고속 충전 시장에 희소식이 끊이지 않고 있습니다. 1월 27일 발표된 애플의 2021년 1분기 재무 보고서에 따르면, 아이폰 12의 강력한 수요에 힘입어 1분기 아이폰 매출이 전년 동기 대비 17% 증가한 65.6억 달러라는 사상 최고치를 기록했습니다. 아이패드 매출은 40% 급증했고, 맥 매출은 12월 최고 기록을 경신했습니다. 애플은 올해 상반기에만 9천만 대 이상의 모바일 기기 공급망 주문을 확보했습니다. 애플 분석가인 밍치궈는 언론과의 인터뷰에서 애플이 올해 새로운 아이폰과 맥북을 출시할 때 2~3개의 새로운 질화갈륨 충전기를 함께 선보일 가능성이 높으며, 이는 질화갈륨 산업 사슬의 성장을 견인하는 원동력이 될 것이라고 전망했습니다.

IDC는 2021년 5G 스마트폰 시장의 성장 잠재력이 매우 클 것으로 예측하며, 시장 규모가 2020년 약 200억 대에서 5억 대로 두 배 증가할 것으로 전망했습니다. 샤오미, 비보, 화웨이는 잇따라 500G 플래그십 스마트폰용 질화갈륨 충전기를 출시했습니다. 올해는 코로나19 팬데믹이 완전히 종식되지 않은 상황에서 재택 학습과 온라인 근무가 확산되면서 노트북 시장이 성장세를 보였고, 이에 따라 더 빠르고 효율적이며 가벼운 노트북 충전이 가능한 질화갈륨 충전기에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

올해 질화갈륨 충전기 시장은 발전의 변곡점을 맞이했을까요? 20W, 65W, 100W 질화갈륨 충전기가 잇따라 출시되었습니다. 어떤 제품이 시장의 주류가 될까요? 질화갈륨 칩 제조업체는 단말기 제조업체의 고속 충전 제품 출시를 어떻게 지원하고 있을까요? 질화갈륨 고속 충전 생태계는 어떻게 발전하고 있을까요? 최근 소비자 경험을 바탕으로 나노스 반도체 영업 이사 리원후이, 이노섹 마케팅 이사 저우웨이, 제품 응용 관리자 저우옌보, 니트로실리콘 테크놀로지 영업 관리자 우신을 인터뷰하여 업계의 최신 시장 동향과 기술 솔루션 분석에 대한 통찰력을 얻었습니다.

질화갈륨 충전기 시장은 언제 변곡점에 도달할까요?

2018년, 나노비 반도체는 최초로 질화갈륨(GaN) 고속 충전 기술을 시장에 선보였습니다. 2020년, 업계 관계자들은 모바일 기기 시장의 거대한 잠재력을 확인했습니다. 100개 이상의 GaN 고속 충전기가 양산되어 시장에 출시되었습니다. GaN 기술은 전기 자동차, 5G, 데이터 센터, 태양 에너지 등 고출력 시장에 진출했습니다.

나비타스 반도체는 올해 1월 26일, 칩 출하량이 신기록을 세웠다고 공식 발표했습니다. 1,300만 개 이상의 질화갈륨(GaN) 전력 IC를 성공적으로 공급했으며, 불량품 발생 건수는 0건에 달했습니다. 이는 전 세계 모바일 가전 시장에서 모바일 기기 및 관련 장비의 고속 충전을 위해 질화갈륨 칩 도입이 가속화되고 있음을 보여줍니다.

중국 주하이에 위치한 이노섹(Innosec)은 실리콘 기반 질화갈륨(GN) 전력 칩 분야에서 세계 3대 공급업체 중 하나입니다. 작년에 이노섹은 4백만 개의 질화갈륨 칩을 출하했습니다. 이노섹의 영업 이사인 저우 웨이(Zhou Wei)는 전자제품 애호가들과의 인터뷰에서 올해 질화갈륨 칩 출하량이 10배 증가할 것으로 예상한다고 밝혔습니다. 그는 더 나아가 작년 전 세계 질화갈륨 출하량이 약 1,500만 개에 달했으며, 올해는 1억 개를 넘어설 것으로 낙관적으로 전망했습니다.

