[필독] 반도체 산업 리포트 : 전력반도체 1년간의 발자취, Value-Chain 총정리 (1)

 

 

 

 

전력반도체 - 1년간의 발자취, Value-Chain 총정리 (신한투자증권)

 

 

 

1년간의 발자취, 전력반도체 성장 그림 재확인
지난 전력반도체 인뎁스 자료(‘전력반도체, 전기차 타고 전력질주’, 21.10.05)를 통해 산업의 성장 배경과 기울기 등에 대해 분석ㆍ제시했다. 이후 약 1년동안 확인된 실제 산업 동향은 예상 이상으로 긍정적이다. 웨이퍼부터 칩까지 중장기 성장 방향성에 대한 기대감은 여전히 유효하다는 판단이다.


핵심 적용처, 글로벌 전기차향 침투율 확대 중
전력반도체의 주요 적용처인 전기차 내에 채택되는 SiC 전력반도체의 탑재ㆍ침투율은 의미있는 수준으로 확대되고 있다. 당초 지난해 예상했던 것보다 실제 글로벌 완성차 업체들의 채택 결정이 활발하다. 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 예상 대비 가파른 시장 성장이 확인될 가능성이 높다. 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
글로벌 선도 SiC 웨이퍼 제조사들은 전방 고객사와의 장기공급계약을 기반으로 생산능력 확대를 계획 중이다. 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 & RF머트리얼즈 제시
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.

이에 KEC와 RF머트리얼즈를 관심종목으로 제시한다. 특히 RF머트리얼즈의 경우 Wolfspeed향 매출 확대를 통한 단기 실적 매력도가 높다는 점을 주목한다.

 

 

 

전력반도체 시장 동향 및 전망

 

전력반도체 시장 개요(Summary)

 

1) 전력반도체는 전자기기에 들어오는 전력을 다루는 역할을 수행하는 반도체이며, 세부적인 역할은 변환 및 변압, 분배 및 제어임.

 

2) 가장 대표적인 적용처는 모터가 탑재되는 제품이며, 모터의 회전 속도를 컨트롤하기 위해 MCU가 인버터에 명령을 전달하고 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어ㆍ변환함.

 

3) 이 때 인버터에 필요한 부품이 전력반도체이며, 반도체의 성능에 따라 모터의 전력 손실이 줄어들고 효율적인 동력 전달이 가능함.

 

4) 생활/산업용 전기 제품들 대부분에 모터가 들어가며, 세계 전력의 약 50%가 모터를 돌리기 위해 사용될 정도로 관련 시장은 광범위함.

 

5) 미래의 대표적인 모터 제품은 로봇이 될 예정이며, 로봇청소기, 산업용 로봇 등 빠르게 시장이 확대되고 있음.

 

6) 로봇은 세밀하게 움직이기 위해 모터 필요량이 갈수록 증가하며, 전력반도체의 필요량도 늘어날 수 밖에 없음.

 

 

 

주요 적용처(전방 산업)

 

1) 전력반도체 시장은 지속적으로 성장하고 있으며, 시장을 개화시킨 초기 성장의 주요 적용처는 가전, 스마트폰, 자동차 등임.

 

2) 명확한 Q(탑재 개수 및 전방 산업 침투율)의 증가를 통해 성장한 시장이며, 이는 전력 효율화 니즈 증가, 제품 편의사항 증가 덕분이었음.

 

3) 전자기기 내에서 전력을 공급하고 배분하는 과정에서 필연적으로 전력 손실이 발생하며, 이를 컨트롤하는 것이 전력반도체임.

 

4) 모바일 기기의 배터리 사용시간 증가 등 전력 효율화에 대한 니즈가 증가했으며, 전력반도체의 중요도가 지속 증가했음.

 

5) 냉장고의 디스플레이 탑재가 대표적이며, 과거 냉장/냉동 기능만을 하던 것과 달리 최근의 냉장고는 새로운 전력 배분처가 생겼고 과거대비 전력반도체의 탑재 개수가 증가했음.

 

6) 이는 냉장고 뿐만 아니라 차량 내에서도 여타 백색가전, 자동차, 모바일 기기에서도 확인되는 현상임.

 

7) 향후 폭발적인 시장 성장을 이끌 적용처는 친환경과 4차 산업혁명과 관련있으며, 전력반도체 시장 전반의 영역 확대(Q↑)가 예상됨.

