초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
본 과제는 크게 2가지의 목표를 두고 개발을 진행하게 되었다.
가. LEM사와 동급의 Closed-Loop Current Transducer 제조 기술 확보
나. LEM사 가격경쟁이 가능한 SoC 기반의 전류트랜스듀서를 개발
다. SoC 기반의 Automotive 용 전류 트랜스듀서 기술 확보

□ 개발내용 및 결과
■ 1,2차년도는 Closed-Loop Type Current Transducer 제조기술 확보
-. PC-시리즈(LEM사 동급 니켈합금

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
본 과제는 크게 2가지의 목표를 두고 개발을 진행하게 되었다.
가. LEM사와 동급의 Closed-Loop Current Transducer 제조 기술 확보
나. LEM사 가격경쟁이 가능한 SoC 기반의 전류트랜스듀서를 개발
다. SoC 기반의 Automotive 용 전류 트랜스듀서 기술 확보

□ 개발내용 및 결과
■ 1,2차년도는 Closed-Loop Type Current Transducer 제조기술 확보
-. PC-시리즈(LEM사 동급 니켈합금 재료)를 적용하여 동급성능확보
-. PB-시리즈(LEM사 70% 니켈합금 재료)를 적용하여 준-동급성능확보
▷ PB-시리즈는 가격경쟁력(니켈이 스틸대비 50여배 高價)고려차원임

■ 1차년도 후반부터 SoC 개념 설계 작업 수행(8-bit Core 기반)
-. 2차년도 초반에는 8-bit Core 기반 SoC 상세 설계 진행
▷ 2차년도 후반부에 8-bit SoC 시제품 개발 완료 (단상 제품군)
-. 2차년도 중반부터 32-bit 기반 3상 AFE 설계 진행
▷ 3차년도 후반 32-bit MCU 기반 3상 SoC 시제품 개발 완료
-. 3차년도 초반부터 16-bit IP 기반 SoC 설계 진행
▷ 4차년도 중반 16-bit SoC FAB-IN 예정, 4차년도 후반 시제품 완료

■ 개발 기반 제품화 추진 방향 요약
가. LEM사와 동급의 Closed Loop Current Transducer 기술 확보
▷ 사업화 예정이나, 다만 글로벌 시장의 경쟁이 치열하므로 여러 제반 여건을 보아가면서 사업화 추진을 수행할 예정
나. LEM사 대비 가격 경쟁이 가능한 SoC 개발
▷ 저가 홀소자 기반의 SoC를 개발하여 가격경쟁력 확보 가능
▷ 고객의 다양한 부가 기능 제공 가능
-. SoC기반의 사업화 추진이 시장여건을 고려할 때 보다 적합 판단