소비자들의 삶의 질에 대한 요구가 점점 높아짐에 따라 충전기 시장은 여러 가지 도전에 직면하고 있습니다. 예를 들어, 소비자들은 더 강력하고 빠른 충전 속도를 가진 충전기를 원합니다. 하지만 동시에 작고 세련된 디자인을 원하며, 가격은 지나치게 높지 않아야 한다는 조건도 갖고 있습니다. 이러한 요구로 인해 제조업체와 설계자들은 효율성, 발열, EMI, 출력 인터페이스 프로토콜 호환성 등 다양한 문제에 직면하고 있습니다.

3세대 반도체의 핵심 소재 중 하나인 GaN은 높은 스위칭 주파수, 넓은 밴드갭, 낮은 온저항이라는 세 가지 주요 특징을 가지고 있습니다. 기존의 실리콘(Si) 기술보다 100배 빠른 속도로 동작하며, 최첨단 고속 충전기 제품에 사용될 경우 기존 제품을 훨씬 능가하는 성능을 구현하고 동일한 크기에서 출력 전력을 세 배로 높일 수 있습니다.

사진: 나비타스 반도체 영업 이사 리원후이

현재 질화갈륨(GaN) 충전기는 시장 진출에 있어 두 가지 주요 난관에 직면해 있습니다. 나비타스 반도체의 영업 이사인 리원후이는 다음과 같이 말했습니다. 첫째, GaN 고속 충전은 새로운 유형의 충전기이기 때문에 시장 수용을 위해서는 일정 기간의 적응 기간이 필요합니다. 둘째, GaN 충전기의 가격은 기존 충전기의 두 배 이상이며, 가격 인하는 GaN 충전기 보급 확대를 위한 중요한 전제 조건입니다. 2018년 45W GaN 충전기 가격은 60달러였습니다. 작년에는 샤오미의 65W GaN 충전기가 149위안(23달러)까지 내려갔고, 심지어 타사 브랜드 제품도 99위안까지 가격이 하락했습니다. 우리의 목표는 2022년 말까지 GaN 충전기와 실리콘 충전기의 가격을 비슷하게 만드는 것입니다. 가격이 적정 수준에 도달하면 시장의 전환점이 올 것이라고 생각합니다.

이노섹의 영업 이사인 저우 지는 더욱 낙관적인 전망을 내놓았습니다. 그는 시장의 전환점이 약 1년 안에 나타날 것이라고 예상하며, GaN 충전기의 가격이 실리콘 충전기와 거의 비슷해지면 반드시 전환점이 올 것이라고 말했습니다. 이노섹은 작년에 1세대 질화갈륨 전력 IC 제품인 INN650D 02를 양산했으며, 올해 상반기에는 성능이 더욱 향상된 2세대 제품을 출시할 예정입니다. 2세대 제품은 웨이퍼 한 장으로 더 많은 소자를 생산할 수 있어 비용 절감과 생산 능력 증대를 동시에 달성했습니다. 이러한 모든 요소들이 시장 출하량 증가에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

사진: 니트로실리콘 테크놀로지 영업 관리자 우쥔쥔

질소 실리콘 테크놀로지의 영업 관리자인 우쥔쥔은 기자들에게 GaN 충전기가 2년 안에 시장에서 변곡점을 맞이할 것으로 예상된다고 밝혔습니다. 그는 2023년까지 질화갈륨 칩이 충전기뿐만 아니라 전원 어댑터, 조명 전원 공급 장치, TV 전원 공급 장치 등에도 널리 사용될 것이라고 전망했습니다.

65W 질화갈륨 충전기는 가격과 다용도성이라는 두 가지 주요 요인 덕분에 시장에서 주류로 자리 잡았습니다.

