기와 40% 더 높은 전력밀도를 제공하며, 전체 시스템의 PUE (전력사용효율) 를 크게 향상시킬 것으로 기대됩니다.

GaN 전력반도체의 활용 분야

GaN 반도체는 이미 고속 충전기, LiDAR, 5G 통신장비, 레이더 등 다양한 고주파 전력 변환 분야에서 활용되고 있으며, 최근 AI 데이터센터의 전력변환 시스템(PFC·DC-DC 컨버터)에 본격적으로 채택되기 시작했습니다. 특히 다음과 같은 용도에서 GaN의 채택이 증가하고 있습니다:

• 고전력 AI 서버의 SMPS(스위칭 전원공급장치)

• H100·B200 등 고성능 GPU의 냉각 팬 및 전원부 회로

• 데이터센터용 UPS(무정전 전원장치) 및 태양광 PV 인버터 시스템

고주파에서도 효율 저하가 적어 AI 데이터센터의 에너지 효율(PUE)을 향상시키고 공간 및 전력 인프라 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

성장하는 GaN 전력반도체 시장과 AI 수요의 접점

대표적인 산업 조사 기관인 Yole Intelligence에 따르면, GaN 전력반도체 시장은 2022년 약 2억 4천만 달러에서 2028년 약 27억 달러 규모로 성장하며, 연평균 49%라는 고성장이 전망되며, 초기 모바일용 초고속 충전기 및 5G 통신용 RF 소자 중심에서 점차 AI 데이터센터, 전기차, 항공우주 전력 시스템 등 고효율·고속 스위칭이 요구되는 응용 영역으로 확장될 것으로 예상됩니다.

특히 AI 서버용 전원 공급장치, 고주파 전력 회로, 냉각 팬 구동 등에서 GaN 기반 전력칩의 채택이 빠르게 증가하고 있으며, 이는 기존 실리콘 전력칩 대비 소형화, 고속 스위칭, 전력 손실 최소화, 효율 향상(PUE 개선) 등 분명한 기술적 우위를 시장이 인정하기 시작했음을 의미합니다.

GaN 전력반도체 산업 구조 및 글로벌 동향

GaN 전력반도체는 기존 실리콘 전력반도체와 달리, 에피택셜 Epitaxial 공정을 통해 실리콘 기판 위에 GaN 층을 성장시켜 웨이퍼를 형성합니다. 이 과정은 GaN 칩의 전기적 특성과 수율을 결정짓는 핵심 공정으로, 소재 품질, 결정결함 제어, 박막 성장 균일도, 기판 선택 등이 복합적으로 작용하며 기술 장벽이 매우 높습니다. 이에 따라 GaN 전력반도체 산업은 다음과 같은 수직 계열화 Value Chain Integration 구조를 띱니다:

에피웨이퍼 제조 → 파운드리(디바이스 제작) → 칩 설계 → 패키징 및 모듈화

이는 에피웨이퍼의 소자 특성, 품질 확보가 경쟁력의 핵심이기 때문으로서, 대표적인 글로벌 통합형 (IDM) 기업으로는 독일의 Infineon, 중국의 Innoscience 등이 있으며, 이들은 소재부터 칩, 모듈까지 자체 역량을 기반으로 기술 선도를 이어가고 있습니다.

특히 산업적으로 2024~2025년을 전후로 8인치 GaN 에피웨이퍼의 본격적인 양산이 예상되며, 이는 기존 6인치 생산 대비 칩당 면적 생산 효율을 1.7배 이상 끌어올릴 수 있어, 제조단가 하락과 대량 공급이 가능해지며 본격적인 시장 형성이 전망됩니다.

이를 반영하듯, 2023년 Infineon은 캐나다 GaN Systems를 약 1조 원(8억 3천만 달러)에 전격 인수하였으며, 이어서 일본 Renesas는 미국 Transform을 약 4,400억 원에 인수하는 등 글로벌 M&A 또한 활발히 진행되고 있습니다. 이는 단순 소재 확보를 넘어서, 전력 효율 기술의 주도권을 선점하려는 전략적 의도에서 비롯된 행보입니다.

AI 시대는 단순한 연산 성능 경쟁을 넘어, 에너지 효율과 전력 밀도 경쟁의 시대로 전환하고 있습니다. 특히 데이터센터의 전력 사용이 전 세계 전력망에 부담을 주는 상황에서, 기존 실리콘 반도체로는 한계가 분명히 드러나고 있습니다. 

GaN은 단순한 소재 혁신을 넘어, AI 인프라의 지속가능성을 뒷받침할 핵심 기술축으로 부상하고 있으며, 앞으로의 데이터센터 설계 및 전력반도체 산업 패러다임에 근본적인 전환점을 가져올 것입니다.

쿼드벤처스는 이러한 변화를 선도할 수 있는 국내 기술기업 및 글로벌 협업 파트너들과 함께, GaN 전력반도체 밸류체인 전반에 걸친 투자 전략을 지속적으로 확대해 나갈 것입니다.