EV에서는 이미 높은 스위칭 효율성을 자랑하는 SiC 반도체가 인버터 고밀도, 소형화와 전력 손실률 개선을 통해 전기차 주행거리 확장에 기여하고 있다. TESLA Model 3 인버터에 ST Microelectronics의 SiC MOSFET가 탑재되는 것으로 파악되는데 과거 TESLA CTO였던 J.B. Straubel에 따르면 인버터의 효율을 0.5% 향상하면 기존 대비 배터리 용량을 0.5% 줄이거나, 같은 배터리로 주행거리를 0.5% 늘릴 수 있다. DC/AC 변환과 주파수 제어 성능이 중요한 EV에서 높은 스위칭 효율성을 자랑하는 SiC반도체가 인버터 고밀도, 소형화와 전력 손실률 개선을 통해 EV 주행거리 확장에 기여하는 것이다.

SiC전력 반도체를 활용한 고효율, 경량화, 소형화 인버터 기술은 UAM에서도 매우 필요한 기술이며, 항공용 모터 추진체 선두 업체인 MagniX의 인버터 Magni Drive와 H3X의 인버터에도 SiC 전력 반도체가 쓰이고 있다.

항공용 전력 반도체 역시 비출력과 스위칭 속도, 이에 따른 경량화가 중요 고려 요소이다. 갈륨과 질소를 혼합한 질화갈륨을 기반으로 한 GaN반도체의 전력 효율성도 주목받고 있다. 반도체의 전도대(Conduction band)와 가전자대(Valence band)의 차이인 Band gap이 넓어지면 전력 손실이 적게 일어나 효율성이 올라가기 떄문이다.

GaN은 이러한 Band gap이 넓어 실리콘 반도체 대비 높은 주파수, 온도, 전압 환경에서 전력 손실이 낮은 것이 장점으로 평가 받고 있다. INI에 따르면 GaN 전력 반도체 소자를 인버터에 탑재하면 전체 에너지 손실을 실리콘 반도체 대비 75% 줄일 수 있다고 한다. 다만 Hendrik Schefer etal.(2020)에 따르면 2020년까지 항공용으로 GaN 전력 반도체가 쓰인 사례는 없는 것으로 파악된다. SiC 전력반도체는 구동 시 많은 열을 발생시키는데 이는 전력 반도체 디바이스의 성능을 감소시킨다. 따라서 SiC 전력반도체의 성능이 제대로 발휘되기 위해서는 그에 걸맞는 최적화된 전력모듈 패키징과 냉각 기술이 필요하다.

2021년 차량용 MCU 시장은 팹리스 업체인 Infineon, NXP, Renesas, TI, ST, Micro칩이 80% 이상의 점유율을 차지하고 있으며, 전체 물량의 80% 이상이 TSMC를 통해 위탁생산 되고 있다. 

복잡한 인증 절차와 소수 업체들의 독과점 시장이라는 조건으로 인해 공급이 한정되어 있는 반면 MCU에 대한 수요가 급증하면서 차량용 MCU 공급 부족 현상이 나타나기 시작했다. 

이를 계기로 국내 업체들도 차량용 MCU 개발을 시작했지만 2~3년의 품질시험 및 인증 절차를 거쳐야 하기 때문에 국산 차량용 MCU가 상용화 되기까지 상당한 기간이 걸릴 것으로 예상된다. 

IT기기 수요 부진에 따른 MCU 수급 완화에도 불구하고 차량용 MCU 수요 증가로 인한 MCU 공급부족 현상은 지속될 전망이다. MCU는 전기적으로 작동되는 장비 및 부품의 두뇌 역할을 하기 때문에 내연기관차의 전동화가 가속화되면서 모터, 센서, 구동장치 등에 더 많은 MCU가 필요해졌다. 특히 자율주행차가 본격적으로 도입되면 ADAS, 센서, 카메라, 레이다, 라이다 등의 장비가 추가적으로 탑재되기 때문에 Lv3 수준 자율주행차가 본격적으로 상용화 될 2025년부터 MCU의 수요가 더욱 가파르게 증가할 것으로 전망된다. 