 

 

 

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

 

1) 전기차: 내연기관차에서 전기차로의 전환이 글로벌 주요 제조사들에게서 보여지는 트렌드이며, 친환경 차량에서 전력반도체의 신규 적용이 가능한 영역은 크게 총 3가지임.

 

2) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU): 기존 내연기관차와 전기차의 차이는 동력 발생원이며, 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어함.

 

3) 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변환해주는 인버터가 필요하며, 모터 구동 외에 전장 시스템을 위해서도 전력 변환이 필요함.

 

4) 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용하며, 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요함.

 

5) 내ㆍ외부 충전장치: 전기차에는 OBC(On Board Charger)가 탑재돼 있으며, 완속 충전시 외부의 교류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 직류 전기로 바뀌어 충전됨.

 

6) 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 그대로 자동차 배터리에 충전하는 방식이며, OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력 반도체가 탑재됨.

 

 

7) V2G(Vehicle To Grid): 향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상되며, 움직이는 ESS로서 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할 수 있음.

 

8) 이 경우, 교류↔직류 양방향의 전력 변환이 필요함.

 

9) 신재생 에너지: 현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이며, 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정임.

 

10) 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요함.

 

11) 태양광 발전설비: 태양광 모듈과 인버터로 구성되어있으며, 태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 직류로 PCS로 불리는 인버터가 교류 전력으로 변환시킴.

 

12) 풍력 발전설비: 풍력에서 생산되는 전력도 직류이며, 인버터를 통해 교류 전력으로 변환되고 태양광과 마찬가지로 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성됨.

 

 

13) ESS: 전력 저장에 대한 필요성이 커지고 있으며, 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요함.

 

14) ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생되며, ESS에도 PCS 인버터가 존재함.

 

 

소재의 전환, SiC와 GaN을 주력으로 한 차세대 시장 확대

 

1) 앞서 정리한 전력반도체 시장의 폭발적인 성장 동력인 전기차, 신재생에너지, 서버 등의 공통점은 구동 환경이 거칠다는 점임.

 

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

 

3) 이에 대한 대안으로 물리적 특성이 우수한 SiC와 GaN 반도체가 적용되기 시작했으며, 아직 미미하나 이미 적용처별 침투율은 확대되고 있음.

 

 

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

 

5) P의 증가: 기존 Si 전력반도체를 사용하던 영역에서, 전력 효율성을 추가로 개선시키기 위해 SiC로 대체하려는 시도가 증가하고 있음.

 

6) SiC와 GaN 등 차세대 전력반도체는 기존 Si 전력반도체 대비 판매단가가 우수함.

 

7) Q의 증가: 향후 전력반도체의 성장을 이끌 주요 전방 수요처는 기존 수요처 대비 탑재량이 증가함.

 

8) 기존 내연기관차에서는 없던 전기차의 EPCU, OBC 등이 대표적이며, 신규 영역은 SiC와 GaN이 사용될 전망임.

 

 

 

SiC와 GaN 채택 확대의 제약이 사라진다

 

1) SiC와 GaN 반도체에 대한 채택 필요성은 지속 확대 중이며, 그동안 전환이 더뎠던 이유는 Si 대비 가격이 비싸기 때문이었음.

 

2) 제품을 양산하는 고객 입장에서 성능 못지 않게 우선적으로 고려되는 점은 경제성이며, 현시점 에서 SiC, GaN으로의 전환을 더디게 한 장애물은 해결됐다고 판단됨.

 

3) SiC 전력반도체의 원재료인 SiC 웨이퍼 가격이 과거 대비 감소했으며, 4인치 기준, 웨이퍼 가격은 과거 시장 초기 1,500만원 수준에서 현재 50만원 수준으로 감소함.

 

4) 실제 테슬라 모델3 인버터에 적용된 SiC 모듈을 보면 Si 대비 효율은 최대 10배 증가하고 부피는 43% 감소, 무게는 6kg 감소했음.

 

5) SiC가 고열에서도 견딜 수 있어 열 배출을 위한 쿨링 시스템 등이 빠질 수 있기 때문이며, 이 경우 단일 칩으로는 Si < SiC 이지만 완제품인 모듈 가격은 큰 차이가 발생하지 않을 수 있음.

 

 

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

 

1) 가전: Infineon의 일반 소비자(가전 등)향 GaN 제품 적용처가 20년 2개 → 22년 6개 로 확대됐으며, 기존 충전기, 오디오 외에 주요 가전, TV, PC 등에서도 GaN 전력 반도체가 채택되고 있음.

