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. 

결과적으로, 자동차 반도체 시장은 규모가 크지 않아 이 업계의 전통적인 강자들이 시장을 꽉 쥐고 있다고 볼 수 있다. 실제 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.

자동차 반도체 업계의 또 다른 문제는 구식 기술을 오랫동안 그대로 사용하고 있다는 점이다. NXP는 전 생산라인이 모두 8인치 웨이퍼에 130나노 이상급이고, 인피니언은 일부 12인치 웨이퍼 라인을 보유하고 있지만 97%가 130나노 이상에서 생산된다는 점을 감안하면 8인치 라인이 절대적이라고 볼 수 있다. 르네사스는 일부 Logic 칩과 메모리도 생산하고 있어 12인치 웨이퍼 라인 비중이 16%에 이르지만, MCU 등 대부분의 자동차 반도체는 8인치 라인에서 생산되고 있다. 추정컨대, 이들은 65나노 미만의 12인치 웨이퍼를 사용한 생산은 TSMC 등 파운드리 기업에 맡기고 있을 것이다.

삼성전자는 올해부터 본격적으로 차량용 이미지센서 제품을 출시하고 시장에 진출한다. 차량용 이미지센서 시장은 2019년 9억달러에서 2025년 25억달러 규모로 연평균 17%씩 증가해 응용처 중 가장 빠르게 커질 전망이다. 지난 7월 차량용 이미지센서 브랜드를 런칭한 이후 3년만에 첫번째 차량용 이미지센서 제품인 아이소셀 오토 4AC를 출시했다. 이는 우선적으로 차량 안에서 외부를 확인할 수있는 서라운드뷰 모니터와 후방카메라에 탑재될 예정이다. 연초 삼성전자가 차세대 먹거리로 차량용 이미지센서 사업을 설정한 만큼 제품 라인업을 자율주행, 인캐빈(in-cabin) 카메라 등으로 확장할 계획이다.

왜 화합물 반도체인가?

· 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮음

· 전력 소비가 낮을수록 발열량도 낮아짐

· Ⅲ-V 족 화합물 반 도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있음

· 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금 까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용되고 있었음

· Ⅲ-V 족 화합물로는 현재 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP) 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행중

· Ⅲ-V 족 화합물 반도체에서 전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르고 소비전력도 기존 반도체 대비 1/ 8 ~ 1/10 수준

• 전력 반도체는 전력 변화에 쓰이는 반도체로 스마트 그리드, 전기차 등 신규 수요에 힘입어 급성장 하고 있음

• 글로벌 전력반도체 시장은 2019년 400억 달러 → 2020년 450억달러까지 +12.5% 성장

• 화합물 전력 반도체 시장 규모는 2021년 10억달러(1조2천억원)에 도달 할 것으로 전망

• 국내 전력반도체 시장은 소비량의 90%를 해외에서 공급 받고 있음, PMIC(전력관리반도체) 일부만 국내 생산 중

• 해외기업 특허 선점으로 국내 기업이 자체적으로 생산하기엔 채산성이 맞지 않았음

• 하지만 최근 전기자동차 보급확대로 화합물 전력반도체 시장이 집중을 받고 있어 글로벌 기업들의 투자와 연구가 집중되고 있음

• 화합물 전력 반도체 시장은 해외에서도 상용화 초기 단계라 국내 기업들 노력에 따라 점유율 확대가 가능한 상황으로 판단됨

- SEMI에 따르면 2019년 기준 전세계적으로 804개의 전력 및 화합물 반도체 생산시설이 존재하고 있음

- 이 생산시설 CAPA는 200mm(8인치) 웨이퍼 기준 월 800만장 이며 2024년에는 약 38개의 신규 생산시설이 추가로 운영을 시작해 +20%의 생산량이 증가한 월 960만장이 될 것으로 전망

- 지역별로 구분해 보면 중국 전력 반도체 CAPA는 2024년까지 +50% 증가, 화합물 반도체는 +87% 성장할 것으로 전망되며 전세계적으로 가장 빠른 성장세 나타낼 것으로 예상

- 하지만 향후 전기차, 5G 시대 주도권 확보를 위해선 전력 및 화합물 반도체 산업에서의 리딩 파워가 필요해 각국은 공격적 투자를 이어갈 것

- 대만은 전력 반도체에 집중, 북미 지역은 화합물 반도체 생산량 증가에 중점을 두고 있는 것으로 판단됨

- 반도체 칩 집적도가 높아지고 트랜지스터 크기가 작아지면서 새로운 문제가 등장

- 트랜지스터 집적도가 늘어날수록 실리콘 반도체의 물리적 한계로 인해 더 이상 속도 향상을 기대하기 어려워짐

- 전력소비량이 늘어나고 누설 전류로 인한 발열 현상이 심해지는 문제점이 나타나기 시작

- 실리콘 기반 반도체 소자 한계를 극복하기 위해 실리콘 보다 전자 이동 속도가 5 ~ 10배 이상 빠르고 전력 소모량도 10배 이상 적은 화합물반도체가 실리콘 대체 물질로 각광받고 있음

- 하지만 지금의 반도체 회사들이 실리콘 기반 반도체 생산을 위해 투입한 투자금액이 너무 커 신소재와 신기술이 개발되더라도 쉽게 반도체 생산 공정을 바꾸기는 어려움

- 이를 극복하기 위해 화합물 반도체를 실리콘 기판 위에 집적시켜 화합물 반도체 채널을 이용한 트랜지스터를 제작하는 시도 또한 진행 중