UAM(Urban Air Mobility)은 저고도의 공중을 활용한 도심 항공교통을 의미하며 기체, 운항, 서비 스를 총칭하는 개념이다. 전반적인 개념은 2016년 우버(Uber)가 발간한 일명 ‘우버 백서(FastForwarding to a Future of On-Demand Urban Air Transportation)’를 통해서 정립되었다. 이후 전 세계적으로 UAM 개발이 활발해졌는데 2020년 2월 기준으로 100여 개 이상의 UAM 개발 프로젝트가 진행 중이다.
UAM 산업에 주목하는 이유
우리가 UAM 산업에 주목하는 이유는 도시집중화에 따른 사회/경제적 손실을 감소시켜 줄 것으로 보기 때문이다. 도시집중화 문제는 이미 전 세계적인 문제이고 이는 향후 더욱 악화될 것으로 예상 되고 있다. UN경제사회국(DESA, Department of Economic and Social Affairs)에 의하면 2018년 전 세계 도시화율은 55.3%이며 2050년에는 68.4%에 달할 것으로 전망된다. 참고로 우리나라 의 도시화율은 81.5%이며 2050년에는 86.2%에 달할 것으로 전망된다.
도시집중화는 필연적으로 다양한 부작용들(교통, 주거, 환경오염 등)을 수반한다. 교통 혼잡은 우리 의 삶의 질을 낮추고 막대한 경제적 손실을 발생시켜 경제 성장에도 걸림돌로 작용한다. 교통량 분석업체인 인릭스(INRIX)의 분석에 따르면 교통 혼잡에 따른 연간 경제적 손실(2017년 기준)이 미 국은 3,050억 달러, 영국은 520억 달러에 달하는 것으로 추정된다. 도시화율이 높은 우리나라도 마찬가지다. 한국교통연구원에 따르면 우리나라의 교통혼잡에 따른 경제적 손실(2015년 기준)은 약 33조 원에 달한다고 한다.
이를 해결하기 위해 도로, 철도 등을 확장해오고 있으나, 지상과 지하 공간의 포화로 인해 더 이상 2차원 평면 공간의 활용만으로는 교통문제 해결에 한계가 있다. UAM은 공중을 새로운 교통자원으 로 활용하기 때문에 기존 교통수단을 대신하는 새로운 교통수단으로 도시집중화에 따른 부작용을 완화해 주고, 더 나아가서는 우리의 삶의 반경을 넓혀주는 교통수단의 Game Changer가 될 것으로 기대된다.
UAM 실현 가능성이 높아지고 있다
UAM은 기존 운송수단과 혼합된 Seamless 형태의 MaaS(Mobility as a Service)가 될 것으로 예상한다. 거리별로 형태는 크게 세 가지가 될 것으로 전망된다. 첫째는 도심 내 단거리를 이동하는 시티 택시(City Taxi). 둘째는 도심과 공항을 연결하는 공항 셔틀(Airport Shuttle), 셋째는 도심과 주변 도시를 연결하는 통근 용인 인터 시티(Inter City)가 그것이다.
UAM이 실현 가능하기 위해서는 해결해야 할 여러 문제들이 있다. 기체 개발, 운항 승인 요건 등에 대한 제도적 장치, 버티포트(Vertiport)/저고도 교통관리(UTM, Unmanned aerial system Traffic Management) 등 인프라 구축 그리고 사회적 수용성 증대 등이 그것이다. 이는 민간 기업 혼자 해결할 수 없는 과제로 제조사, 운용사, 인프라 공급사 같은 기업 간 그리고 정부의 협업이 필요하다.
다행히 UAM의 필요성에 대한 사회적 합의가 커지면서 이러한 협력이 전보다 활발해지고 있어 UAM 실현 가능성은 점점 높아지고 있다. 1) 기체 제조사, 부품 공급업체, 교통관리(ATM, Air Traffic Management) 공급업체, 인프라 공급업체, 소프트웨어 생산업체 등 많은 참여자가 UAM 산업에 진입 중이다. 2) 감항당국과의 협력도 활발하다. 미국 연방항공청(FAA)과 유럽연합항공청 (EASA)은 기체 기술기준에 관한 기준을 만들고 있으며, 일부 기체는 인증을 진행하고 있다. 3) 정 부와의 협력도 활발해지고 있다. 미국은 2020년부터 ‘Agility Prime’을 통해 eVTOL 개발을 지원 하고 있다. 우리나라도 2020년 한국형 도심항공교통(K-UAM) 로드맵을 발표하며 UAM 산업 육성을 지원하고 있다.