전자제품 애호가 설문조사 데이터에 따르면, 2020년 한 해 동안 10개 휴대폰 제조업체가 질화갈륨 고속 충전 모델 18종을 출시했습니다. OPPO, realme, Xiaomi, Nubia, Samsung, Lenovo, ZTE 등이 질화갈륨 고속 충전 시장에 진출했습니다. 휴대폰 브랜드와 서드파티 브랜드의 주도로 질화갈륨 고속 충전 시장은 20W~120W의 다양한 스타일을 갖춘 수백 가지 제품으로 성장했습니다. 뿐만 아니라 노트북 제조업체들도 질화갈륨 고속 충전 시장에 뛰어들었으며, 특히 65W 이상의 고출력 제품을 선보이고 있습니다. 대표적인 브랜드로는 Lenovo, Asus, Dell, Xiaomi 등이 있습니다.

최근 나비타스 반도체의 영업 이사인 리원후이는 기자들에게 "지난해 하반기부터 GaN 충전기가 대량으로 출시되기 시작했습니다. 저희는 매달 2~3개의 맞춤형 충전기 제품 주문을 받고 있으며, 서드파티 브랜드가 대표하는 후공정 시장도 점차 성장하고 있습니다. 60W~100W 사양의 질화갈륨 충전기가 점차 시장의 주류로 자리 잡고 있습니다."라고 밝혔습니다.

65W가 질화갈륨 충전기의 주류 구성으로 자리 잡았습니다. 리원후이는 이러한 현상의 주요 원인으로 두 가지를 분석했습니다. 첫째, 샤오미, 오포, 화웨이 등이 잇따라 65W 질화갈륨 충전기를 출시하면서 시장 수요가 증가했습니다. 둘째, 노트북 어댑터의 일반적인 전력 요구량이 65W이고, 대부분의 최신 노트북이 USB-C 포트를 사용하기 때문입니다. 질화갈륨 충전기는 USB-A 포트까지 고려하여 2포트 또는 3포트 디자인을 채택함으로써 더 많은 모바일 기기를 동시에 충전할 수 있도록 설계되었습니다.

이노섹의 저우 영업 이사는 고속 충전 시장의 변화에 ​​대해 언급하며 USB PD와 USB 타입 C가 충전기에 큰 변화를 가져올 것이라고 지적했습니다. 작년에는 USB 타입 C와 USB PD 고속 충전이 노트북 시장에서 인기를 끌었습니다. 특히 작년 하반기에는 전동 공구 및 소형 가전제품 제조업체들도 USB PD 고속 충전을 도입하기 시작했습니다. 주요 휴대폰 및 컴퓨터 제조업체들도 이 표준을 채택하는 추세입니다. 또한 5G 휴대폰의 전력 소모량이 크게 증가했으며, 주력 휴대폰의 배터리 용량은 일반적으로 4,000mAh를 넘습니다. 65W 질화갈륨 충전기는 45분 만에 완충이 가능하고 10분 만에 20~30%까지 충전할 수 있어 충전 불안감을 해소해 줍니다.

사진: 이노섹 제품 응용 관리자 조우 얀보

이노섹의 제품 애플리케이션 매니저인 조우 얀보는 65W 충전기가 주류 구성으로 자리 잡을 수 있는 주된 이유는 고객과 소비자의 가성비 제품에 대한 수요 때문이라고 분석했습니다. 100W에서 200W에 이르는 질화갈륨 고속 충전기의 성능은 크게 향상되었지만, 필요한 회로 기판이 늘어나 크기가 커지고 가격이 너무 높아 주로 게이밍 노트북 충전에 사용되고 있으며, 현재로서는 수요가 크게 증가하지 않을 것이라고 덧붙였습니다.