기존 내연기관차에 들어가는 차량용 반도체의 개수는 300개 정도다. 반면 전기차는 대략 1,000개, 자율주행 전기차는 2,000개 이상 사용되며, 차량용 반도체 시장에서 MCU가 차지하는 비중은 약 25% 수준으로 파악된다. 내연기관차에 약 75개, 전기차에 250개, 자율주행차에 500개 정도가 탑재되는 셈이다. 

1대의 내연기관차가 전기차로 전환될 경우 175개의 MCU를 추가로 필요하기 때문에 2021년 전기차 판매량이 2020년 대비 346만대 증가했다는 점을 감안한다면 2021년에 약 6.1억개의 차량용 MCU 수요가 증가한 것이다. 자동차의 전동화 및 자율주행 기술이 도입 됨에 따라 중장기적 MCU 수급은 완화되기 힘들 것으로 전망된다. 

차량용 반도체 기업들 중에서도 2H22에 가장 높은 주가 상승률을 기록하고 있는 기업은 온세미컨덕터와 Wolfspeed이다. 두 기업의 공통점은 차량용 반도체를 주요 제품으로 생산하고 있고, SiC(탄화규소)전력 반도체 공장 투자를 공격적으로 진행하고 있다는점이다.

온세미컨덕터는 최근 2Q22 실적발표 컨퍼런스콜에서 SiC 관련 매출이 2022년에 2021년 대비 3배, 2023년에는 10억 달러를 넘어설 것이라는 가이던스를 제시했으며, 향후 3년간 40억 달러 이상 규모의 장기 공급 계약을 맺은 상태라고 발표했다. 

WolfSpeed는 순수 SiC 웨이퍼 시장에서 62%로 압도적인 점유율을 차지하고 있는 기업으로 최근 세계 최대 규모 8인치(200mm) SiC 공장을 개시했다. Wolfspeed의 주가는 8월 17일 FY4Q22 실적발표에서 26년 매출 가이던스를 기존 21억 달러에서 27억 3천만~29억 4천만 달러로 상형조정하면서 당일 30% 급등하기도 했다.

SiC 전력 반도체는 화합물 반도체의 한 종류로 그 중 SiC는 기존 반도체 대부분에 사용되던 Si(규소)과 다른 화합물 반도체 GaN(질화갈륨) 대비 고전압과 고내열에서 우수한 성능을 나타내기에 주로 전기차에 많이 쓰인다. 최초 사용 사례는 2018년 테슬라가 ST마이크로로부터 공급받은 SiC MOSFET 인버터로써 모듈 자체 방열판이 필요 없고 설계가 단순하여 원가대비 높은 성능을 갖추었다고 평가를 받는다. 조사기관 Yole은 2021년 10.9억 달러 규모의 SiC 전력 디바이스 시장이 연평균 34%의 가파른 성장률로 2027년 63.0억 달러 규모의 시장을 달성할 것으로 전망하고 있다.

국내 전력 반도체 시장은 안타깝게도 기술력 부족과 해외 기업들의 특허 선점으로 수요의 90%이상을 수입에 의존하고 있다. SiC 웨이퍼 생산업체 SK실트론을 자회사로 두고 있는 SK가 듀퐁의 SiC웨이퍼 사업부와 예스파워테크닉스(SiC 전력반도체 생산)를 인수하며 전체 Value Chain을 확보하기 위해 가장 활발히 노력하고 있으며, DB하이텍(SiC 전력반도체 파운드리), 파워큐브세미(SiC 전력반도체 설계), KEC(SiC 전력반도체 생산) 등 다수의 기업들이 적극적인 관심을 보이고 있다. 이 중 KEC는 가전향으로 납품을 시작하였으며, 파워큐브세미는 올해 2월부터 전기차 업체 BYD로 납품을 시작했다.