UAM 기체는 eVTOL이 대세로 자리 잡는 중
UAM 산업 개화를 위해서는 새로운 기체 개발이 필수적이다. 기존의 항공기로는 UAM 구현이 어렵기 때문이다. UAM 기체가 필수적으로 갖추어야 할 조건을 꼽아보면 다음과 같다. 1) 수직이착륙 이 가능 해야 하고, 2) 소음이 적어야 하며, 3) 공해물질 배출도 적어야 한다. 고정익 항공기는 수직 이착륙이 불가능하고 이륙을 위해서는 활주로가 필요하기 때문에 UAM에 적합하지 않다. 회전익 항공기의 경우 수직이착륙은 가능하나 소음이 커서 UAM에 부적합하다. 무엇보다 현재 우리가 사 용하는 항공기는 내연기관을 이용하기 때문에 공해물질 배출이 커서 기본적으로 미래 교통수단인 UAM에 적합하지 않다.
eVTOL(전기동력 분산 수직이착륙기, electric Vertical Take Off & Landing)이 주목받는 이유는 위의 조건에 가장 적합하기 때문이다. eVTOL은 1) 수직이착륙이 가능해 고정익 항공기와는 달리 활주로가 필요 없고, 2) 헬리콥터 같은 회전익 항공기 보다 소음이 작으며, 3) 전기 동력을 사용하기 때문에 배출가스가 없고 친환경적이다. 실제로 현재 개발 중인 기체는 대부분 eVTOL인데 95개의 개발 프로젝트가 진행 중이다.
eVTOL 중에서는 틸트엑스가 가장 우수
현재 개발 중인 eVTOL은 형태별로 크게 세 가지로 구분된다. 1) 멀티로터(Multirotor), 2) 리프트 앤 크루즈(Lift and Cruise), 3) 틸트엑스(Tilt-X)가 그것이다.
멀티로터는 우리에게 친숙한 카메라 달린 소형 드론(Drone)을 사람이 탈 수 있을 정도의 크기로 키운 것이다. 중국 이항(EHang)의 이항 216과 독일 볼로콥터(Volocopter)의 볼로시티(Volocity) 가 멀티로터로 분류할 수 있다. 멀티로터는 기체 및 동력부의 기술적 난도가 낮아 감항 승인만 이루어진다면 상대적으로 빠른 양산이 가능하다. 하지만 회전익 항공기이라는 기체 구조상 순항속도가 느리고 항속거리도 짧으며 탑재중량 증가에도 한계가 있다. 1~2인이 탑승해 50km 이내의 거리 이동에 가장 적합하다.
리프트 앤 크루즈는 이착륙 시에는 수직 방향의 로터가 회전익 형태로 작동하고, 비행 시에는 수평 방향의 로터가 고정익 형태로 작동하게 된다. 미국 위스크(Wisk)의 코라(Cora)와 미국 오로라 플 라이트 사이언스(Aurora Flight Sciences)의 PAV가 리프트 앤 크루즈로 분류할 수 있다. 멀티로터 와는 달리 날개가 있어 순항속도가 빠르고 항속거리가 길다. 탑재중량은 멀티로터와 비슷하다.
틸트엑스는 틸트로터/틸트덕트/틸트윙을 총칭한다. 로터가 고정되어 있는 리프트 앤 크루즈와는 달리 가변적이라는 점이 다르다. 미국 조비 에비에이션(Joby Aviation)의 S4와 독일 릴리움 (Lilium)의 릴리움 제트(Lilium Jet), 오버에어(Overair)의 버터플라이(butterfly), 아처(Arhcer)의 메이커(Maker)가 틸트엑스로 분류(S4/버터플라이/메이커는 틸트로터, 릴리움 제트는 틸트덕트)할 수 있다. 기술적 난이도가 가장 높다. 하지만 리프트 앤 크루즈와는 달리 로터가 가변적이기 때문 에 기체 역학상 효율적이다. 따라서 리프트 앤 크루즈 보다 순항속도도 빠르고 항속거리도 길며 탑 재중량도 높다는 장점이 있다.
기체별로 용도에 맞게 쓰일 전망
어떤 형태의 기체를 UAM에 활용할지는 각각의 용도별 그리고 지역별 특성에 따라 가장 효율적인 기체가 선택될 것으로 보인다. 예를 들면 단거리용으로는 멀티로터, 중거리는 리프트 앤 크루즈, 장거리는 틸트엑스가 효율적일 것으로 전망되고 있다. 시장규모는 중장거리가 90%를 차지할 것으로 전망된다. 거리가 길수록 사용자들의 UAM 활용 유인이 높을 것으로 예상되고, 거리가 길기 때문에 요금도 높을 것이기 때문이다. 롤랜드 버거의 전망에 따르면 2050년 UAM 시장은 약 900억 달러 규모가 될 것으로 전망된다. 이 중 50%가 공항과 도시를 연결하는 에어셔틀, 40%는 도시와 도시를 연결하는 인터시티, 그리고 10%가 도시 내부를 연결하는 시티택시가 될 것으로 예상하고 있다.