국가전력망공사의 의무 규정에 따라 75W 이상의 스위칭 전원 공급 장치에는 역률 개선 및 부하 특성 향상을 위해 PFC 회로를 추가해야 합니다. 고출력 질화갈륨 충전기는 PFC 회로를 반드시 추가해야 하므로 원자재 비용이 크게 증가합니다. 그러나 시장의 소비자들은 가격 대비 성능이 뛰어난 제품을 선호합니다. 65W 충전기는 휴대폰과 노트북을 범용적으로 충전하기에 적합하며, 가격이 합리적인 범위 내에 유지되어 소비자들이 실리콘 충전기에서 차세대 질화갈륨 충전기로 전환하는 데 유리합니다.

이노섹의 질화갈륨 칩은 100W 싱글 C 고속 충전, 100W 멀티 포트 고속 충전, 65W 싱글 C 초박형 고속 충전, 150W LED 전원 공급 장치, 듀얼 채널 라이다 등 다양한 제품에 사용되고 있습니다.

사진: 이노섹 칩을 사용한 100W 멀티포트 고속 충전 데모

올해 CES 2021 온라인 전시회에서 나노비스 GaNFast 전력 IC(NV6127) 두 개를 탑재한 오메가 충전기가 혁신상을 수상했습니다. 이 충전기는 세계에서 가장 작은 200W 질화갈륨 충전기로, 기존 충전기보다 최대 66% 더 작습니다. 호환성 측면에서는 애플, 삼성, 화웨이, 퀄컴, 오포, 비보 등 주요 제조사의 모든 기기와 호환됩니다.

그림: 나노마이크로 전력 칩을 사용한 200W 미니 충전기

질소실리콘테크놀로지의 영업 관리자 우쥔쥔은 기자들에게 65W 고속 충전 제품 시리즈를 소개했습니다. 여기에는 65W 미니 PD 고속 충전기, 65W 1A1C 질화갈륨 고속 충전기, 65W 2C1A 질화갈륨 고속 충전기가 포함됩니다. 이 중 65W 미니 싱글 C와 1C1A는 제어 IC, 동기 정류 IC, 프로토콜 IC 등 모든 IC를 국산으로 생산한 제품입니다. 또한, 고출력 120W 분야에서는 수개월간의 응용 연구 끝에 업계 표준 PFC+LLC 토폴로지 질화갈륨 고속 충전기의 회로 간섭 문제를 해결하고 120W 2C1A 질화갈륨 고속 충전 솔루션을 출시했습니다.

빌리빌리에서 소비자의 피드백을 확인할 수 있었습니다.

'일구우치'라는 별명을 가진 한 언론 관계자는 샤오미 11 발표회에서 샤오미의 스마트폰에는 그다지 관심을 두지 않았다고 말했다. 대신 그는 샤오미의 65W 질화갈륨 충전기에 깊은 인상을 받았다고 한다. 발표회가 끝나자마자 그는 공식 웹사이트에 접속해 이 질화갈륨 충전기를 주문했다고 한다.

그는 기존 충전기의 단점으로 크고 휴대하기 불편한 점을 꼽았습니다. 여러 대의 단말기를 사용하고 있는 그는 특히 출장 시 하나의 충전기로 여러 기기를 충전할 수 있기를 바랐습니다. 샤오미의 65W 질화갈륨 충전기는 기존 실리콘 충전기의 3분의 1 크기입니다. 그는 샤오미의 단일 포트 질화갈륨 충전기를 직접 사용해 보고 충전 성능에 전반적으로 만족했습니다. 또한 시중에 판매되는 다른 듀얼 포트 질화갈륨 충전기도 테스트해 본 결과, 동시에 충전할 때 USB A 포트는 전류 공급이 차단되지만 USB Type-C 포트는 정상적으로 사용할 수 있는 것을 확인했습니다. 두 포트가 서로 영향을 미치는 현상도 관찰했습니다. 더불어 65W 질화갈륨 충전기로 애플 맥북 프로를 충전해 본 결과, 인터넷 서핑, 동영상 시청, 동영상 편집 등을 하는 데 전혀 문제가 없었다고 밝혔습니다.