3-1 기술 개발 배경
가. 연구 개발 필요성의 제기 (LEM사 동급 전류 트랜스듀서 국산화 필요성)
■ 전류 트랜스듀서 국산화 기술 개발의 필요성
√ 과제 책임자는 1989년~1998년 석사/박사 학위과정에서 전력전자 분야인 모터 드라이브와 관련된 분야의 연구를 중점 수행하게 되었다. 당시 스위스 LEM사(1972년도 설립)는 설립 초기부터 Closed Loop type의 전류 트랜스듀서 제품군을 집중적으로 개발하여 왔으며, 1980년대 후반Closed Loop Type 전류 트랜스듀서 제품 라인업을 거의 완성하게 된다.
√ 본인은 1990년대 초반 국내에 판매되기 시작한 LEM사 제품을 사용하여 모터 드라이브 연구를 수행하게 되었다. 당시에 LEM사 제품 국내 에이전트(영우실업으로 현재도 사업 중)는 당시에는 사업 초창기로서 개인 주택에서 부품 판매 사업을 시작하였던 시절로서 현금을 주고 전류 트랜스듀서 부품을 구매하던 시기였다.
√ 모터 드라이브 연구를 수행하면서 LEM 사 전류트랜스듀서의 설계 및 기술 내용을 이해하게 되었고 국내에서도 동급 제품의 개발이 필요하다고 생각하였다. 그런데 스위스 LEM사는 매우 많은 원천 핵심 특허를 등록하여 완벽한 방어 전략을 준비하고 있었고 동일한 방식으로 제품을 설계 제조하는 것이 원천 봉쇄된 상태였다. 결국 국내 업체는 스위스 LEM사와 같은 제품개발 및 제조가 특허 문제로 불가능한 상황이었고 오직 특허가 만료되기를 기다리는 것 이외에는 다른 대책은 전혀 없는 상황이었다.
√ 2010년 전후를 기점으로 LEM사가 보유한 원천특허 중 일부 특허의 시효가 만료되어 가면서 중국을 중심으로 유사 제품들이 대량 출시되었다. 그러나 스위스 LEM사는 이미 2000년대 초반에 전류트랜스듀서와 관련된 모든 제조기술을 최적화, 자동화하여 제조부문에서 세계 최강의 가격 경쟁력을 확보한 상태였다. 이에 고전적인 전류 트랜스듀서 제조기술로는 글로벌 시장에서 LEM사와 경쟁하는 것이 매우 어려운 상황이었다. 2017년 기준으로 전 세계 전류트랜스듀서 시장중 약 50%를 LEM사가 점유하고 있는데 이는 1990년 초반부터 원가절감 및 제조공정 자동화 및 최적화에 투자한 배경 때문이라 할 수 있다.
√ 또한 LEM사는 2010년을 기점으로 하여 차량용 제품들의 라인업을 시작되었다. 이러한 차량용 제품군은 모두 ASIC 기반의 제품군으로 구성되어 경쟁이 더욱 어려워진 상황이었다. 다만 국내에서 동급의 기술을 개발하여 가격 경쟁력을 확보할 수만 있다면 LEM사와 경쟁을 하는 것은 가능하였다. 즉 경쟁이 가능한 기술만 확보된다면 글로벌 시장진출도 가능한 상황으로 시장 구도가 변경되었다.
√ 산업용 시장뿐 아니라 향후 다가올 Automotive 시장(특히, 전기차와 같은 모터 기반 친환경 차량)의 대비를 위해서도 전류 트랜스듀서의 국산화 및 국내 요소 기술 개발의 필요성을 절감하게 되었고 2012년 이후부터 전류 트랜스듀서 국산화를 위한 기술 개발 필요성을 여러 연구개발 전담기관에 제안하였다.

나 전류 트랜스듀서용 . 반도체 기술 개발 필요성 제기 (LEM사의 ASIC 기반 기술 설명)
■ LEM사 ASIC 기술 개발 연혁
√ LEM사는 2010년경 자사가 보유한 원천 특허들이 대부분 만료되면 여러 전류 트랜스듀서 제조회사들이 난립할 것을 미리 예상하고 있었고 이에 대한 대비책으로 1990년대 초반부터 홀소자(hall element) 기반이 아닌 CMOS 기반의 Hall-Effect IC 개발에 주력하였다.
√ 이에 1997년에 스위스 LEM사는 ASIC(주문형반도체) 기반의 전류 트랜스듀서 제품을 세계 최초로 출시하게 되었다.
√ LEM사는 전 제품 시리즈를 ASIC이 탑재된 제품군으로 변경하여 라인업을 완성해 나가게 되었다. 이후 2005년부터는 Automotive 용 제품을 세계 최초로 상용화하여 출시하게 된다. 이는 도요타의 하이브리드 자동차의 개발 및 향후 다가올 전기모터 기반의 친환경 자동차 시장에 대한 대비 차원에서 많은 투자를 하게 된다. 이러한 노력의 결과로 2010년경에는 차량용 전류 트랜스듀서 제품군의 라인업이 거의 완성단계에 이르게 된다.
√ LEM사는 한국시장의 미래 성장 가능성을 알아 보고 2014년 서울에서 대규모 세미나를 진행하게 된다. 이때 LEM사의 발표 자료를 살펴보면 전류 트랜스듀서 제품군의 미래 개발 전략은 ASIC 기반으로 모든 제품군이 변화하는 방향으로 가는 것을 알 수 있다.
√ LEM사의 이러한 전략은 기존의 경쟁사들이 LEM사가 지배하는 시장에 대해서 계속해서 기회를 노리는 상황에서 자사의 기술과 경험을 보호하기 위한 수단으로서 더욱 더 ASIC화에 집중하게 된다. 전류 트랜스듀서의 핵심기술중 하나는 보정(Calibration) 기술이며 이는 LEM사의 ASIC에 탑재된 Trimming Block을 설계하고 튜닝하는 제조경험기술에 있다고 할 수 있다.
√ LEM사의 두 번째 전략은 신뢰성을 최대로 높이는 것으로서 전세계에서 거의 유일하게 5년 보증을 하는 제품들을 출시한다. 이를 위해서 LEM사는 ASIC의 설계 컨셉에서 미세공정을 적용하지 않고 선폭이 약 1.0um에 준하는 단순한 설계를 고집하고 있다. 이는 철저하게 필드불량을 최소화하기 위한 신뢰성 향상의 대책의 일환이라고 할 수 있다.
√ LEM사와 경쟁할 수 있는 대안 기술 개발을 고민하여서 SoC 개발이 필히 선행되어야만 세계 시장에서 실질적인 가격 경쟁이 가능하다고 판단하게 되었다. 이에 국내 핵심 기술 확보를 위한 방안의 일환으로 전류 트랜스듀서 전용 SoC 개발 필요성을 2013년 이후 여러 차례 제기하였다.
√ 다행스럽게도 2014년도에 연구 전담기관에서 전류 트랜스듀서용 SoC 개발의 필요성이 인정되면서 논의가 시작되었다. 이후 2015년도에는 기술 개발의 필요성을 반영한 RFP가 국책 과제로 채택되었다. 본인 또한 해당 기술의 개발 상세 방안을 제안하게 되었고, 과제가 선정되어 본 과제를 수행하게 되었다.

