[전력반도체] SiC웨이퍼, 칩, 국내 전력반도체 산업 PART 2

1. Value-Chain별 세부 동향 – ① 웨이퍼

전력반도체 산업 내에서 가장 큰 변화의 중심은 웨이퍼 산업이다. 과거부터 현재까지 반도체 산업의 변화와 함께 웨이퍼 산업 내에서도 여러 구조적인 변화가 확인된다.

 

 

1) Si 웨이퍼 – 산업의 구조적 변화

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▶ 변화의 핵심, 장기공급계약

① 웨이퍼 선제 확보 중요성↑: 공급과잉의 고통을 경험했던 웨이퍼 제조사들은 17년 당시 전방 수요 흐름에 적절한 수준의 공급을 유지하려 노력 중이었다. 그러나 예상대비 큰 폭의 수요 증가가 확인되면서 원재료인 웨이퍼에 대한 수요 역시 급증할 수밖에 없었다. 이 과정에서 웨이퍼 확보의 중요성이 대두됐다

 

② 글로벌 웨이퍼 공급자 축소 재편 마무리: 2003년까지 16개의 제조사가 있던 반면 2016년을 기점으로 상위 5개 제조사로 재편이 마무리됐다. 2017-2018년 당시 수요는 급증한 반면 글로벌 웨이퍼 제조사들이 소수로 재편 되면서 단기공급 확대는 제한적인 상황이었다.

 

▶ 웨이퍼 산업 내 장기공급계약의 안정성이 칩 산업 내에서보다 높은 이유

웨이퍼 산업 내에서는 다른 양상을 보일 것으로 판단된다. 메모리 반도체 에서와 달리 공급과잉이 발생할 가능성이 낮기 때문이다. 2가지 이유다

 

① 필수 원재료: 웨이 퍼는 칩 제조사들의 생산 관점에서 필수적인 원재료에 해당된다. 섬세한 공급 대응을 위해 반드시 조기에 확보해야 하는 속성을 지니고 있다.

 

② 낮은 가격 변동성: 웨이퍼의 경우 가격(ASP) 변동성이 크지 않다. 칩과 달리 웨이퍼의 경우 현물 시장이 뚜렷하게 존재하지 않고 협상 가격에 미치는 영향력이 미미하다. 

 

 

▶ 구조적 변화의 결론: 공급자 우위 지속 & 웨이퍼 수요 지속 확대

18년 이후 최근까지 글로벌 웨이퍼 제조사들의 영업환경 및 실적 흐름은 이전대비 안정적이다. 단기 반도체 수요 상황에 따라 변동성을 보인 칩 제조사들(삼성전자, SK하이닉스 등)과는 다른 양상을 보였다는 점에서 의미가 크다. 이같은 변화의 핵심 배경은 결국 웨이퍼 제조 산업의 공급자 우위 고착화로 정리된다.

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2) SiC웨이퍼 변화의 중심

 

우선 과제는 8인치(200mm) 전환

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- 현재 글로벌 선도업체(Wolfspeed, Coherent, SiCrystal, SK실트론 등)의 공통적인 최우선 과제는 6→8인치 양산 전환이다. Wolfspeed가 가장 빠른 결과물이 확인된다.

- 지난 4월부터 글로벌 최초의 8인치 Fab인 Mohwak Valley Fab이 완공됐으며 22년 내에 양산 시작, 23년 중 양산 본격화 예정이다.

- 두번째 8인치 Fab인 Chantham County Fab(North Carolina)은 24년 중 1단계 건설 완료 예정이며, 예상보다 긍정적인 전방 수요에 따라 당초 계획 대비 빠르게 진행 중인 상황이다.

 

 

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3) 높은 진입장벽, SiC 웨이퍼 신규 사업자의 가능성이 낮은 이유

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가장 큰 배경은 진입장벽이 높다는 점이다. 높은 진입장벽은 1) 기술력, 2) 기술격차 때문이다.

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1) 기술력 : SiC 웨이퍼는 Si와 C(탄소) 물질을 녹여 결합해 만든 잉곳에서 추출한다. 기술력이 요구되며, Si와 마찬가지로 SiC 관련 기술은 국가에서 보호하고 있기 때문에 신규 진입자는 아예 새롭게 개발해야한다. 쉽게 확보하기 어렵다.