질화갈륨 칩 재고가 부족한가요? 생태계 사슬 형성이 충전기 시장 성장세를 견인하고 있습니다.

GaN 전원 공급 장치의 시장 보급률이 점차 증가하고 있으며, 다양한 제조업체들이 적극적으로 제품을 출시하고 있습니다. GaN 전원 공급 장치 시장은 32.8억 개 규모의 실리콘 전원 공급 장치 시장에 비하면 아직 상대적으로 작지만, Yole은 GaN 시장이 2021년부터 2023년까지 55% 성장하여 2023년에는 4억 2천만 달러 규모에 이를 것으로 예측합니다. 현재 아일랜드의 Navitas, 미국의 Power Integrations, 중국의 Innosec이 질화갈륨 칩 기반 고속 충전 솔루션 분야에서 세계 3대 공급업체로 자리매김하고 있습니다.

지난해 4분기부터 반도체 칩 부족 현상이 심화되기 시작했습니다. 2021년에도 칩 업계의 부족세는 완화될 기미를 보이지 않고 있습니다. MCU, 블루투스 칩, TWS 헤드셋용 NOR 플래시 칩, 자동차 칩 등 전 세계적으로 칩 부족 현상이 확산되고 있습니다. 업계 관계자들에 따르면 8인치 파운드리 공장의 생산 능력 부족은 올해 상반기 말까지 지속될 것으로 예상됩니다. 생산 능력 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 칩 제조업체들이 8인치 파운드리 주문을 12인치 생산으로 전환하는 방법밖에 없습니다. 한 대만 분석가는 전 세계적인 8인치 생산 능력 부족 문제가 올해 상반기에도 개선되지 않을 것이라고 전망했습니다. 하위 칩 제조업체들에게는 웨이퍼 팹으로부터 얼마나 많은 생산 능력을 확보할 수 있느냐가 회사 실적에 직접적인 영향을 미칠 것입니다.

"올해 많은 웨이퍼 제조 업체들이 가격을 인상했고 생산 능력도 빠듯한 상황입니다. 특히 올해는 질화갈륨 충전기가 대량으로 시장에 출시되고 있는데, 질화갈륨 전력 칩 공급은 어떻습니까?" 나비타스 반도체 영업 이사 리원후이는 기자들의 질문에 "나비타스가 출시한 GaNFast 질화갈륨 칩은 전용 생산 라인을 사용하고 있습니다. 나비타스는 TSMC의 GaN 생산 라인에서 가장 큰 고객사이며, TSMC와 장기적인 공급 협력 관계를 유지해 왔기 때문에 납기는 작년과 비슷한 수준입니다. 샤오미와 오포 모두 정상적으로 공급하고 있으며, 소비자들은 나노스케일 질화갈륨 전력 칩을 사용한 충전기를 정상적인 유통 경로를 통해 구매할 수 있습니다."라고 답했다.

업계 전문가들은 질화갈륨(GaN) 고속 충전 제품은 주로 전력 관리 IC 칩과 전력 개별 소자, 두 가지 핵심 부품으로 구성된다고 지적했습니다. 분해도를 보면 충전기는 질화갈륨 전력 소자, 프로토콜 칩 및 메인 제어 칩, 동기 정류 칩, 회로 및 커패시터 등 네 가지 주요 부품으로 이루어져 있습니다. 나비타스 반도체(Navitas Semiconductor)의 영업 이사인 리원후이(Li Wenhui)는 질화갈륨 전력 칩, 프로토콜 칩, 동기 정류 칩, 메인 컨트롤러 제조업체 간의 협력이 전체 GaN 충전기 시장의 빠른 성장을 촉진할 수 있다고 강조했습니다. 예를 들어, 2A2C 65W 질화갈륨 충전기는 1~2개의 전력 IC와 메인 제어 칩(ON Semiconductor/Xinyuan) + 4개의 Cypress/Zhirong 프로토콜 칩으로 구성됩니다. 따라서 전체 산업 사슬의 협력적인 발전이 질화갈륨 충전기 시장의 공급과 선순환을 보장할 수 있습니다.

