[IT/소부장] 화합물 반도체 (IBK)

2021.07.27. #화합물반도체 #전기차 #전력반도체 / IBK 이건재

전환의 시대, 화합물 반도체

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청춘한삼 생각

비메모리 반도체에서 차세대 반도체가 될걸로 전망되는 화합물 반도체에 대해 알아봅니다. 아직 시장규모가 크지는 않지만 빠르게 커지고 있고, 앞으로도 빠르게 확대될걸로 전망됩니다. 특히 전기차 시장 성장과 함께 빠르게 성장할 수 있을걸로 기대됩니다. 설계보다는 양산기술력 확보가 더 중요하다는 전망은 중장기적으로 국내 기업들에게 긍정적으로 작용할거라 기대됩니다. 아래 보고서 내용 정리 중 파란색 글씨는 청춘한삼의 코멘트/첨언 입니다.

화합물 반도체란?

- 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성된 반도체로서, 단원소 반도체에서 발생하는 문제 해결과 반도체 기능 개선이 가능한 차세대 반도체로서 활용이 확대될걸로 전망됩니다. 

- 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 등의 단원소로 이루어진 단원소 반도체는 공정 선폭이 10나노 미만에 다다르며 생산의 어려움과 실리콘의 물성 한계에 의해 발열, 속도 향상 어려움 등의 문제가 존재합니다.

- 화합물 반도체는 원소 조합을 목적에 따라 변화시켜 high speed, high voltage, high frequency, high Temperature application 등의 특유한 전기적 특성을 보유한 반도체를 제조 가능합니다. 대표적인 화합물 반도체는 SiC, GaN, GaAs 등이 있습니다. 

- 화합물 반도체의 주된 어플리케이션은 비메모리 반도체이며, 시스템반도체, 개별소자, 광소자로 구분할 수 있습니다. 

반도체 및 화합물 반도체 분류 (IBK, 2021.04.13)

- 화합물 반도체는 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 분야에서 한정적으로 사용되어 왔지만, 5G 통신망, 전기차, 신재생에너지 생산시설 등 분야로의 확장이 가시화되고 있습니다. 현재는 LED, 태양전지, 전력 반도체 등에서 연구개발, 도입이 진행되고 있습니다. 

- 다양한 화합물 반도체 중 빠른 성장 가능성이 높은 반도체는 GaN(질화갈륨)과 SiC(실리콘 카바이드)입니다. GaN은 스위칭 속도가 빨라 RF 장비 및 가전 전력변환장치 적용에 용이합니다. SiC는 실리콘 대비 10배의 전압과 5배 고열에도 동작이 가능해 전기차 및 전력변환장치 적용에 용이합니다. 

화합물 반도체의 시장 확대

- Omdia에 따르면 SiC, GaN 전력반도체 판매액은 2018년 5억 7,100만 달러에서 2020년 8억 5,400만 달러로 2년 간 +49.6% 성장했습니다. 화합물 전력 반도체 시장은 2029년까지 50억 달러 규모로 성장할걸로 전망됩니다. 

 

- SiC전력반도체는 실리콘 반도체 대비 가격이 2배 이상이지만, 주행거리를 10%이상 개선할 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리잡을걸로 전망됩니다. SiC전력반도체 시장은 2020년 7억 달러에서 2024년 20억 달러(SEMI 전망), 2030년 100억 달러로 연평균 +32% 성장이 전망됩니다. SiC 웨이퍼는 2019년 4천만 달러에서 2025년 17억 달러 규모로 시장이 성장할걸로 전망됩니다. 

- 2020년 글로벌 차량 판매대수 1위기업이자 전기차보다는 하이브리드 차량을 고집하던 도요타가 2022년부터 순수 전기차인 도요타bz를 판매 예정입니다. 테슬라 등 순수 친환경차 완성차 기업 외 기존 글로벌 자동차 완성차 기업들 중 가장 낮은 탄소배출량을 자랑하며 굳이 순수전기차를 판매하지 않았어도 되는 도요타에서도 강화된 CAFE(Corporate Average Fuel Efficiency)에 대응하기 위해서는 하이브리드 차량만이 아닌 전기차가 필요한 상황입니다. 환경규제 강화와 더불어 친환경차 의무 판매를 감안하면 전기차의 확대는 정해진 미래입니다. 