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2) 기술격차 : SiC 4개 사업자들의 최우선 과제는 8인치(200mm)로의 진입이다. 선두 업체인 Wolfspeed는 22년 4월 최대 규모 8인치 SiC Fab을 최초로 건설했으며 22년 내로 양산 예정이다. 매출 본격화는 23년부터 확인될 것으로 예상된다. 이미 개발 및 양산 시점에서의 차이는 수율 안정화 측면에서 격차를 만들수 밖에 없으며 후발주자가 진입하기 용이하지 않다.

 

 

4) 글로벌 주요 업체별 개요 및 주요 내용 요약

 

Wolfspeed

​- GM을 비롯해 Lucid Motors 등 전기차 업체들과 장기공급계약을 체결했다

- 4월 최초로 만든 글로벌 8인치(200mm) SiC Fab인 Mohawk Valley Fab에서 관련 공급 물량을 생산할 예정이다

 

Coherent (구 II-VI)

​- 2022년 7월 Coherent 인수 완료 후, 9월 Coherent로 사명을 변경했다.

- 24년 첫 8인치(200mm) 양산을 목표 중이다. 6인치(150mm) 기준 Infineon, TYSiC 등과 장기공급계약을 확보했다.

 

SiCrystal

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- 칩 제조사인 Rohm의 자회사다. Rohm향으로 공급하는 Captive 물량 외에 ST Microelectronic 등과도 장기공급계약을 맺었다.

- 23년까지 8인치(200mm) 첫 양산을 목표 중이다.

 

SK실트론

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- 국내 유일한 웨이퍼 제조사이며 글로벌 유일한 Si와 SiC 웨이퍼를 동시 생산 가능한 제조사다.

- 미국 Dupont 사의 SiC 사업부 인수를 통해 SiC 사업에 진출했다. 24년 중 8인치(200mm) SiC 양산을 목표 중이다.

 

 

2. Value-Chain별 세부 동향 – ② 칩

 

전력반도체 산업에서 칩 산업은 웨이퍼 산업 대비 상대적으로 변화가 적다. Si에서와 다른 변화 포인트는 웨이퍼 제조사들의 칩 영역 확대다. Wolfspeed를 비롯한 SiC 웨이퍼 제조사들은 칩(디바이스)과 웨이퍼 수직 계열화를 활발히 진행 중이다.

 

1) SiC & GaN 칩(디바이스) 수요 전망, 가파른 기울기

 

 

2) 글로벌 주요 업체별 동향

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① 칩 only

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Infineon

​가전, 전장, 산업용 등 여러 적용처별 제품 보유 및 매출이 발생 중이다. 전체 Value-Chain 중에서 칩 제조만이 가능하다. Wolfspeed 등과의 장기공급계약을 통해 웨이퍼를 조달받고 있다.

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② 웨이퍼 & 칩

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Onsemi

​SiC 웨이퍼와 칩 제조 모두 사업을 영위 중이다. 부천에 생산 공장을 보유 중이며 22년과 23년 두 차례의 증설을 진행할 계획이다. 25년까지 확보해놓은 40억달러 장기공급계약을 기반으로 한 증설이다

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ST Microelectronics

​2018년 글로벌 최초로 테슬라 모델3에 SiC 인버터가 탑재될 때 사용된 SiC를 제조한 회사다. 웨이퍼와 칩 제조 모두 사업을 영위 중이며, 23년까지 SiC 관련 매출 10억달러를 목표 중이다.

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3. 국내 전력반도체 산업 구조 분석

Si 전력반도체까지 국내 산업은 미미한 수준이었다. 그러나 차세대(SiCㆍGaN) 전력반도체에서는 다른 양상을 보일 것으로 예상된다. 웨이퍼부터 최종 칩까지 전반적인 Value-Chain이 구축될 가능성이 높다. 기술력과 자본력을 보유한 대기

업들의 진입 의지가 핵심 배경이다.

 

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1) SK그룹: 전력반도체 왕국 구축을 위한 모든 것을 다 갖춰가는 중 - 전력반도체 사업의 시작점, SK실트론

 

차세대(SiCㆍGaN) 전력반도체 산업에서 이전(Si) 대비 가장 큰 변화는 웨이퍼 산업에서 확인된다. 따라서 웨이퍼 제조 Value-Chain을 확보하고 있는 것은 전체 Value-Chain 수직 계열화 측면에서 유리하다.

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SK그룹은 웨이퍼 제조 계열사인 SK실트론을 보유하고 있다. 20년 기준 6인치 (150mm) 이상 SiC 웨이퍼 제조가 가능한 제조사는 글로벌 4개사에 불과했다. Wolfspeed, Coherent, SiCrystal에 이어 SK실트론은 글로벌 점유율 4위를 차지하고 있다.