완전한 대중화는 자율비행이 필수
UAM의 완전한 대중화를 위해서는 자율비행이 필수적일 것이다. 서비스 대중화에 있어 이용 운임이 중요한데 가격경쟁력을 갖추기 위해서는 자율비행이 필수적이기 때문이다. 우버는 2019년 우버 엘레베이트 서밋(Uber Elevate Summit)에서 상용화 초기 운임이 마일 당 5.73달러로 기존 헬리콥터 이용 운임 대비 약 1/3 저렴하나, 우버X(Uber X)보다는 소폭 비싼 수준이 될 것으로 밝혔다. 이후 가동률 및 탑승률 증가로 운임은 마일 당 1.86달러로 낮출 것으로 전망했는데 이는 현재 우버 서비스와 비슷한 수준으로 볼 수 있다. 물론 시간가치(UAM을 이용하 면 차로 2시간 걸리는 것을 20분 내로 단축할 수 있다)를 고려하면 이 정도 수준에서도 가격경쟁력은 충분하다. 하지만 우버는 여기서 그치지 않는다. 자율비행이 가능해지면 운임이 마일 당 0.44 달러 수준까지 떨어질 것으로 보는데 이는 현재 자가용 이용 비용(마일 당 0.464~0.608달러)보다 저렴하다.
2023년 첫 상업서비스 예정
세계 최초의 UAM 상용 서비스는 2023년 미국 LA, 댈러스-포트워스 그리고 호주 멜버른에서 시 작될 전망이다. 동 프로젝트는 원래 우버 엘리베이트가 2019년 조비 에비에이션과 파트너쉽을 맺고 준비해오고 있다가 2020년 우버가 우버 엘리베이트 사업부를 조비 에비에이션에 매각, 현재는 조비 에비에이션이 진행하고 있다. 우버가 UAM 사업을 중단한 것으로 보기는 어렵다. 우버는 조비에이션의 주요 주주이고 UAM 서비스에 있어 우버를 플랫폼으로 사용하는 등 계속 협력 관계를 유지할 것이다. 한국은 2025년 상용서비스 시행을 목표로 하고 있다. 한국 정부는 2020년 ‘한국형 도심항공교통 (K-UAM) 로드맵’을 발표한 바 있다. 이에 따르면 2020~2024년 준비기를 거쳐 2025년 최초 상용 서비스를 도입, 이후 노선을 확대해 나갈 계획이다.
아날로그 반도체 1위 공급사 텍사스 인스트루먼트는 2020년 3분기부터 실적 턴어 라운드를 시작했다. 연간 매출 증감률은 2020년 -2.9%, 2021년 +8.4% (컨센서스 기준)이다. 자동차용/5G/중국향 수요 개선 때문이다. 삼성전자는 아날로그 반도 체 중 카메라 이미지 센서 분야에서 점유율을 21.7%까지 늘리며 Sony와의 격차를 줄였다. 한편 방산용으로 제한적으로 쓰이던 화합물 반도체가 5G 통신장비/스마트 폰/EV로 적용분야를 늘린다. 연간 시장 성장률은 GaN +116%, SiC +19%이다.
화합물 반도체 시장의 규모가 아직 작기 때문에 미국 반도체 업종에서도 유의미한 시가총액의 수혜주를 찾기가 어렵다. 실리콘 카바이드 (SiC) 화합물 반도체 업종에서 Two Six가 수직계열화를 추진하고 있는데, 전사 매출에서 SiC가 차지하는 비중은 4~5%에 불과하다. FY 2020년 (2019년 7월 ~ 2020년 6월)의 매출이 26억 달러였으니, SiC 웨이퍼에서 모듈까지 망라한 관련 매출은 1,100~1,500억 원 내외로 추정된다.
이처럼 화합물 반도체를 주력으로 공급하는 Two Six에서도 관련 매출이 제한적이나 반도체 업종에 관심이 있는 투자자라면 2021년 주요 테마로서 화합물 반도체에 관심을 가져야 한다고 판단된다. 전방산업의 수요가 전통적인 방산 분야에서 기지국용 통신장비, 5G 스마트폰, EV로 확장되고 있기 때문이다.