- 도요타는 덴소와 공동으로 SiC를 활용한 전력반도체를 개발해 하이브리드 차량의 PCU(Power Control Unit)에 사용하고 있습니다. 또한 도요타는 1989년부터 차량용 반도체를 직접 양산해 하이브리드 차량에 적용하고 있습니다. 글로벌 완성차 회사 중 반도체 설계 역량과 생산공장을 보유한 업체는 도요타가 유일합니다. 도요타는 전기차 뿐만 아니라 수소연료전지차 기술 또한 보유하고 있어 향후 높은 경쟁력을 보여줄걸로 예상됩니다. 

- 화합물 반도체를 이용한 전력반도체는 효율적인 전력 관리를 가능하게 해주기 때문에 향후 전기차, AI, 클라우드, 5G, IDC, 신재생에너지 시스템 등의 파워시스템에 적극 활용될걸로 예상됩니다. 

- 순수 배터리 전기차 시장 확대를 위해 극복해야 할 과제들 중 배터리 고성능화와 전기차 충전인프라 확보는 고성능 반도체 기술을 통해 개선이 가능합니다. 도요타가 하이브리드 차량의 PCU에 SiC 전력반도체를 적용해 기존 대비 10% 연비 개선과 1/5 소형화를 달성했듯이 배터리를 효율적으로 활용 가능한 고성능화가 가능합니다. 또한 전기차 충전을 위한 고전력 충전 회로에서는 다이오드 MOSFET 드라이버가 중요한 소자이며 화합물 전력반도체로 전환하여 충전효율과 성능개선이 가능합니다. 

 

- 전력반도체는 CPU, GPU 수준의 높은 설계능력은 필요하지 않아 경쟁력 있는 양산 기술력 확보가 중요합니다. 현재 SiC 공정은 6인치가 주력이며, 국내에서는 4인치 상용화를 끝내고 6인치에 도전하고 있는 수준입니다. 2025년에는 8인치 전환이 유력하며 전력반도체 시장이 본격 성장기에 진입할걸로 전망됩니다. 

화합물 반도체, 국내 현황

- 국내에서도 역시 화합물 반도체 시장 진출과 개발을 진행하고 있습니다.

- 화합물 반도체는 현재 우주산업 및 방위산업에 활용되고 있어 화합물 소재 기술은 선진국에서 엄격하게 관리하고 있습니다. 일본과의 무역 이슈를 통해 최첨단 소재 기술 내재화가 필요함은 기업과 정부 모두 인식하고 있습니다. 정부에서는 지난 4월 차세대 전력반도체 본격 육성 계획을 발표하는 등 지원정책을 통해 2025년까지 제품개발, 기반기술 강화, 제조공정 확보를 목표로 하고 있습니다. 

 

- 국내 화합물 반도체 사업을 영위하는 기업으로는 POSCO, SK실트론, 예스파워테크닉스, 에이프로세미콘, RF머트리얼즈 등이 있습니다. POSCO는 2021년 상용화를 목표로 SiC웨이퍼 소재를 개발하고 있으며, 현대자동차는 SiC전력반도체를 직접 설계해 파운드리에 제작을 맡길 계획을 가지고 있습니다. 현대모비스는 현대오트론 반도체 사업을 인수하며 E-GMP에 적용할 반도체 기술을 내재화할 계획입니다. 

- SK실트론(비상장)은 국내에서 유일하게 화합물 반도체 제작용 웨이퍼 생산이 가능합니다. SK실트론은 7월 15일 미국 미시간주 공장 투자계획을 발표했고, 투자 후의 SiC웨이퍼 생산능력은 현재보다 6배 증가한 규모로 미국 시장에서 사업을 수행할걸로 전망됩니다. 

- 화합물 반도체 관련해 상장된 국내기업은 DB하이텍, POSCO, RFHIC, LX세미콘, 에이프로, 예스티 등이 있고 [IBK] 보고서에 관심기업으로 관련 내용이 실려있으니 관심 있으신 분들은 글 하단 링크를 통해 살펴보시기 바랍니다. 

국내 화합물 반도체 사업 영위 기업 리스트 (IBK, 2021.07.28)

참고자료

- 보고서 원문

 [IBK/2021.07.27] http://consensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=594761

 [IBK/2021.04.13] http://consensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=586787

 

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