옴디아에 따르면 차량용 반도체 산업은 전체 반도체 시장의 약 9%를 차지하고 있고 2021년 516억달러로 +29%YoY 증가했다. 이중 메모리 반도체의 비중은 10% 미만 이나 ADAS 출하량이 성장함에 따라 메모리 반도체 매출도 +50%YoY 이상 성장한 것으로 보여진다. 차량용 반도체 매출 성장은 전기차의 확대, ADAS 및 인포테인먼트,텔레메틱스 시스템 등에 대한 수요 증가에 기인한다

차량용 반도체 시장은 우리와 친숙한 메모리 반도체 시장과는 상당히 다른 환경을 가지고 있다. 메모리 반도체 시장에 참여하는 업체들은 소품종 대량 생산 구조로 규격화된 설계를 바탕으로 낮은 원가를 확보할 수 있도록 생산량을 극대화하기 위해 노력한다.차량용 반도체 시장에 참여하는 기업들은 아날로그 IC, 마이크로 컨트롤러(MCU), 로직 IC 등 고객들의 니즈에 맞는 제품을 설계해서 생산하는 다품종 소량 생산 구조를 가지고 있다

인피니언, NXP, 르네사스, 텍사스 인스트루먼트(TI), ST마이크로일렉트로닉스 등이 차량용 반도체 시장의 상위권에 위치해 있다. 아쉽게도 한국 반도체 업체들은 아직 순위권에서 살펴볼 수가 없다. 아직은 시장 규모에 비해 투자의 가치가 떨어진다고 판단하는 것이 주요 원인일 것이다.

자동차 시스템 별 기능 분류

1) 파워트레인(Powertrain) (모터, 컨버터, 인버터, 연료전지제어, 크루즈컨트롤, 트랜스미션 컨트롤, 배터리관리)

2) 샤시(Chassis) (ABS: Anti-lock Brake System 브레이크 잠김 방지 시스템,VSC: Vehicle Stability Control 회전 시 차체 자세 제어 장치)

3) 차체(Body) (HVAC 온도 제어, 파워시트, 윈도우 개폐, 차문잠금장치, 트렁크, 선루프, 와이퍼)

4) 안전(Safety) (에어백, 충돌방지, 공기압 경고, 야간 시계 확보, 기타 ADAS)

5) 인포테인먼트(Driver Info.)(CID, Cluster, Audio, Video, Navigation, Telematics, V2X)

★ 기존 전력반도체 시장은 주로 파워 서플라이 전력 변환, 그리고 재생에너지 전력 변환 및 저장 등에 사용되어 전력반도체의 부피, 무게 등의 제약이 적은 Si 기반 전력반도체가 가장 많이 사용되었으며 관련 시장은 이미 기술 성숙기에 진입

★ 전 세계적으로 기후 변화에 대응하기 위해 “탄소중립”을 위해 정책적 지원을 아끼지 않기로 합의되고 있으며, 이를 이끄는 기술이 화석 연료를 사용하지 않는 EV 사용의 확대 임

★ EV 시장의 폭발적인 성장은 전기 충전 인프라, OBC, 모터 인버터, 컨버터, 인포테인먼트용 컨버터 등 전력반도체의 새로운 수요를 요구 있으며, 이런 수요는 기존 Si 기반 전력반도체 시스템과 달리 차량 안에 탑재되는 만큼 안정성,소형화, 경량화를 갖춘 새로운 전력반도체라는 새로운 기술 트렌드를 창출

★ 이런 기술적 트렌드를 따라 기술 선진국 들이 SiC 기반/GaN 기반 전력반도체들을 앞 다투어 투자하고 있으며, 시장선점을 위한 원천 기술 확보에 주력 중

★ 그러나 국내에서는 아직 Si 기반의 전력반도체 트렌드를 벗어나지 못하고 세계 시장을 주도할 수 있는 새로운 전력반도체 기술개발을 추진하고 있는 기업들이 현저히 부족한 상황

★ 국내에서 WBG 전력반도체를 활성화하기 위해서는 Foundry 기반 기업이 존재해야 하며 이를 활용할 시스템 개발인력을 육성해야 하는데, 이는 장기간 투자가 필요한 기술 분야로써 정부와 기업이 손잡고 장기간에 걸친 R&D를 지속적으로 추진해야 함

★ WBG 반도체 소자의 특성은 아직 연구 초기 단계로 소자 특성 개선 및 성능 분석에 대한 지속적인 R&D 투자로 성능 극대화 및 성능 안정화를 달성해야 함

