1.1 국내 전력기기 시장은 규모가 매우 크며, 수입대체 가속화가 산업 발전의 핵심 주제입니다.

반도체 제품은 집적 회로, 개별 소자 및 기타 범주로 나눌 수 있으며, 그중 반도체 전력 소자는 개별 소자의 중요한 부분을 차지합니다. 집적 회로는 다양한 기본 회로 부품을 작은 칩에 집적하여 다기능 장치를 구성하며, 주로 정보의 처리, 저장 및 변환을 구현합니다. 개별 소자는 단일 기능을 가진 기본 회로 부품을 의미하며, 주로 전기 에너지의 처리 및 변환을 구현합니다. 개별 소자에는 전력 다이오드, 전력 트랜지스터, 사이리스터, MOSFET, IGBT 등이 있습니다. 당사에서 생산하는 MOSFET 시리즈 제품과 IGBT 시리즈 제품은 국내 최고 수준의 기술력을 자랑하는 반도체 개별 소자 제품입니다.

개별 소자 기술의 발전은 하위 부문의 요구에 따라 이루어지며, 성능, 구조, 재료 등의 개선과 반복을 통해 더욱 광범위한 응용 시나리오에 대응합니다. 초기 다이오드와 트랜지스터는 주로 산업 및 전력 시스템에 사용되었고, 사이리스터는 제어성을 향상시켰으며, 파워 MOSFET 및 IGBT와 같은 소자는 고주파 및 저손실 성능에서 상당한 발전을 이루었습니다. 슈퍼정션 MOSFET은 기존의 "실리콘 한계"를 극복하여 고출력 및 고주파 응용 분야의 요구를 충족시켰습니다. 실리콘 기반 소자는 점차 한계에 도달했고, 3세대 반도체 재료인 SiC와 GaN이 실리콘을 대체하기 시작했습니다.

반도체 개별 소자는 전력 전자 제품의 기본 핵심 부품 중 하나입니다. 우리나라의 개별 소자 시장 규모는 270억 위안에 달합니다. 국가통계국 자료에 따르면, 최근 몇 년간 전체 반도체 산업에서 개별 소자 산업이 차지하는 비중은 22%에서 25% 사이를 유지하고 있습니다. 우리나라는 세계에서 가장 중요한 반도체 개별 소자 생산 기지이자 최대 시장입니다. 중국 반도체 산업 협회 자료에 따르면, 우리나라의 2018년 개별 소자 연간 매출액은 266억 위안으로 2017년 대비 7.50% 증가했습니다. 같은 기간 국내 개별 소자 생산량은 747.1억 개에 이르렀습니다.

최근 몇 년 동안 우리나라 반도체 산업에서 수입 대체 추세가 뚜렷하게 나타나면서 수입 규모 증가율이 크게 둔화되었습니다. 중국 반도체산업협회 통계에 따르면, 우리나라의 2018년 반도체 수입액은 28.5억 달러로 2017년과 거의 비슷한 수준입니다. 기술 발전 수준 측면에서 볼 때, 현재 국내 산업의 전반적인 기술 수준은 여전히 ​​국제 선도 수준에 뒤처져 있습니다. 제품 구조는 대부분 저가형 중저가 제품으로 구성되어 있으며, 중고가 제품의 경우 수입 비중이 70% 이상을 차지하고 있습니다.

1.2억 달러 규모의 전력 반도체 시장에서 국내 기기는 중저가형에서 고가형 애플리케이션으로 이동하고 있습니다.

전력 소자는 반도체 개별 소자의 중요한 구성 요소이며, 중국 반도체 개별 소자 시장의 급속한 성장을 이끄는 주요 원동력입니다. 전력 소자는 주로 전력 다이오드, 전력 트랜지스터, 사이리스터, MOSFET, IGBT 등을 포함하며, 컴퓨터, 네트워크 통신, 가전제품, 자동차 전자제품, 산업 전자제품 등 거의 모든 전자 제조 산업에 사용됩니다. 또한, 신에너지 자동차/충전기, 스마트 기기 제조, 사물 인터넷, 태양광 에너지와 같은 신흥 응용 분야가 반도체 전력 소자의 중요한 응용 시장으로 부상하면서 수요 증가를 견인하고 있습니다.

