[전력반도체] 1년간의 발자취 및 Value Chain PART 1

전력반도체 핵심 적용처, 글로벌 전기차향 침투율 확대 중

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전력반도체의 주요 적용처인 전기차 내에 채택되는 SiC 전력반도체의 탑재ㆍ침투율은 의미있는 수준으로 확대되고 있다. 글로벌 전기차 채택 모델 기준, SiC 침투율은 18년 38% 22년 70%로 증가세가 뚜렷하다. 완성차 업체들의 SiC 채택 모델 및 트림에 대한 점진적 확대를 감안할 때, 24~25년으로 갈수록 예상대비 가파른 시장 성장이 확인될 가능성이 높다.

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최근 동향을 반영해 전기차향 SiC 전력반도체 시장규모를 21년 2조원, 25년 19조원으로 추정한다. 직전 자료 대비 25년 시장규모 추정치를 12% 상향했다.

 

 

Wolfspeed Investor Day 2022’’, 전방에서 체감하는 수요 동향 역시 긍정적

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1위 제조사인 Wolfspeed는 예상보다 빠르게 증가하는 수요를 대응하기 위해 글로벌 최대규모의 8인치 SiC 생산 Fab을 계획대비 앞당겨 건설할 계획이다. 가파른 수요 확대는 FY1Q23 실적 발표 및 ‘Investor Day 2022’에서도 확인됐다. 재규어(Jaguar Land Rover)와 24년 전기차향 SiC 제품 공급 목적의 파트너쉽을 체결했으며, 무선 전기버스 충전기 등 다양한 적용처 향 수요도 증가 중이다.

 

 

3가지 Keyword 주목 , 관심종목 KEC & RF 머트리얼즈 제시

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① Si & SiC: 차세대 SiC만이 아닌 기존 Si 전력반도체까지 포트폴리오를 가지고 있는 경우 실적 안정성 및 레퍼런스 측면에서 긍정적이다. → KEC

② SK그룹: 국내에서 전력반도체 Value-Chain 전반의 수직계열화가 가능한 유일한 그룹이다. 사업 육성 및 투자에 대한 의지도 가장 명확한 만큼, 관련 업체들의 수혜는 확실하다. → RFHIC & RF머트리얼즈

③ Epi 공정 특화: 기존 Si 대비 SiCㆍGaN 전력반도체에서 Value-Chain의 세분화가 예상된다. 대표적으로 Epi 공정이 해당된다. 현재 비상장사들이 대부분이나 향후 성장성을 감안할 때 관련 분야에 대해 지속적 관심을 가질 필요가 있다.

 

 

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1. 전력반도체 시장 동향 및 전망

1) 전력반도체 시장 개요

 

- 전력반도체는 전자기기에 들어오는 전력을 다루는 역할을 수행하는 반도체다.

- 세부적인 역할은 1) 변환 및 변압, 2) 분배 및 제어다.

- 가장 대표적인 적용처는 모터가 탑재되는 제품이다. 모터의 회전 속도를 컨트롤하기 위해 MCU가 인버터에 명령을 전달하고, 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어ㆍ변환한다.

- 이 때 인버터에 필요한 부품이 전력반도체다.

- 세계 전력의 약 50%가 모터를 돌리기 위해 사용될 정도로 관련 시장은 광범위하다.

- 미래의 대표적인 모터 제품은 로봇이 될 예정이다. 로봇청소기, 산업용 로봇 등 빠르게 시장이 확대되고 있다.

- 로봇은 세밀하게 움직 이기 위해 모터 필요량이 갈수록 증가한다. 전력반도체의 필요량도 늘어날 수 밖에 없다.

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2) 주요 적용처(전방 산업)

향후 폭발적인 시장 성장을 이끌 적용처는 ① 친환경과 ② 4차 산업혁명과 관련 있다. 전력반도체 시장 전반의 영역 확대(Q↑)가 예상된다.

 

① 친환경화, 신규 어플리케이션 확대: 전기차, 신재생 에너지 & ESS

 

A.전기차 : 내연기관차에서 전기차로의 전환이 글로벌 주요 제조사들에게서 보여지는 트렌드다. 친환경 차량에서 전력반도체의 신규 적용이 가능한 영역은 크게 총 3가지다.