향후 질화갈륨 칩의 빠른 발전을 위해서는 생산 능력 확보가 중요한 전제 조건입니다. 이노섹의 영업 이사인 저우 이(Zhou Yi)는 중국 칩 기업들이 칩 설계와 제조를 통합하고 전체 산업 체인을 통제하는 IDM 모델을 도입해야만 실질적인 생산 능력 문제를 해결할 수 있다고 믿습니다.

2018년, 이노섹의 주하이 8인치 웨이퍼 생산 공장은 월 4,000장의 웨이퍼 생산 능력을 달성했습니다. 이노섹은 2018년부터 더 큰 규모의 웨이퍼 공장 건설을 계획해 왔으며, 2020년 9월 19일 쑤저우에 위치한 3세대 반도체 기지에서 설비 이전 기념식을 개최했습니다. 이 공장은 완전 가동 시 월 65,000장의 8인치 질화갈륨(GN) 웨이퍼를 생산할 것으로 예상됩니다. 이노섹의 제품 라인은 30V에서 650V에 이르는 다양한 전압대의 질화갈륨 칩을 포괄합니다. 이 제품들은 5G 이동통신, 데이터센터, 신에너지 자동차, 자율주행, 휴대폰 고속충전 등 전략적 신흥 산업의 독자적인 혁신과 발전을 위한 핵심 전자 부품을 제공할 것입니다.

이노섹의 빠른 성장은 국내 질화갈륨(GaN) 칩 및 주변기기 공급망 개방으로 이어졌습니다. 이노섹 20W GaN 충전기를 분해해 본 결과, 프로토콜 칩은 후이넝타이(Huinengtai)에서, 제어 칩은 난신 반도체(Nanxin Semiconductor)에서 생산된 것을 확인할 수 있었습니다. 국내 제조업체들의 지속적인 시장 진입으로 국내 질화갈륨 산업 공급망이 점차 형성되어, 품질 보장과 동시에 대량 공급이 가능해졌습니다. 저우는 이노섹의 협력업체 40여 곳이 질화갈륨 충전기를 양산하고 있다고 밝혔습니다. 향후 2년 동안 저전압 질화갈륨 제품의 생산량은 점차 증가할 것으로 예상됩니다. 질화갈륨 칩 제품은 충전기 외에도 산업 분야, 인공지능 데이터센터, 라이다 분야 등으로 활용 범위를 넓혀가고 있습니다.

현재 국내 GaN 기술은 주로 저전력 수준에 머물러 있는데, 이는 크게 두 가지 이유 때문입니다. 첫째, GaN 제조 공정의 진입 장벽이 매우 높고 기술이 아직 성숙 단계에 이르지 못했기 때문입니다. 둘째, 전력 관리 IC 또한 재설계가 필요하며 기존 솔루션을 그대로 복제할 수 없기 때문입니다. 국내에는 많은 스타트업 기업들이 참여하고 있지만, 누가 진정한 돌파구를 마련할지는 아직 시장에서 지켜봐야 할 부분입니다. GaN은 이종 에피택시 소재를 사용하기 때문에 설계 및 제조 공정에서 상당한 어려움이 따릅니다. 전 세계적으로도 성숙한 양산형 GaN 생산 라인은 매우 제한적입니다.

GaN 충전기의 가격은 기존 충전기의 두 배이지만, 매년 20~30%씩 하락하고 있습니다. 애플, 화웨이, 샤오미 등 더 많은 휴대폰 제조업체들이 질화갈륨(GaN) 충전기를 표준으로 채택함에 따라, 시장은 새로운 성장 기회를 맞이할 것으로 예상합니다. 디자인 경쟁력, 기술력, 그리고 GaN 생산 능력을 갖춘 제조업체들이 치열한 경쟁 시장에서 유리한 위치를 차지할 수 있을 것입니다.

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