국내 전력 반도체 시장 규모는 1,000억 위안에 달하며, 세계 10대 기업은 해외 대기업들이 독점하고 있습니다. IHSMarkit의 최신 통계에 따르면, 세계 전력 소자 시장 규모는 2018년 약 39.1억 달러였으며, 2021년에는 44.1억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 현재 국내 전력 반도체 산업은 꾸준히 발전하고 있습니다. 세계 최대 전력 반도체 소비국인 중국의 시장 수요는 2018년 13.8억 달러에 달해 전 세계 수요의 35%를 차지했으며, 2021년에는 15.9억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다.

중국 전력 반도체 시장의 3대 주요 제품은 전력 관리 IC, MOSFET, IGBT이며, 2018년 기준 중국 전체 전력 반도체 시장에서 각각 60.98%, 20.21%, 13.92%의 비중을 차지했습니다. 전력 MOSFET 및 IGBT 시장은 2016년부터 2018년까지 각각 연평균 15%와 12%의 성장률을 기록하며 빠르게 성장하고 있습니다.

전력 MOSFET 및 IGBT 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 신에너지 자동차가 하위 응용 분야의 주요 성장 동력입니다. Yole의 데이터에 따르면 IGBT 및 MOSFET 응용 분야에서 가장 중요한 두 분야는 신에너지 자동차와 산업입니다. 2023년 신에너지 자동차 시장 규모는 3.7억 달러, 산업 시장 규모는 2.5억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 산업 자동화 분야의 서보 모터 인버터, 신재생 에너지 태양광 인버터 및 풍력 변환기, 그리고 전기 자동차 모터 및 충전소 관련 설비용 인버터의 폭발적인 성장에 힘입어 자동차 및 산업 시장은 전력 반도체 산업에서 가장 빠르게 성장하는 두 분야가 될 것이며, 연평균 복합 성장률은 각각 8.2%와 3.8%에 이를 것으로 전망됩니다.

1.3 새로운 응용 분야는 산업 발전에 기여하고, 넓은 밴드갭 소재는 기술 확장 방향을 더욱 풍부하게 합니다.

1.3.1 신에너지 자동차는 수백억 달러 규모의 추가 시장을 창출할 것으로 예상됩니다.

전통적인 자동차가 새로운 에너지원으로 전환됨에 따라 전력 반도체 산업의 발전이 촉진되었습니다. 신에너지 자동차 시장은 초기에는 정책에 의해, 후기에는 시장 가격에 의해 주도됩니다. 주요 선진국들은 전기 자동차 개발을 가속화하기 위해 자동차 이산화탄소 배출량 감축 시한을 수립했습니다. 유럽연합은 2030년까지 이산화탄소 배출량을 37.5% 감축할 것으로 예상하고 있으며, 주요 자동차 생산국들은 내연기관 차량 판매 중단 계획을 수립하고 있습니다. 향후 10년 동안 여러 지역에서 정책적 강화와 시장 전환을 통해 전통적인 자동차 시장 점유율의 일부를 점진적으로 대체할 것입니다.

차량 전동화 추세와 전기차 시장 점유율 증가로 자동차용 전력 반도체 시장 수요가 급증하고 있습니다. 시동/정지 기능만 사용하는 마이크로 하이브리드 모델부터 에너지 회수 및 온보드 충전이 필요한 완전 전기차에 이르기까지 자동차 전동화 정도가 점차 높아짐에 따라 전력 소자에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 전기차용 전력 반도체 소자는 주로 모터 인버터, DC/DC 컨버터, 보조 구동 장치, 온보드 충전 인버터 및 차량 배터리 관리 IC를 포함합니다.

차량을 내연기관 차량, 플러그인 하이브리드 차량, 순수 전기차로 분류하고 부품 비용 비율을 비교해 보면, 플러그인 하이브리드 차량과 순수 전기차에 전기 시스템이 동력원으로 도입됨에 따라 전자 제어 시스템의 비용 비중이 크게 증가한 것을 알 수 있다. 기존 내연기관 차량의 전력 부품 소비량은 대당 약 50달러인 반면, 전기차의 전력 부품 소비량은 48V 마일드 하이브리드 차량의 대당 75달러에서 순수 전기차의 대당 455달러까지 증가했다.