 

부족한 칩 Value-Chain 추가

 

그룹 내 부족했던 SiC와 GaN 각각의 칩 제조 Value-Chain을 추가했다. 기존 2대 주주로 있던 SiC 칩 제조사 예스파워테크닉스는 지난 4월 SK에서 총 95.8%의 인수를 마쳤다. 더불어 GaN 반도체 제조사인 RFHIC와는 지난 9월 예스파워테크닉스를 주체로 한 MOU를 체결했다. 양사는 향후 JV를 설립할 예정으로 현재 JV 설립 관련 막바지 작업 중이다.

 

- 예스파워테크닉스(비상장): SK가 지분투자한 지분 95.8% 자회사다. 예스파워테크닉스는 SK실트론으로부터 SiC 웨이퍼를 수급받아 SiC 전력반도체 완제품을 생산한다. 국내외 가전향 공급을 시작으로 향후 전기차/전기 오토바이향 제품까지 공급을 본격화할 예정이다.

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- RFHIC&RF머트리얼즈: 예스파워테크닉스와 JV를 설립한다. 현재 JV 설립 막바지 논의 단계에 있다. 기존 5G 통신장비 외에 가전용, 전기차용 충전기 관련 전력반도체 공급 확대가 예상된다.

 

 

계열사간 시너지 극대화, 자체 Captive Market 형성

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그룹 내 EV 충전기부터 ESS, 가전, 신재생 에너지까지 전력반도체 수요처인 계열사들이 존재한다. 전력반도체 생산부터 소비까지 그룹 내 내재화가 완성된다.

 

 

2) LX세미콘: 설계를 넘어 생산까지, 대형 Epi House 등극 가능

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LX세미콘은 지난 21년 10월 LG이노텍이 보유하고 있던 SiC 웨이퍼 제조 관련 특허 60건과 생산 설비를 양수받았다. 특허 세부 내용을 보면, Epi 공정 관련 기술들이 주요 내용이다.

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SiC 잉곳부터 제작하기에는 기술이나 생산 시설 자체 확보가 어려움이 있다는 점을 감안할 때, LX세미콘은 Epi 공정 특화 Value-Chain으로 진입을 목표하고 있다고 판단된다. LG이노텍으로부터 청주 공장 SiC 웨이퍼 제조 장비 역시 양수

받았기 때문에 기존 설계만 하던 것과 달리 전력반도체 생산까지 사업영역을 확대해갈 것으로 예상된다.

 

3) DB하이텍: 차세대 먹거리로 SiCㆍGaN 파운드리 목표

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기존에 보유한 파운드리 역량을 기반으로 SiC와 GaN 전력반도체 공정 기술을 개발 중이다. 특히 GaN 전력반도체의 경우 에이프로세미콘(에이프로 자회사)과 공동개발 MOU를 체결했다. 양사는 24년까지 공동개발을 추진할 예정이며, DB하이텍은 에이프로세미콘의 GaN Epi 웨이퍼를 구매해 사용할 계획이다. 현재 개발 초기 단계로, 향후 2~3년 후인 24년 이후부터 사업 본격화가 예상된다.

 

 

SiC 자체 공급사

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- KEC: 전력반도체 사업을 50년 넘게 영위해 오고 있다. 폭넓은 제품 포트폴리오와 검증된 레퍼런스를 바탕으로 안정적인 Si 제품 매출이 발생 중이다. 차세대 전력반도체인 SiC 시제품은 2019년 개발 완료했다. 한국산업기술평가관리원으로부터 SiC MOSFET에 대해 상용화 적합 평가를 받은 국내 2개 업체 중 하나이며, 현재 프리미엄 TV향 소량 SiC 제품 공급은 성공했다. 향후 양산 본격화가 예상되며, 대규모 양산라인 증설은 2H23~1Q24 중으로 예상된다.

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- 파워큐브세미(비상장): KEC와 더불어 한국산업기술평가관리원으로부터 SiC MOSFET에 대해 상용화 적합 평가를 받은 업체다. 2013년 설립한 업체로업체로, 여타 전력반도체 업체들 대비 업력은 짧으나 기술력을 빠르게 증명하고 있다.

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- 아이에이(트리노테크놀로지): 조향장치용 Si 전력모듈, 전력제어기 제품을 주력으로 공급 중인 회사다. 자회사인 트리노테크놀로지가 개발과 생산을 담당하고 있으며, 현재 SiC에 대한 개발은 완료했으며 상용화를 위해 준비 중이다. 주력

고객사는 현대차와 중국 BYD 등으로 기존 고객사와의 레퍼런스를 바탕으로 SiC 제품까지 거래를 지속하기 위해 노력 중이다.