다. 개발난이도 및 국산화 정도
■ 세계 선진 기업들의 핵심 기술 보유 현황 및 업계 판도
√ LEM사와 같은 자기 센서를 개발하는 회사로는 미국의 알레그로(Allegro), 벨기에의 멜레시스(Melexis)와 독일의 인피니온(Infineon) 등이 있으며 스위스의 마이크로나스(Micronas)또한 세계적인 기술을 보유한 업체로 볼 수 있다.
√ 전류 트랜스듀서의 핵심기술은 근본적으로 자기 센서(magnetic sensor) 기술에서 출발한 것인 바 자기 센서 중심의 제품화를 수행하는 여러 경쟁사들이 스위스 LEM사를 공격하는 형국이라 할 수 있다. 다만 전류와 관련된 특성에 대해서는 스위스 LEM사가 보다 더 많은 기술과 경험을 보유하였고 가격 경쟁력 우위에 있기 때문에 시장 점유율을 유지하고 있다.
√ 즉 전류 트랜스듀서의 핵심 기술은 소위 자기 센서의 설계 기술이다. 이에, 전류 트랜스듀서의 원천기술을 확보하기 위해서는 소위 Hall-Effect Sensor IC를 설계할 수 있는 원천 기술을 확보하여야만 하는데 개념적으로는 어렵지 않으나 실제 개발과정은 매우 어렵다. 따라서 보적인 수준의 설계 및 제품 설계는 가능하나 세계적인 선진 업계 수준의 정밀도 및 성능과 특성을 확보하는 것은 여간 어려운 것이 현실이다.
√ 이러한 자기 센서 설계의 원천 설계 기술은 미국, 유럽 기업들과 일본 기업들이 주로 보유하고 있는데 일본기업들은 최근 10년 사이에 미국과 유럽의 자기 센서 원천 기술을 보유한 업체들을 인수하는 전략을 구사하였다. 대표적으로 일본의 산켄전기는 미국의 알레그로사를 일본의 TDK는 스위스 마이크로나스를 인수하였다. 이에 원천기술을 보유한 국가는 벨기에, 독일, 스위스, 일본 정도로 볼 수 있겠다.

■ 전류 트랜스듀서 기술의 국산화 정도 (Hall-Effect Sensor IC Block 위주로 설명)
√ 국내 전류 트랜스듀서 제조 회사들은 대부분 기성품 홀소자를 사용한 고전적인 제품 제조를 바탕으로 한 설계기반의 제품을 제조 판매하거나, 혹은 해외 선진사의 홀효과 전용IC를 채택하여 제품화한 경우가 있다. 즉 전류 트랜스듀서의 자성 코어 설계 및 형상 설계는 자체적으로 수행하되 핵심 기술인 홀효과 IC는 해외 제품에 의존하여 제품화를 하는 수준이며 국내요소 기술의 확보 또한 매우 낮은 수준으로 평가할 수 있다.
√ 국내는 마그나칩반도체가 2012년부터 약 300억원에 준하는 대규모 연구 투자를 진행하여 핵심 기술 확보를 시도하였으나 세계적인 수준의 기술 확보에는 실패하였다고 보는 것이 적절하다. 이에, 한 단계 낮은 등급의 제품들 위주로만 제품 라인업을 구성하게 되었다. (주로 정밀도가 낮은 홀 스위치류 이다.) 즉 세계 시장에서 제품 성능과 경쟁력에서 밀리면서 2017년 해당 사업부의 분사를 추진하게 된다.
√ 현재는 마그나칩에서 분사한 국내 벤처 회사가 홀효과 센서 블럭을 기반으로 한 제품화 경험을 보유한 회사로서 전류 트랜스듀서 제품화에 관련된 요소 기술을 일부를 확보한 상태로 알려져 있다. 현재는 홀 플레이트 제품화 추진이 가능한 유일한 회사로 판단된다.