 

1) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU) : 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어한다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변환 해주는 인버터가 필요하다. 모터 구동 외에, 전장 시스템을 위해서도 전력 변환이 필요하다. 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용한다. 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요하다.

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2) 내ㆍ외부 충전장치 : 전기차에는 OBC(On Board Charger)가 탑재돼 있다. 완속 충전시 외부의 교류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 직류 전기로 바뀌어 충전된다. 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 그대로 자동차 배터리에 충전하는 방식이다. OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력반도체가 탑재된다.

 

3) V2G(Vehicle To Grid) : 향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상된다. 움직이는 ESS로서, 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할수 있다. 이 경우, 교류↔직류 양방향의 전력 변환이 필요하다

 

 

B.신재생 에너지 : 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정이다. 태양광과 풍력발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요하다.

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(1) 태양광 발전설비: 태양광 모듈과 인버터로 구성된다. 태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 직류다. 이를 PCS(Power Conditioning System)로 불리는 인버터가 교류 전력으로 변환시킨다. 통상 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다.

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(2) 풍력 발전설비: 풍력에서 생산되는 전력도 직류다. 인버터를 통해 교류 전력으로 변환된다. 태양광과 마찬가지로 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다.

 

 

ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치) : 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.

 

② 4차 산업혁명 가속화: 서버, 로봇 등

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데이터센터의 서버 전원에 주로 사용된다. 서버 전원은 파워용량이 크고 높은 신뢰성의 안정적 전원 공급이 요구된다. SiCㆍGaN이 처음 적용되기 시작한 부분이 서버향이다. 이 외에 미래에 적용이 확대될 것으로 예상되는 분야는 로봇이다. 로봇은 수많은 모터가 필요하다. 로봇의 각 부위 모터별 회전 속도는 상이하고, 이를 각각 제어하기 위한 전력반도체가 필요하다

 

 

3) 소재의 전환, SiC와 GaN을 주력으로 한 차세대 시장 확대

 

- 앞서 정리한 전력반도체 시장의 폭발적인 성장 동력인 전기차, 신재생에너지, 서버 등의 공통점은 구동 환경이 거칠다는    점이다.

- 기존 전력반도체 소재는 Si(실리콘)로, 고전압, 고주파, 고열 등의 거친 환경에서 성능 구현이 어렵다.

- 이에 대한 대안으로 물리적 특성이 우수한 SiC와 GaN 반도체가 적용되기 시작했다.

 

앞으로의 전력반도체 시장 성장 양상은 차세대 전력반도체 채택 확대를 중심으로 한 P와 Q의 동반 증가일 것으로 전망된다.

 

1) P의 증가 : 기존 Si 전력반도체를 사용하던 영역에서, 전력 효율성을 추가로 개선시키기 위해 SiC로 대체하려는 시도가 증가하고 있다. SiC와 GaN 등 차세대 전력반도체는 기존 Si 전력반도체 대비 판매단가가 우수하다.

2) Q의 증가 : 향후 전력반도체의 성장을 이끌 주요 전방 수요처는 기존 수요처 대비 탑재량이 증가한다. 기존 내연기관차에서는 없던 전기차의 EPCU, OBC 등이 대표적이다. 신규 영역은 SiC와 GaN이 사용될 전망이다.

 

 

4) SiC와 GaN 채택 확대의 제약이 사라진다

 

SiC와 GaN 반도체에 대한 채택 필요성은 지속 확대 중이다. 그럼에도 그동안 전환이 더뎠던 이유는 Si 대비 가격이 비싸기 때문이었다. 그러나 현시점에서 SiC, GaN으로의 전환을 더디게 한 장애물은 해결됐다고 판단된다.

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(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.

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(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.

 

 

5) 지난 1 년간의 기록 , 주요 적용처별 SiC · GaN 채택 현황 (Review)

 

가전 : Infineon의 일반 소비자(가전 등)향 GaN 제품 적용처가 20년 2개 → 22년 6개로 확대됐다. 기존 충전기, 오디오 외에 주요 가전, TV, PC 등에서도 GaN 전력반도체가 채택되고 있는 양상이다.