Two Six의 경우 화합물 중에 GaAs (갈륨비소) 6인치 웨이퍼를 기반으로 활발하게 사업을 전개하고 있으며 M&A를 통해 에피 웨이퍼, 전공정, 웨이퍼 테스팅 공정을 수직계열화했다. New Jersey의 Warren Fab에서는 2017년부터 현재까지 수 억개의 3D 센싱용 VCSEL array를 생산, 출하했으며, Texas의 Sherman Fab에서는 2020년부터 VCSEL을 생산, 출하하기 시작했다. 한편 스위스의 Zurich Fab에서는 2020년부터 edge emitting laser diode (EELD 소자)를 양산하고 있다.
화합물 반도체는 과거에 군사용, 인공위성용 등 특수 분야에서만 필요로 하던 반도체이다. 화합물 반도체 중에서 Gallium Nitride (GaN) RF 디바이스의 선두주자로 꼽히는 Cree (CREE US)는 GaN 소재로 만들어진 Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) 등의 제품을 미국 국방부에 공급한다. MMIC는 이후에 5G스몰 셀 네트워크에 서 최대한의 주파수 (예: 90GHz)를 지원하는 소자로 사용된다. 향후에 밀리미터파가 자율주 행차량간의 데이터 송수신에 적용될 가능성이 크다. 이에 따라 화합물 반도체에 대해 지금부터라도 조금씩 서플라이 체인에 대해 알아두어야 할 필요가 있다.
아날로그 반도체 기업의 화합물 반도체 사업 진출
아날로그 반도체 기업 중에서 On Semiconductor의 경우 Tier 1 고객사로부터 Silicon Carbide 제품의 주문을 받는다고 밝혔다. 자동차 시장의 고객사로부터 주문을 받기 시작한 것으로 추정된다. On Semiconductor의 Intelligent Sensing Group (ISG) 사업부에서는 자동차용 라이다 (LiDAR) 센서군의 제품 중에서 SiPM과 SPAD를 주력 기술로 내세우고 있다. On Semiconductor는 2018년 5월에 SensL사를 인수하며 SiPM 기술을 확보했다. SiPM은 Silicon Photomultiplier를 의미한다. 라이다 센서가 자율주행차량에서 먼 거리를 측정하려면 날씨가 맑고 태양빛이 밝을 때도 멀리서 다가오는 물체 (차량, 사람)의 미약한 반사광을 감지해야 하는데, 그 물체로부터 반사되는 광량이 매우 적으므로, SiPM이라는 감지기 (感体機)가 필요하다. SPAD는 SiPM을 만들기 위한 기술이며, Single Photon Avalanche Diode (단일 광자 검출기)를 의미한다. 단일광자 검출기는 광자 하나를 검출할 수 있는 광 검출기이다. 광 검출기는 의료기기, 불꽃 감지 시스템 등의 분야에서 쓰였다. SPAD는 입사된 빛이 전자 (Electron)와 정공 (Hole)을 생성시키고, 이처럼 만들어진 전자와 정공이 흘러가며 전류를 생성하는 소자를 의미한다. On Semiconductor는 SiC 화합물 반도체 제품을 산업용 분야에도 판매하고 있다. SiC로 만들어진 모듈을 PV 시장뿐만 아니라 다른 대체에너지 시장에서도 판매하고 있다.
화합물 반도체 중에 국내에서 인지도가 높은 화합물은 3족/5족 원소로 이루어진 GaN (질화 갈륨)이다. 탄화규소 (SiC, 실리콘 카바이드) 기판 위에 질화갈륨을 성장시킨 구조를 GaN on SiC라고 부르는데, GaN on SiC 트랜지스터는 기지국용 통신장비 중에 40GHz 이하 주 파수에 적용되어 신호를 증폭 (원하는 크기로 확대)하는 데 쓰이고, 기존 제품 대비 물리적 크기가 작고 열전도성이나 전력 사용량 측면에서 유리하다. 기존에 사용되던 트랜지스터는 LDMOS라고 불리는데, LDMOS는 Lateral MOSFET을 의미하며 기지국용 전력증폭기의 최종 출력 증폭단에서 저비용의 장점을 내세워 많이 사용되고 있다.
아날로그 반도체 기업 중에서 ST마이크로의 경우 가장 활발하게 화합물 반도체 시장의 개화에 대응하고 있다. 프랑스의 반도체 기업 SOMOS Semiconductor (이하 SOMOS)를 인수 한다고 발표했다. 2018년에 설립된 SOMOS는 실리콘 기반 PA (Power Amplifier, 전력증 폭기)와 RF FEM (Front-End Modules) 설계에 특화된 팹리스 기업이다. ST마이크로는 인수를 통해 자동차에 편중되어 있던 화합물 반도체 제품 포트폴리오를 5G 영역까지 확대할 예정이다. ST마이크로가 5G 분야에 진출하며 사업분야를 다각화한 것은 처음이 아니다. 2019년 2월에는 스웨덴의 SiC (실리콘 카바이드) 웨이퍼 제조업체 Norstel AB의 지분 55% 를 인수했다. 한편 ST마이크로는 GaN (질화갈륨) 기반의 파워 솔루션을 공급하는 프랑스 기업 Exagan의 인수 작업 또한 전개하고 있다. ST마이크로는 M&A를 통해 포트폴리오를 확장하는 한편, 2020년 2월에는 TSMC와의 협업을 발표했다.