 

 

2) 전기차: 글로벌 전기차 판매량 중 SiC 채택 모델의 판매량이 차지하는 비중(침투율)은 18년 38%에서 22년 70%로 급증했음.

 

3) 다만 자동차 특성상 모델 당 여러 개의 트림으로 나뉘고 현재는 상위 트림 위주로 SiC를 적용하고 있어, 실제 침투율은 계산 수치 대비 낮아질 가능성이 있음.

 

 

4) 그럼에도 SiC 채택을 결정하는 완성차 업체들이 늘고 있고, 점진적인 적용 트림 확대 움직임이 확인되고 있다는 점에서 글로벌 침투율은 지속 확대될 것으로 예상됨.

 

5) 대표적으로 테슬라를 통해 관련 흐름을 예측해 볼 수 있으며, BYD도 23년까지 기존 Si IGBT(전장용)를 SiC 전력반도체로 모두 교체 예정임.

 

 

 

SiC 전력반도체 시장규모 전망

 

1) SiC는 여전히 초기 시장이며, 주요 적용처 중 현재 가장 유의미한 동향은 전기차에서 확인되며, 신재생 분야, 서버, 로봇 등에서는 아직 구체적인 채택 수준을 확인하기 어려움.

 

2) 지난 자료에서 추정했던 전기차향 글로벌 SiC 시장규모는 21년 2조원에서 25년 17조원이었음.

 

3) 금번 추정에서는 당초 가정대비 전기차 전망치 상향과 침투율(채택율) 상향을 반영했으며, 이 경우 25년 시장규모는 19조원으로 전망됨.

 

4) 예상보다 빠르게 완성차 업체들의 SiC 채택(침투율)이 확대되고 있으며, 24년, 25년으로 갈수록 추정치를 상회하는 시장규모가 형성 될 가능성이 높다고 판단됨.

 

 

 

 

전력반도체 Value-Chain A to Z

 

Value-Chain 구분

 

1) 전력반도체 제조 산업은 크게 웨이퍼와 칩(완제품)으로 구분할 수 있으며, 일반적인 메모리/비메모리 반도체와 동일함.

 

2) 이는 Si와 SiC에서 공통적인 점이나, 세부 산업구조 측면에서 Si와 SiC는 차이점이 존재함.

 

3) 특히 웨이퍼를 중심으로 뚜렷하게 확인되며, 칩 제조사들의 경우 글로벌 주요 비메모리 업체들이 Si 전력반도체에 이어 SiC 전력반도체에서도 경쟁력을 이어가려 노력 중임.

 

4) 그러나 웨이퍼의 경우 기존 Si 웨이퍼 제조사들은 한국의 SK실트론을 제외하고 SiC 웨이퍼 제조 사업을 영위하고 있지 않음.

 

5) 새로운 Value-Chain 형성 과정 중 웨이퍼 산업 내에서 눈에 띄는 변화가 발생하고 있으며, SiCㆍGaN 전력반도체 시장은 소수의 선도업체들이 대부분 점유율을 장악하고 있음.

 

6) 20년 기준 6인치(150mm) 이상 SiC 웨이퍼 제조가 가능한 제조사는 Wolfspeed, Coherent, Sicrystal, SK실트론으로 총 4개 사업자가 유일했음.

 

7) 현 상위 제조사들의 과점 형태가 지속될 가능성이 높음.

 

 

 

SiCㆍGaN에서의 변화 – ① 잉곳의 변화 & ② Value-Chain 세분화

 

1) 잉곳의 변화 Si 전력반도체에 사용되는 웨이퍼는 Si 기반의 잉곳에서 만들어졌으나, SiC 웨이퍼는 동일한 Si 기반의 잉곳에서 만들어지지 않음.

 

2) Si와 C(탄소) 물질을 녹여 결합해 만든 잉곳에서 추출하며, 기존 Si 잉곳 제작과는 다른 새로운 기술이 필요하고 Si와 마찬가지로 SiC 관련 기술은 국가에서 보호하고 있음.

 

3) 새로운 제조사가 진입하기 위해서는 해당 기술을 새로 확보해야함.

 

 

4) Value-Chain 세분화 전력반도체를 포함한 비메모리 칩은 메모리와 달리 사용하는 순수 웨이퍼 형태로 사용되지 않음.