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전기차 : 글로벌 전기차 판매량 중 SiC 채택 모델의 판매량이 차지하는 비중(침투율)은 18년 38%에서 22년 70%로 급증했다. 다만 자동차 특성상 모델 당 여러 개의 트림으로 나뉘고 현재는 상위 트림 위주로 SiC를 적용하고 있어, 실제 침투율은 계산 수치 대비 낮아질 가능성이 있다. 그럼에도 1) SiC 채택을 결정하는 완성차업체들이 늘고 있고, 2) 점진적인 적용 트림 확대 움직임이 확인되고 있다는 점에서 글로벌 침투율은 지속 확대될 것으로 예상된다.

 

 

6) SiC 전력반도체 시장규모 전망

 

- SiC는 여전히 초기 시장이다. 주요 적용처 중 현재 가장 유의미한 동향은 전기차에서 확인된다

- 신재생 분야, 서버, 로봇 등에서는 아직 구체적인 채택 수준을 확인하기 어렵다.

- 작년에 추정했던 전기차향 글로벌 SiC 시장규모는 21년 2조원에서 25년 17조원이었다

- 금번 추정에서는 당초 가정대비 1) 전기차 전망치 상향과 2) 침투율(채택율) 상향을 반영했다

- 이 경우 25년 시장규모는 19조원으로 전망된다. 예상보다 빠르게 완성차 업체들의 SiC 채택(침투율)이 확대되고 있다

- 통상 완성차 업체들은 채택 결정 후 점진적으로 세부 트림 확대를 결정한다는 점을 감안할 때 24년, 25년으로 갈수록 당사 추정치를 상회하는 시장규모가 형성될 가능성이 높다고 판단된다

 

 

2. 전력반도체 Value-Chain A to Z

1) Value-Chain 구분

 

- 전력반도체 제조 산업은 크게 웨이퍼와 칩(완제품)으로 구분할 수 있다. 일반적인 메모리/비메모리 반도체와 동일하다. 이는 Si와 SiC에서 공통적인 점이다.

- 칩 제조사들의 경우 글로벌 주요 비메모리 업체들이 Si 전력반도체에 이어 SiC전력반도체에서도 경쟁력을 이어가려 노력 중이다.

- 그러나 웨이퍼의 경우 기존 Si 웨이퍼 제조사들은 한국의 SK실트론을 제외하고 SiC 웨이퍼 제조 사업을 영위하고 있지 않다.

- 새로운 Value-Chain 형성 과정 중 웨이퍼 산업 내에서 눈에 띄는 변화가 발생하고 있다. SiCㆍGaN 전력반도체 시장이 소수의 선도업체들이 대부분 점유율을 장악하고 있는 배경이다

- 20년 기준 6인치(150mm) 이상 SiC웨이퍼 제조가 가능한 제조사는 Wolfspeed, Coherent, Sicrystal, SK실트론으로 총

4개 사업자가 유일했다. 현 상위 제조사들의 과점 형태가 지속될 가능성이 높다.

 

2) 웨이퍼

 

① 잉곳의 변화

- Si 전력반도체에 사용되는 웨이퍼는 Si 기반의 잉곳에서 만들어졌다. 그러나 SiC웨이퍼는 동일한 Si 기반의 잉곳에서 만들어지지 않는다.

- Si와 C(탄소) 물질을 녹여 결합해 만든 잉곳에서 추출한다

- 기존 Si 잉곳 제작과는 다른 새로운 기술이 필요하며, Si와 마찬가지로 SiC 관련 기술은 국가에서 보호하고 있는 기술이다. 새로운 제조사가 진입하기 위해서는 해당 기술을 새로 확보해야한다

 

② Value-Chain 세분화

- 전력반도체를 포함한 비메모리 칩은 메모리와 달리 사용하는 순수 웨이퍼 형태로 사용되지 않는다.

- 순수 웨이퍼 위에 Epi 층을 씌운 웨이퍼가 사용된다. 기존 Si 대비 SiCㆍGaN에서 향후 Epi 관련 공정의 중요도가 확대될 전망이다.

- 이와함께 Epi 공정만을 따로 담당하는 Epi 전문 하우스 Value-Chain이 이전대비 확대될 가능성이 높다.