SK실트론은 M&A를 통해 화합물 반도체 사업에 진출
SK실트론은 ST마이크로와 마찬가지로 M&A를 통해 화합물 반도체 사업에 진출했다. 2019 년 9월 10일, DuPont de Nemour 의 자회사인 DDP Specialty Electronic Materials US 9, LLC와 실리콘 카바이드 웨이퍼 생산과 관련한 기계장치, 특허권 등을 포함한 사업부를 미화 4억 5천 만 달러에 양수하는 계약을 체결해 2020년 2월 29일에 인수 작업을 완료했 다. 실리콘 카바이드 웨이퍼는 SK실트론의 기존 주력 제품에 해당되는 실리콘 웨이퍼 (Si Wafer) 대비 耐고압, 耐고온, 低저항의 특성을 지녀, 전력 반도체의 핵심 소재로 사용되고 있다. 실리콘 카바이드의 특성은 순수 실리콘 대비 높은 다결정 성장이 가능하다. SiC Wafer의 경우 제조기술 및 양산제품의 품질을 확보하기 난해한 특징을 가지고 있어, 기술 진입장벽이 높다. SK실트론의 양수 기업에서 주력으로 공급 중인 제품은 4인치 및 6인치 웨이퍼이다. 6인치 제품의 기술개발 및 생산시설 확충에 따라 100mm 제품의 시장에서 6인치 제품 중심의 시장으로 빠르게 전환되고 있다. SK실트론 측에서 기대하는 수요는 자동차의 전장화와 전기차용 SiC 인버터이다. SiC Wafer의 높은 제조단가로 인해 전력반도체 시장 내에서 제한적으로 사용되었으나, SiC Wafer의 생산성 및 원가경쟁력 개선 시, SiC Wafer 를 적용한 전력반도체 수요가 증가할 전망이다. 전기차의 에너지 효율성 증대, 배터리 원가 절감 필요성 등에 따라 인버터에 SiC 반도체가 채택되는 사례가 늘어나고 있으며, 차량 내 동력구동 외 공조, 자율주행, 인포테인먼트 등 전기사용량이 증가하여 기존 Si 인버터 대비 에너지효율성이 높은 SiC 인버터의 채택이 확대되는 추세이다. SiC Wafer의 주요 고객은 ST마이크로, Infineon 등 전력반도체 제조업체로 대부분 유럽, 미국, 일본 등 해외업체이다. SK실트론의 자료에 따르면, SiC Wafer를 제조하는 업체는 미국, 독일, 일본 등에 다수 존재하나, 6인치 제품의 양산에 본격 진입하여 전력반도체 고객에 공급할 역량을 확보한 업 체는 소수 업체에 불과하다. 현재 SiC Wafer 시장은 빠르게 6인치 제품 중심의 시장으로 전환되고 있으며, 선도업체와 후발업체들과의 기술격차로 향후 SiC Wafer 시장의 경쟁구도는 상위 선도업체 위주로 형성될 것으로 보인다.