산업정보부의 에너지 자동차 산업 계획에 따르면, 신에너지 자동차 판매량은 2025년 전체 판매량의 25%, 2030년에는 40%를 차지할 것으로 예상됩니다. 자동차 시장 전체의 성장률은 연평균 1~2%로 저조하지만, 정책적 지원에 힘입어 보급률은 가속화될 것으로 전망됩니다. 중국의 신에너지 자동차 판매량은 2025년 640만 대, 2030년 1,100만 대에 이를 것으로 추산됩니다. 신에너지 자동차는 기술 사양에 따라 플러그인 하이브리드(PHEV)와 순수 전기차(EV)로 구분됩니다. 현재 전기차는 전체 자동차 판매량의 약 80%를 차지하고 있으며, 향후 85%까지 증가할 것으로 예상됩니다. 단기적으로는 코로나19 팬데믹으로 인해 시장이 압박을 받고 있지만, 중장기적으로는 국내 신에너지 자동차 시장이 급속한 성장기에 접어들 것으로 전망됩니다. 향후 10년간 연평균 복합 성장률은 25.3%에 달할 것으로 추산됩니다.

각 차량 모델마다 차이가 크기 때문에 순수 전기차(EV)의 경우 A00 등급부터 C등급 차량까지 전력 공급 장치 사용량이 증가할 것으로 가정했습니다. 해당 전력 공급 장치의 가격은 차량당 800위안, 1000위안, 3000~3500위안으로 가정했습니다. 플러그인 하이브리드차(PHEV)는 연료 시스템에 전기 시스템이 연결되어 있으므로 전력 공급 장치 소비량은 차량당 2,100위안으로 가정했습니다. 계산 결과, 중국 신에너지 자동차 전력 공급 장치 시장의 성장 잠재력은 2025년 16억 위안, 2030년 27.5억 위안에 달할 것으로 예상됩니다.

1.3.2 신에너지 자동차 지원 인프라 충전소

"충전기 + 신에너지 자동차"는 "기존 내연기관 자동차 + 주유소"와 유사한 관계입니다. 충전소 건설은 신에너지 자동차 보급과 조화를 이루어야 하며, 그렇지 않으면 차량 대비 충전소 비율이 불균형해집니다. 충전소는 인터페이스 유형에 따라 교류 저속 충전과 직류 고속 충전으로 나눌 수 있습니다. 직류 충전소는 출력 전력이 높고 전력 반도체 소자의 소비 전력이 교류 충전소보다 높기 때문에 향후 산업 발전의 주요 방향이며, 이는 전력 반도체 시장의 조화로운 발전을 주도할 것으로 예상됨을 의미합니다.

우리나라 전기차 충전소 시장의 현황 및 미래 전망은 다음과 같습니다. 1) 현재 충전 차량 대비 충전소 비율은 약 3:1이며, 향후 2:1까지 감소할 것으로 예상됩니다. 2) 대부분의 개인용 충전소는 AC 충전 방식을 채택하고 있습니다. 고정된 주차 공간이 없거나 부동산 관리에 어려움을 겪는 차량 소유자들이 많기 때문에, 향후 공공 충전소가 주류가 되고 개인용 충전소는 고정된 주차 공간을 보유한 개인 차량 소유자에게만 제한적으로 사용될 것으로 예상됩니다. 3) 공공 충전소는 충전 방식에 따라 DC와 AC로 구분됩니다. 현재 공공 충전소의 AC/DC 비율은 약 6:4입니다. 고출력 DC 충전 비용이 점차 감소함에 따라, 향후 AC/DC 비율은 1:1에 가까워질 것으로 예상됩니다.

공공 충전소는 빠르게 발전하고 있으며, 직류(DC) 충전 방식과 교류(AC) 충전 방식으로 나눌 수 있습니다. 그중 직류 충전 방식이 향후 가장 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다. 현재 공공 직류 충전소와 교류 충전소의 비율은 4:6이지만, 2030년에는 1:1이 될 것으로 전망됩니다. 계산에 따르면, 공공 직류 충전소의 수는 2025년에 2.1만 개, 2030년에는 7.5만 개에 이를 것으로 예상됩니다.

직류(DC) 충전은 고출력 충전 방식을 사용합니다. 이 시스템은 일반 교류(AC) 방식보다 더 많은 전력 반도체를 사용하며, 특히 IGBT에 대한 수요가 매우 높습니다. 비용만을 가정하여 공공 DC 충전소의 전력 소자 수요 규모를 계산해 보면, 2020년부터 2025년까지 누적 시장 수요는 약 14억 위안, 2025년부터 2030년까지는 약 40억 위안에 달할 것으로 예상됩니다. 향후 10년간 DC 충전소 건설에 필요한 전력 소자 수요는 50억 위안을 넘어설 것으로 전망됩니다.