 

 

3) Epi Value-Chain 확대

 

- Wolfspeed 등 웨이퍼 제조사들은 자체적으로 Epi 공정까지 진행이 가능하다. 그러나 별도의 Epi 하우스에 대한 외주 비중이 작지 않을 수밖에 없는 이유는 SiC라는 물질의 특성 때문이다.

- 기존 Si 웨이퍼는 반도체 성질을 갖추도록 만드는데 추가 과정이 필요하지 않았다. 실리콘 단원소 물질이기 때문에 이온 주입을 통한 도핑농도 조절이 가능하다.

- 그러나 SiC 웨이퍼는 다르다. SiC는 두개의 원자가 결합된 형태로 결정질 강도가 다이아몬드 수준에 달한다. 이는 이온 주입이 불가능하다는 것을 의미한다.

- 그래서 SiC 웨이퍼는 반도체 성질을 갖출 수 있도록 외부에 별도의 레이어를 씌워주는 공정이 반드시 필요하다.

- SiC 웨이퍼 제조사들은 기본적으로 Epi 공정까지 직접 처리할 수 있다. 다만 비메모리의 한 종류인 전력반도체는 다품종인 만큼, Epi 공정 역시 적용처별, 고객사별 커스터마이징이 요구된다.

- 자원 효율화, 리스크 분배 등의 목적으로 SiC 웨이퍼 제조사들은 Epi 전문 하우스 활용 비중을 확대할 것으로 예상된다.

- 더불어 GaN 물질을 다룰 수 있는 기술력을 기반으로 Epi 처리가 가능한 전문하우스 역시 성장세가 기대된다.

- SiC 대비 GaN 반도체는 기술적 난이도가 상대적으로 좀 더 높다. GaN on GaN 등의 반도체는 아직 이론으로만 확인되나 향후 실제 제품으로 구현을 위해 준비되고 있는 단계다.

- 향후 GaN on GaN 등 GaN 반도체의 Epi 기술 및 Value-Chain이 확대되면 전력반도체 내에서 GaN 반도체의 쓰임새도 확대될 것으로 예상된다.

- 현재는 SiC와 GaN 반도체는 적용처가 나뉘고 있으나 물리적 특성이 유사하다는 점을 감안시 GaN 반도체도 전기차에 사용될 수 있다.

 

4) 칩

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- Si 전력반도체에서 높은 점유율을 차지하고 있는 글로벌 선도 비메모리 업체들이 차세대(SiCㆍGaN) 전력반도체에서도 앞서가고 있다

- 이 외에 Wolfspeed와 같은 SiC 웨이퍼 제조사들도 칩 사업까지 함께 영위하고 있으며 기존 선도 비메모리 업체들과 두각을 나타내고 있는 상황이다.

- 선도 업체들의 매출처별 비중을 보면 전장, 산업향 비중이 높고 가전향 비중은 상대적으로 낮다.

- 반면 후발 업체들의 경우 가전향 제품 공급을 먼저 진행 중이며 가전향 매출 비중이 높다

- Si와 SiCㆍGaN 모두 동일하게 가전향 대비 전장 및 산업향에서 이익률이 높기 때문에 궁극적으로 전장 및 산업향 매출을 확대시키려고 계획 중이다.

 

 

5) 시사점

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- 현재 선도업체들의 공통적인 특징은 웨이퍼 제조와 칩 제조를 수직계열화 하고 있다는 점이다.

- SiC의 경우 칩 대비 웨이퍼에서 독과점력이 더 강하다. SiC 웨이퍼를 생산할 수 있는 업체는 소수이며, 높은 진입장벽과 타이트한 수급 상황을 감안할 때 현 상황이 지속될 가능성이 높다.

- 칩 제조사 대비 웨이퍼 제조사 입장에서 Value-Chain 수직계열화 완성이 더 유리하다.

- 칩 제조사가 웨이퍼까지 확대하고 있는 경우는 현재 ST Microelectronics, Onsemi가 유일하다.

 

 

6) SiC· GaN 전력반도체 Value Chain 종합 정리

 

언론 보도 등을 통해 준비 계획 등을 발표한 제조사들을 모두 포함했기 때문에, 향후 기술력 등을 증명하지 못할 경우 아래의 리스트는 달라질 가능성이 충분하다.

 

 

 

[신한투자증권 고영민, 최도연, 신현재]