 

 

GaN 자체 공급사

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- 에이프로: 2차전지 활성화 공정에 쓰이는 충방전기와 테스트 장비를 제조하는 회사다. 100% 자회사인 에이프로세미콘을 통해 GaN Epi 공정을 처리한다. 자체 생산한 GaN 전력반도체(GaN on Si)를 적용해 고온가압 충방전기의 에너지 효율 높일 예정이다. 이후 여타 전방시장까지 GaN 전력반도체 사업을 확대하는 것을 계획 중이다. 20년 GaN on Si에 대한 소자 개발을 완료했으며, 현재 수율은 긍정적으로 확인되는 상황이다. 향후 DB하이텍을 시작으로 GaN Epi 웨이퍼 매출도 본격화될 것으로 전망된다.

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- 아모센스: GaN 반도체 사업을 위해 개발 진행 중이다. 여타 경쟁사들과 패키징 방식을 차별화하는 것을 목표하고 있다. 해당 기술이 완벽히 실현될 경우 좀 더 고출력(High-Power) 구현이 가능하다. 향후 태양광, 전기차 등의 시장 진입

을 계획 중이다.

 

 

전문 Epi House

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- 아이브이웍스(비상장): GaN Epi 공정 전문 회사다. 일반적으로 사용하는 MOCVD 장비가 아닌 MOCVD를 차용해 단점을 개선하고 생산성을 높인 자체개발 장비를 보유 중이다. 또한 GaN Epi 만이 아니라 GaN 물질로 웨이퍼 자체를 만드는 고유 기술을 보유하고 있어 향후 GaN on GaN 과 같은 화합물 반도체 구현이 가능할 것으로 예상된다. GaN on GaN의 경우 GaN on Si 대비 내전압이 높아 전기차에도 사용될 수 있다.

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- 아르케(비상장): SiC Epi 공정 전문 회사다. OELD TV, 전기차 등 여러 어플리케이션에 대한 제품을 준비 중이다. 6인치인치(150mm) 기준, 의미있는 수준의 수율이 확인되고 있는 것으로 파악된다. 23년 본격 양산을 목표 중이며, 이와 함께 신규 설비 투자 등 Capa 확대가 진행될 것으로 예상된다.

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차세대 전력반도체(SiCㆍGaN) 산업은 초기 성장 중인 시장 으로 소수의 선도 업체들의 점유율이 높은 상황이다. 글로벌 선도 업체들을 통해 확인되는 동향을 통해 향후 중장기 성장 방향성에 대 한 힌트를 얻을 수 있다. 글로벌 선도 SiC 웨이퍼 제조사들은 전방 고객사와의 장기공급계약을 기반으로 생산능력 확대를 계획 중이다. 1위 제조사인 Wolfspeed는 예상보다 빠르게 증가 하는 수요를 대응하기 위해 글로벌 최대규모의 8인치 SiC 생산 Fab을 계획대비 앞당겨 건설할 계획이다. 가파른 수요 확대는 FY1Q23 실적 발표 및 Investor Day 2022에서도 확인됐다. 재규어(Jaguar Land Rover)와 전기차향 SiC 파트너쉽을 체결했으며 24년 양산 예정인 주요 전기차 모델에 제품 공급이 진행될 예정이다. 이 외에 무선 전기버스 충전기 등 다양한 적용처향 수요도 증가 중이다.

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전기차는 향후 중장기적으로 시장이 확대될 것에 대한 의구심이 적은 대표적인 아이템이다. 차세대 전력반도체 시장의 성장을 이끌 핵심 적용처는 전기차다. 전기차만을 가정해도 전력반도체의 성장 기울기는 가파르다. 신재생, 서버 등 여타 적용처까지 확대됨과 동시에 시장 성장 기울기는 예상치를 크게 상회할 수 있다.

이미 완성차 제조사들의 SiCㆍGaN 전력반도 체 채택 비중 확대가 의미있게 확인되고 있는 만큼 관련 모멘텀은 지속적으로 구체화될 것으로 예상된다. 전기차 관련 Value-Chain의 주가에서 볼 수 있었던 미래 방향성에 대한 주가 반영은 전

력반도체 관련 Value-Chain에서도 확인될 가능성이 충분히 존재한다.

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[신한투자증권 고영민, 최도연, 신현재]