 

5) 순수 웨이퍼 위에 Epi 층을 씌운 웨이퍼가 사용되며, 기존 Si 대비 SiCㆍGaN에서 향후 Epi 관련 공정의 중요도가 확대될 전망임.

 

6) 이와 함께 Epi 공정만을 따로 담당하는 Epi 전문 하우스 Value-Chain이 이전대비 확대될 가능성이 높음.

 

 

 

Epi Value-Chain 확대

 

1) Wolfspeed 등 웨이퍼 제조사들은 자체적으로 Epi 공정까지 진행이 가능하며, 별도의 Epi 하우스에 대한 외주 비중이 작지 않을 수밖에 없는 이유는 SiC 라는 물질의 특성 때문임.

 

2) 기존 Si 웨이퍼는 반도체 성질을 갖추도록 만드는데 추가 과정이 필요하지 않았으며, 실리콘 단원소 물질이기 때문에 이온 주입을 통한 도핑농도 조절이 가능함.

 

3) 그러나 SiC 웨이퍼는 다르며, SiC는 두개의 원자가 결합된 형태로 결정질 강도가 다이아몬드 수준에 달하고 이는 이온 주입이 불가능하다는 것을 의미함.

 

4) 그래서 SiC 웨이퍼는 반도체 성질을 갖출 수 있도록 외부에 별도의 레이어를 씌워주는 공정이 반드시 필요하며, SiC 웨이퍼 제조사들은 기본적으로 Epi 공정까지 직접 처리할 수 있음.

 

5) 다만 비메모리의 한 종류인 전력반도체는 다품종인 만큼, Epi 공정 역시 적용처별, 고객사별 커스터마이징이 요구됨.

 

6) 자원 효율화, 리스크 분배 등의 목적으로 SiC 웨이퍼 제조사들은 Epi 전문 하우스 활용 비중을 확대할 것으로 예상됨.

 

7) 더불어 GaN 물질을 다룰 수 있는 기술력을 기반으로 Epi 처리가 가능한 전문 하우스 역시 성장세가 기대되며, SiC 대비 GaN 반도체는 기술적 난이도가 상대적으로 좀 더 높음.

 

8) GaN on GaN 등의 반도체는 아직 이론으로만 확인되나 향후 실제 제품으로 구현을 위해 준비되고 있는 단계이며, 시장 개화와 함께 관련 Value-Chain이 부각될 수 있음.

 

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

 

10) 현재는 SiC 와 GaN 반도체는 적용처가 나뉘고 있으나 물리적 특성이 유사하다는 점을 감안 시 GaN 반도체도 전기차에 사용될 수 있음.

 

 

 

기존 Top-Tier 비메모리 업체들의 경쟁력 지속

 

1) Si 전력반도체에서 높은 점유율을 차지하고 있는 글로벌 선도 비메모리 업체들이 차세대(SiCㆍGaN) 전력반도체에서도 앞서가고 있음.

 

2) 이 외에 Wolfspeed와 같은 SiC 웨이퍼 제조사들도 칩 사업까지 함께 영위하고 있으며, 기존 선도 비메모리 업체들과 두각을 나타내고 있는 상황임.

 

 

3) 선도 업체들의 매출처별 비중을 보면 전장, 산업향 비중이 높고 가전향 비중은 상대적으로 낮으나, 후발 업체들의 경우 가전향 제품 공급을 먼저 진행 중이며 가전향 매출 비중이 높음.

 

4) Si와 SiCㆍGaN 모두 동일하게 가전향 대비 전장 및 산업향에서 이익률이 높기 때문에 궁극적으로 전장 및 산업향 매출을 확대시 키려고 계획 중임.

 

 

 

수직계열화 집중

 

1) 현재 선도업체들의 공통적인 특징은 웨이퍼 제조와 칩 제조를 수직계열화 하고 있다는 점이며, SiC의 경우 칩 대비 웨이퍼에서 독과점력이 더 강함.

 

 

2) SiC 웨이퍼를 생산할 수 있는 업체는 소수이며, 높은 진입장벽과 타이트한 수급 상황을 감안할 때 현 상황이 지속될 가능성이 높음.

 

3) 칩 제조사 대비 웨이퍼 제조사 입장에서 Value-Chain 수직계열화 완성이 더 유리하며, 칩 제조사가 웨이퍼까지 확대하고 있는 경우는 현재 ST Microelectronics, Onsemi가 유일함.