• 1884년 에디슨이 전구 실험 과정에서 ‘열전자 방출효과(에디슨 효과)’를 확인후 유리 진공관이 개발되어 사용
• 진공관을 대체할 수 있는 트랜지스터 개발을 위한 노력이 지속되던 중 1947년 벨 연구소의 바딘, 브래튼, 쇼클리에 의해 게르마늄 반도체 트랜지스터가 개발됨 (1956년 노벨상 수상)
• 게르마늄 반도체 트랜지스터는 진공관을 대체해 소형 라디오를 만들 수 있게 하고 전자산업을 혁명적으로 발전시켰으며 컴퓨터, 정보통신 시대를 현실화 시킴
• 알파에서 오메가까지 반도체가 들어가지 않는 제품을 찾을 수 없을 정도지만 고도화하던 반도체 기술은 점차 극복해야할 근원적 문제점이 나타나기 시작, 솔루션으로 화합물 반도체가 점차 부각 되고 있음
화합물 반도체의 등장
• 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로 우리에게 익숙한 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)과 같은 단원소 반도체와 구분됨
• 단원소 반도체는 지난 반세기 동안 고집적화에 기반한 가파른 기술적 진보를 이루어 냈지만 반도체 공정 선폭이 10나노(nm)미만에 다다르며 생산공정의 어려움과 발열 문제등이 문제점으로 대두되고 있음
• 특히 10나노 이하의 극미세 공정에서는 트랜지스터 크기를 미세화 하더라도 소자 간 간격이 좁아져 소자 연결을 위한 메탈 저항(RC delay)이 커져 발열 문제가 발생함
• 발열 문제 해결과 반도체 본질적 기능 개선을 위해 차세대 반도체로서 화합물 반도체 활용이 확대될 것으로 전망
• Si(실리콘), Ge(게르마늄)으로 대표되고 있는 하나의 원소로 구성 된 반도체에 대해 두 종류 이상의 원소가 결합해서 반도체의 성질을 나타내는 물질을 화합물 반도체라고 부르며 대표적인 화합물 반도체는 SiC, GaN, GaAs 등이 있음
• 단원소 반도체와 달리 화합물 반도체는 원소의 조합을 목적에 따라 변화시킴으로 특화성이 있는 반도체를 제조 가능
• 화합물 반도체 소재는 GaAs, InP, GaN, ZnO, SiC, SiGe, GeSbTe 등과 같이 다앙하며 각각이 특유한 전기적 특성을 보유하고 있으며 대표적 특징은 아래와 같음
1. High Speed 2. High Voltage 3. High Frequency 4.High T℃ application
• SEMI(세계 반도체 장비 재료협회)는 2021년 전력 및 화합물 반도체 장비 투자 예상 금액을 전년대비 +59% 성장한 69억달러로(7조원) 전망
• TSMC, 삼성전자와 같은 글로벌 반도체 기업들의 연간 투자 금액이 30조원 수준인 점을 고려했을 때 7조원은 큰 금액은 아님
• 하지만 화합물 반도체 투자 금액이 빠르게 성장 중이고 활용 어플리케이션 또한 확대되고 있어 화합물 반도체 시장의 폭발적 성장 예상됨
• 화합물 반도체의 주된 어플리케이션은 비메모리 반도체이며 시스템 반도체 / 개별 소자 / 광 소자로 구분 할 수 있음
• 시스템 반도체 점유율은 미국 58.1%, 일본 18.5%, 한국 5.1% 수준이며 화합물 반도체 시장 기술 성숙도도 이와 유사함 • 화합물 반도체가 폭넓게 사용된 시장은 방위산업 분야 였지만 5G 통신망 확대, 전기차 시장 성장, 신재생 에너지 생산시설 확대로 보편적 사용이 가시화되고 있음
• 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 화합물 반도체가 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
왜 화합물 반도체 인가
• 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮음
• 전력 소비가 낮을수록 발열량도 낮아짐
• Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있음
• 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용되고 있었음
• 최근 각광을 받고 있는 기술은 실리콘 기판 위 전자가 이동하는 반도체 채널 부분에만 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성해 효과적이지만 저비용의 화합물 반도체 소자를 제작하는 방식도 주목을 받고 있음
• 접착제를 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술인 ‘웨이퍼 본딩’ 공정을 통해 필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 접착하는 기술은 Si반도체 생산 공정을 최대한 활용 가능한 이점이 있음
• Ⅲ-Ⅴ족 화합물로는 현재 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행중
• Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체에서 전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르고 소비전력도 기존 반도체 대비 1/8 ~ 1/10 수준
글로벌 동향