1.3.3 재생에너지 발전

태양광 발전은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력망에 공급하는 과정입니다. 이 시스템은 태양 전지, 배터리 및 제어 장치로 구성됩니다. 태양광 발전 과정에서 생성되는 전기는 직류(DC)이므로, 전력망에 연결하기 전에 직류를 전력망 요구 사항에 맞는 교류(AC)로 변환하기 위해 태양광 인버터가 필요합니다. 태양광 인버터는 전체 태양광 발전 시스템의 핵심 구성 요소이며, 그중에서도 IGBT는 태양광 인버터의 핵심 소자입니다. 태양광 인버터는 크게 두 가지 기능을 수행합니다. 1) 직류를 교류로 변환하여 전력망에 연결합니다. 2) 태양광 발전 시스템의 에너지 변환 효율을 향상시키고 최적화합니다. 인버터 토폴로지 선택은 정격 출력에 따라 달라집니다. 고전압 및 고출력 태양광 인버터는 다단계 토폴로지를, 중출력 태양광 인버터는 풀브리지 및 하프브리지 토폴로지를, 저출력 태양광 인버터는 포워드 및 플라이백 인버터 토폴로지를 채택할 수 있습니다.

태양광 발전 기술은 비용 절감 가능성이 크고 기술 발전 속도가 빠르며 산업화 가능성이 높아 미래에 발전시켜야 할 주요 저비용 청정에너지 발전 방식 중 하나입니다. 2019년 중국의 신규 태양광 발전 설비 용량은 30GW에 달했습니다. 중국 태양광 산업 발전 로드맵에 따르면 향후 5년간 신규 설비 용량의 연평균 복합 성장률은 약 9.9%로 추산됩니다. 2025년에는 신규 설비 용량이 보수적으로 65GW, 낙관적으로는 80GW에 이를 것으로 예상됩니다.

경제적 이익을 극대화하기 위해 태양광 발전소의 설계 용량비는 점차 증가하고 있습니다. 초기에는 태양광 시스템을 1:1 용량비로 설계했지만, 기술 혁신에 따라 용량비를 높이면 인버터의 운영 효율과 발전소의 수익성을 향상시킬 수 있습니다. 태양광 인버터 교체 주기를 10년으로 가정할 때, 연간 태양광 인버터 수요는 주로 신규 설치 및 해당 연도의 교체로 구성됩니다. 이러한 가정을 바탕으로 2025년 중국의 태양광 인버터 시장 수요는 75GW에 달할 것으로 추정합니다.

태양광 인버터는 일반적으로 중앙집중형, 스트링형, 분산형의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 규모의 경제 효과로 인해 중앙집중형의 단가는 스트링형보다 상대적으로 낮습니다. 기술이 성숙되고 대량 생산이 확대됨에 따라 단가는 더욱 하락할 것으로 예상됩니다. 중국전력산업협회(CPIA)의 예측에 따르면, 2019년 국내 태양광 인버터의 가중평균 단가는 약 0.2위안/와트였으며, 2025년에는 0.15위안/와트까지 하락할 것으로 전망됩니다. 전력 모듈 및 개별 소자 비용이 전체 비용의 9~10%를 차지한다고 가정할 때, 중국의 태양광 인버터용 전력 반도체 수요는 2019년 약 3억 9천만 위안, 2025년 약 9억 6천1백만 위안으로 추산됩니다. 향후 5년간 누적 국내 수요는 약 50억 위안에 달할 것으로 예상됩니다.

1.3.4 고성능에 대한 수요가 3세대 소재의 산업화를 가속화하고 있다.

3세대 소재는 넓은 밴드갭, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 우수한 광전자 특성, 고속, 고주파, 고출력, 고온 내성 및 높은 방사선 내성 등의 특성을 지니고 있어 광전자, 무선 주파수 및 전력 전자 분야에서 큰 발전 잠재력을 가지고 있습니다. 현재 실리콘 기반 반도체 소재는 물성상의 한계로 인해 물리적 한계에 근접해 있습니다. 이에 따라 3세대 화합물 반도체 소재가 빠르게 산업화 단계에 진입하고 있습니다. SiC와 GaN으로 대표되는 넓은 밴드갭 반도체 소재의 제조, 생산 공정 및 소자 물리적 특성이 급속도로 발전하고 있습니다. SiC는 고온 내성, 고주파, 고출력 및 고전압 특성을 지니고 있어 태양광 인버터, 신에너지 자동차, 배터리 등 고전압 및 구동 분야에 주로 사용됩니다.