라. 핵심기술 개발의 의의 및 적용 분야
■ 핵심 기술 개발의 의의
[국내 최초 SoC 기반 전류트랜스듀서 국산화 기술 개발 수행]
▷ SoC 기반의 전류트랜스듀서용 제품군에 대한 최초의 국산 개발 시도
▷ LEM ASIC 방식 전류트랜스듀서와 비교할 경우 가격경쟁력(원가절감)을 확보하는 방식의 제품 기획 및 개발 수행 (수요처의 핵심 요구사항 반영)
▷ 해외기술의 도입없이 순수하게 국내 개발진의 기술 개발 수행으로 SoC 설계/개발

[해외 선진 경쟁사 대비 가격경쟁이 가능한 최초의 기술력 확보]
√ 해외선도업체(Allegro, Melexis, Infineon 외)는 2010년도부터 Linear Hall-Effect Sensor IC를 개발하여 전류트랜스듀서에 적용 중
√ LEM(스위스, 세계1위)사는 1997년 전류 트랜스듀서용 ASIC을 출시하고 20년간 산업용, 자동차용 글로벌 점유율 1위임.

[성능 및 신뢰성 확보를 위한 주요 IP 설계 및 내장]
√ AFE (analog front end) 설계 복잡성을 고려한 최적화 설계 작업 수행
- 12-bit ADC 3-EA 내장
- 12-bit DAC 3-EA 내장
- Programmable Current Source 3-EA 내장,
- Programmable Gain Amplifier 3-EA 내장
- 홀소자 전압 검출용 PGA 별도 내장
- 정밀급 온도센서 내장 (nominal 기준 ±1℃이내 목표)
√ 신뢰성 문제에 대비한 OTP(one-time programming) 메모리(타워째즈사 IP) 내장
▷ 위와 같이 총 17개 IP를 1개 die에 내장하여 가격경쟁력을 확보하는 방식

[가격 경쟁이 가능한 설계 방식의 채택]
√ 가격 경쟁이 극심한 3상(3-phase) 전류 트랜스듀서 제품군 시장 여건을 고려하여 보정기능에 유리한 구조를 갖는 SoC 구조로 최종 설계 방식을 채택함으로서 low-cost magnetic core 및 low-cost hall element 적용이 가능해짐
즉 전체 제조원가 측면에서 가격 경쟁이 가능한 제품의 출시로 시장 진입이 가능해짐.
■ 주요 적용 분야 (산업계 및 차량용 부품)
전기자동차(HEV, PHEV, BEV)용 인버터, 수소 전기차용 인버터
전기차용 LDC, APU, PDU, 전기차 배터리 감시용 전류 센서
산업용 범용 인버터 전체 제품군, 태양광 인버터, PCS, 풍력발전기 전류 센서
전류 검출과 관련된 일체의 산업용 부품군에 적용 가능.

(출처 : 초록-3. 개발결과 요약 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 11
• 목차 ... 17
• 제 1 장 서 론 ... 19
• 제 1 절 기본 기술 소개 ... 19
• 제 2 절 3차 년도 개발 목표 변경의 필요성 및 추진 배경 ... 21
• 제 3 절 전류 트랜스듀서 제품화를 위한 단계적 SoC 개발 추진 경과 ... 24
• 제 2 장 과제 수행 내용 및 결과 ... 28
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 28
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 33
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 39
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 100
• 제 3 장 결과 ... 103
• 제 1 절 연구개발 정량적 목표 항목 달성 내용 요약 ... 103
• 제 2 절 연구개발 최종 결과 요약 ... 105
• 제 3 절 연구개발 추진 체계 및 참여기관, 협력기관의 수행내용 ... 109
• 제 4 절 수요처 요구사항을 반영한 최종 설계 기획안 소개 ... 111
• 제 5 절 고용창출효과 ... 119
• 제 6 절 자체보안관리진단표 ... 119
• 제 4 장 사업화 계획 ... 120
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 120
• 제 2 절 사업화 추진 일정 개요 ... 120
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 (SoC 관련 개발 사항) ... 124
• 제 4 절 향후 추가 기술 개발 계획 (보정 알고리즘 및 F/W개발 부문) ... 128
• 끝페이지 ... 136