• 2014년 8월 인피니언은 전력반도체 시장에서 입지를 강화하기 위해 GaN 기술을 보유한 인터내셔널 렉티파이어를 30억달러(3조 2400억원) 에 인수, 인수 금액은 인피니언 설립 이후 최대 규모
• 이와 함께 2018년 11월 인피니언은 콜드 스플릿 기술을 개발한 시텍트라 인수를 결정
• 콜드 스플릿 기술은 SiC웨이퍼를 절단해 하나의 웨이퍼에서 칩 수를 두배로 생산 가능하게 해주는 기술
• 인피니언은 GaN 과 SiC 화합물 반도체 시장 성장에 기대를 걸고 있으며 핵심 관련 기업과의 화합물 반도체 생태계 조성을 준비하고 있음
• 투식스는 스웨덴 기업인 Ascatron을 인수하며 SiC Substrate와 SiC Epiwafer까지 공급하며 시장 지배력 높이고 있는 중
• 일본 반도체 기업 로옴(ROHM)은 2018년 6월 전력 반도체 업체인 GaN시스템과 협업을 통해 본격적으로 GaN 전력 디바이스 사업을 시작
• GaN시스템은 트랜지스터, 로옴은 전자부품 설계, 제조 기술을 제공하기로 협약
• GaN 시장에서 가장 급속하게 성장하고 있는 아시아를 중심으로 사업을 전개
• 로옴은 중국 신에너지 자동차용 구동 분야 기업인 리드라이브테크놀로지와 2017년부터 협력관계를 맺고 SiC 파워 디바이스를 탑재할 차량 용 애플리케이션 기술을 교류하고 있음
• 이를 발판으로 양사는 2020년 6월 중국 상하이 자유무역시험구에 SiC 기술 공동 연구소를 개설함
전력 반도체
• 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
• Omdia에 따르면 SiC, GaN 전력 반도체의 판매액은 2018년 5억 7100만 달러 → 2020년 8억 5400만 달러로 2년간 + 49.6% 성장함
• 화합물 전력 반도체시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수 성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50억 달러를 넘어 설 것으로 전망
• SiC 전원 모듈은 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성된 하이브리드와 순수 SiC 모듈로 구분할 수 있음
• 하이브리드 SiC 전원 모듈은 태양광 인버터, 무정전 전원 공급 시스템 및 산업 애플리케이션에 사용되고있음
• Full SiC 파워 모듈은 전기차와 충전기에 적용이 확대될 것으로 예상되어 높은 성장 전망
• 화합물 전력 반도체는 작동온도 상한이 500 ~ 600 ℃로 높고 열전도율이 높아 전열면적이 적어도 냉각이 용이해 인버터 소형화 가능
• 또한 송배전용이나 분산 전원용 전력 소자로 화합물 반도체를 적용할 경우 전력 변환 손실을 큰 폭으로 줄일 수 있어 소비전력이 감소하고 주변부품의 생략 혹은 소형화가 가능해 전력변환기의 크기 또한 감소시킬 수 있음
• 기계공학의 정수라 불리우는 F1 자동차 경주차에 화합물 반도체가 보편적으로 사용되고 있음
• 화합물 반도체를 적용하면 부품 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있어 화합물 반도체 적극 활용
• 화합물 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있음
• 화합물 전력 반도체 중 사업성 높은 GaN과 SiC 전력 반도체가 시장 관심을 받고 있으며 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN과 SiC에 집중
• 다만 생산 비용이 Si전력 반도체 대비 높고 공정 개발이 성숙되지 않아 생산성이 떨어짐
• 하지만 전기차 보급 확산으로 시장이 빠르게 성장해 기술이 점차 축적되고 있어 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상
• 2인치 화합물 반도체 웨이퍼 가격이 12인치 실리콘 웨이퍼보다 40배 가량 비싸지만 점차 경제성 확보할 것으로 기대
GaN
• 질화갈륨(GaN)은 우수한 전자 이동성과 강한 파괴 전압, 우수한 열전도 특성을 지니고 있어 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력 과 라디오 주파수(RF)소자에 이상적
• 가전, 통신 하드웨어, 전기자동차를 막론하고 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상이 필요
• 요구조건에 맞추기 위해 새로운 체계의 전력용 반도체 개발이 필수적
• GaN은 2005년 이후로 여러 산업에 상당한 파급효과를 끼쳤음
• GaN은 SiC와 유사한 성능 이점을 제공하지만 비용 절감 가능성은 더 높음
• SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 양산할 수 있기 때문에 가격과 성능 두 마리 토끼를 잡을 수 있음
• GaN은 청색 LED제조에 필수 재료로 사용되고 있어 조명용 백색 LED 상품화에 크게 이바지 하고 있으며 전체 LED의 약 80%가 GaN 기반
• 무선통신 부문에서는 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC)등 고출력 무선 주파수 기기에도 채택