★ Si 기반 전력반도체 시장 에서도 전체 시장의 90%이상 부품 을 해외에서 수급하고 있는 현실에서 차세대 전력반도체에서도 시기적절한 투자가 이뤄지지 않는다면 향후 폭발적으로 성장하는 산업에 핵심 소재, 부품 기술을 확보하지 못할 것임

★ 최근 정부의 전력반도체 추진 계획을 살펴보면 이런 우려를 불식시킬만한 정책들을 준비하고 있어 한국 전력반도체 시장의 새로운 도약을 기대하게 만들고 있음

전세계 자동차용 반도체 시장 규모는 2020년 기준 350억 달러로 생각보다 크지 않다. 전세계 반도체 시장 규모가 4,730억 달러 정도이니 8%도 되지 않는다. 자동차 반도체 업계 상위 5개 회사가 전체 시장의 약 절반을 차지하고 있다. 과점이라고 보긴 어려우나, 꽤 많은 비중을 담당하고 있다. 이 중 자동차에서 가장 많이 쓰이는 MCU만을 기준으로 보면, 이 시장 규모는 173억 달러이며, 르네사스, NXP, 인피니언, STMicro 등 상위 4개사가 차지하는 비중은 63%에 달한다. 올해 2월 텍사스 한파로 인해 NXP, 인피니언 공장이 가동을 중단하고, 3월 르네사스 공장이 화재로 인해 생산을 중단하자 전체 자동차 생산에 큰 차질이 빚어진 것을 알 수 있다.

문제는 코로나19 시대를 기점으로 자동차 업계가 빠른 속도로 전기차로 전환하고 있다는 점이다. 시장조사기관 SA에 따르면, 차량 1대당 소요되는 반도체 비용은 내연기관 434달러에서 전기차 834달러로 무려 90% 이상 증가한다고 한다. 포드 회장이 “소형차인 포드 포커스의 경우 300개 가량 반도체 칩을 쓰고 있는데, 전기차는 최대 3,000개를 써야 한다”고 언급한 것을 보면 틀린 얘기는 아닌 것 같다. 이 중 가장 크게 증가하는 부분이 전력용 반도체인데, 이 반도체는 SiC(실리콘 카바이드카바이드)와 같은 새로운 웨이퍼 소재를 쓰는 경우가 많아지고 있어 기존 반도체 라인의 전환 투자가 필요한 상황이다. 즉, 현재의 자동차 반도체 산업 구조가 빠르게 전환되지 않으면 공급 부족 사태는 장기화될 가능성이 높다는 것이다. 

SiC와 GaN 채택 확대의 제약이 사라진다 

SiC와 GaN을 사용했을 때 전력반도체 효율은 증가한다. 명확한 장점에도 불구하고 그동안 전환이 더뎠던 이유는 Si 대비 가격이 비싸기 때문이었다. 제품을 양산하는 고객 입장에서 성능 못지 않게 우선적으로 고려되는 점은 경제성이다. 현시점에서 SiC, GaN으로의 전환을 더디게 한 장애물은 해결될 수 있다고 판단된다.

1) SiC 전력반도체의 원재료인 SiC 웨이퍼 가격이 과거 대비 감소했다. 4인치 기준, 웨이퍼 가격은 과거 시장 초기 1,500만원 수준에서 현재 50만원 수준으로 감소한 것으로 추정된다.

2) 모듈로 비교시 가격 차이가 크지 않다. 실제 테슬라 모델3 인버터에 적용된 SiC 모듈을 보면, Si 대비 효율은 최대 10배 증가하고 부피는 43% 감소, 무게는 6kg 감소한다. SiC가 고열에서도 견딜 수 있어 열 배출을 위한 쿨링 시스템 등이 빠질 수 있기 때문이다. 이 경우 단일 칩으로는 Si < SiC 이지만 완제품인 모듈가격은 큰 차이가 발생하지 않을 수 있다.

ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치): 전력 저장에 대한 필요성이 커지고 있다. 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요하다. ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생된다. ESS에도 PCS 인버터가 존재한다.