GaN은 고주파수에서 더 높은 출력과 더 작은 면적을 가지며 주로 무선 주파수 분야에 사용됩니다. GaN은 중저전압 분야에서 전력 관리, 발전 및 출력 향상과 같은 응용 분야를 크게 개선할 것으로 기대됩니다. GaN 전력 시장은 고속 충전에 의해 주도되고 있습니다.

신에너지 자동차, 5G, 소비자 가전 등 하류 부문의 강력한 수요에 힘입어 전 세계 SiC 및 GaN 소자 시장은 향후 몇 년간 25~40%의 높은 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다. ASIACHEM Consulting의 추산에 따르면, SiC 전력 소자 시장은 2019년 약 5억 달러 규모에서 2025년에는 3.5억 달러 규모로 성장할 전망입니다. 2019년 GaN RF 소자 시장은 약 6억 4,200만 달러, GaN 전력 소자 시장은 약 9,000만 달러 규모였으며, 2025년에는 RF 소자 시장이 30억 달러를 넘어설 것으로, 전력 소자 시장은 4억 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다.

1.4 국내 전력기기 산업이 황금기에 접어들었으며, 선도 기업들이 가장 먼저 혜택을 보고 있다.

시장 수요, 정책, 인재, 자본, 기술 등 여러 요인에 힘입어 국내 전력 반도체 산업은 향후 3~5년 내에 황금기를 맞이할 것으로 전망됩니다. 기술 격차 해소, 산업화 계획의 진행 상황, 외부 요인의 영향 등 다양한 관점에서 분석하더라도 전력 반도체는 가까운 미래에 국내 생산으로의 대체가 가장 빠르게 진행될 분야 중 하나입니다. 외부 환경의 영향이 상대적으로 적은 상황에서 기술 격차 축소와 생산 능력 확대는 수입 대체 추세를 뒷받침해 왔습니다. 현재 국내 전력 소자는 중저가 제품을 빠르게 대체하고 있으며, 향후 중고가 영역까지 그 범위를 확대해 나갈 것입니다.

전력 소자 산업 전체에는 크게 네 가지 발전 추세가 있습니다.

(1) 산업 집중도가 증가하고 내생적 + 확장적 발전 추세가 나타나고 있다. 현재 이산기기 산업의 해외 주요 제조업체들이 세계 시장의 절반을 점유하고 있으며 이러한 양상은 안정적이다. 국내 산업은 소규모, 대규모, 분산된 형태를 보이며 단일 기술과 제품에 집중되어 있다. 국내 산업 발전의 필연적인 추세는 핵심 경쟁 우위를 가진 소수의 기업들이 지속적인 기술 축적과 독립적인 혁신을 통해 제품 인지도와 시장 점유율을 확대하고 제조 및 포장 단계까지 진출하는 것이다.

(2) 신규 시장의 높은 성장률 외에도 국내 기업은 잠재적으로 큰 수입대체 공간의 혜택을 받을 것으로 예상됩니다. 최근 우리나라는 중고가 제품 분야에서 빠르게 발전해 왔지만, 중고가 제품 시장은 아직 개방되지 않았습니다. 앞으로 이 산업에서 뛰어난 국내 기업들은 지리적, 기술적, 비용적 이점을 바탕으로 더 많은 발전 기회를 얻게 될 것입니다.

(3) 제품 성능 요구 사항은 모듈화 및 통합 개발을 주도합니다. 개별 소자 산업의 발전은 수요에 의해 주도됩니다. 더 높은 전력 변환 효율, 안정성, 고전압, 고전력 및 복잡성에 대한 요구를 해결하기 위해 조립 모듈화 및 통합이 기술 개발의 주류 추세가 되었으며 설계가 더욱 어려워졌습니다.

(4) 신흥 광대역 밴드갭 소재는 산업화 초기 단계에 있어 국내가 따라잡기가 상대적으로 어렵습니다. SiC와 GaN으로 대표되는 광대역 밴드갭 소재는 기존 실리콘 소자의 성능 한계를 뛰어넘는 장점을 가지고 있어 매우 전략적이고 미래지향적입니다. 기술적 장벽은 소재 제조에 있으며, 국내외 기술 격차는 꾸준히 좁혀지고 있습니다.

출처: 핵심 산업 관찰

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