• 전력 반도체는 크게 군수, 무선 통신망, 고전력 및 케이블 TV/위성통신섹터가 주된 사업영역이며 전력 공급 애플리케이션을 담당
• 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터 / 자동차용 DC-DC컨버터 / LIDAR용 드라이버에 사용
• GaN MMIC는 설계의 높은 난이도가 요구되지만 전체적인 생산단가 절감 및 고신뢰성을 바탕으로 한 대량 생산 가능성으로 RF 시스템 각 분야로 빠르게 확산되고 있음
• GaN 트랜지스터를 사용하고 있는 엔드제품 중 최근 가장 빠르게 대량 생산되고 있는 제품은 USB C타입 전원 어댑터와 충전기임
• 휴대폰과 노트북 PC를 빠르게 충전할 수 있음
• 많은 GaN장치는 파운더리 서비스 공급자를 통해 제작되고 있으며 표준 실리콘 웨이퍼에 대한 GaN 상피 결정 성장 및 불륨 증가에 따라 잠재적으로 무제한 생산 용량 확장 또한 가능할 것으로 전망
• GaN은 가격이 비싸고 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있음
• GaN을 구성하는 Ga와 N원자간 내부 전기장이 높고 전자와 정공의 결합에너지가 낮아 양자효율이 떨어짐
• 또한 Al2O3나 SiC기판과 원자간 거리 차이가 커 박막 제조시 결함이 많이 발생하고 이 결함이 소자 수명과 특성을 저해함
• GaN은 결합 후 과잉 전자가 많은 n형 반도체의 특성을 보이기 때문에 정공 수가 많은 p형 반도체로 도핑하는 과정이 까다로움
• 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야함
SiC
• 실리콘과 탄소를 일대일로 결합해 만든 SiC는 탄화규소 또는 실리콘 카바이드로 표현
• 다이아몬드 다음으로 단단한 특성 때문에 반도체 재료보다는 사포나 숫돌 등 연마용 재료로 많이 사용했음
• SiC를 반도체로 이용하려면 약 2,400 ℃ 초고온에서 단결정을 만든 후 얇게 절단 공웨이퍼를 제작해야 함 (기술 난이도 上)
• SiC 반도체는 같은 두께의 실리콘에 비해 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있어 고전압 고열에서 정상 작동 가능
• Si반도체 1/10크기로 동등한 전압 제어 기능을 확보할 수 있어 부피를 줄일 수 있음
• SiC전력 반도체는 기존 재료인 실리콘 대비 10배의 전압과 5배 고열에도 동작 가능해 고전압이 쓰이는 전기차에 적합(600V)
• 가격은 Si 대비 2배 이상이지만 주행거리를 10%이상 늘릴 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리 잡을 전망
• SiC는 Si 보다 밴드갭이 넓어 절연파괴 전압(Breakdown Voltage)이 큰 소자를 제조할 수 있음 (2.86 ~3.2 eV)
• 결국 소자를 얇게 할 수 있으며 도프 농도를 높일 수 있어 온저항(RON)을 줄여 냉각 장치 무게와 부피까지 줄여 연비가 상승
• SiC 전력 반도체 2020년 7억 달러 → 2030년 100억 달러로 연평균 +32% 성장 할 것으로 전망
• 도요타 자동차는 2014년 부터 SiC 전력 반도체를 채용한 하이브리드 자동차를 시범 운용 중
• HV/EV의 모터용 인버터에 SiC 전력반도체를 사용하면 고내열, 고속 스위칭, 고온 동작 등의 장점으로 인해 인버터 고효율화, 저소음, 소형화, 경량화, 공간 절약 등을 기대할 수 있음
• 전기차에 탑재되는 모터 회로 1개 스위치에 2~3개의 IGBT 칩을 병렬로 실장하는데 SiC는 회로에 탑재하는 칩의 개수를 줄일 수 있어 인버 터 소형화와 비용 절감을 가능하게 해줄 수 있음
• 실장 칩 개수를 줄이기 때문에 주변 부품 간소화 가능하며 시스템 경량화 및 소형화 가능
• SiC MOSFET은 2020년 약 3억 2천만 달러 시장을 형성했으며 SiC 전력 반도체 중 가장 빠른 성장세를 보여줄 것으로 기대됨
• Low-Voltage = PFC(Power Factor Corrector), Inverter, 5G 스위칭 전원 등
• Medum-Voltage = 전기자동차의 인버터, UPS
• High-Voltage = Wind Turbines, Rail Traction, 송배전 분야 전력제어
• 현재는 PFC와 태양광용 인버터 분야를 중심으로 사용 확대되고 있지만 향후 전기자동차 분야로 빠르게 확대될 것
• SEMI는 SiC전력반도체 시장이 2024년까지 연평균 +30%성장해 20억달러가 될 것으로 전망
• 24년까지 SiC전력반도체 시장이 20억달러 규모까지 성장할 것으로 전망 (2020년 글로벌 파워반도체 시장 344억 달러) • SiC의 경우 파워반도체(전력반도체)의 형태로만 개발되고 있으며 해외기업이 시장을 선도하고 있음
• 세계 20위권 내 국내 기업 없음
• 전력 반도체용 SiC 소재는 일부 상용화되어 판매되고 있지만 고품질화와 가격 현실화 문제가 남아있음
• SiC는 물성이 뛰어나지만 반도체 제조 시작점인 고품질 단결정 및 박막 제조가 어려워 일부 해외 선진기업만 상용화에 성공
해외기업: Infineon(인피니온), ROHM, On Semiconductor, CREE, II-VI
