자동차용 전력 반도체 시장은 5년 안에 약 7배의 성장 잠재력을 보이며, 특히 IGBT가 가장 큰 수혜를 입을 것으로 예상됩니다.

정책 지원과 에너지 절약 및 배출가스 감축에 힘입어 신에너지 자동차 보급이 가속화되고 있습니다. 국내 신에너지 자동차 보급률은 2025년에 20%, EU 전체 보급률은 2030년에 40%에 이를 것으로 예상됩니다. 자동차 전동화 추세는 자동차에 사용되는 전력 반도체의 가치를 크게 상승시켰습니다. 인피니언 통계에 따르면, 전력 반도체의 평균 판매 가격(ASP)은 기존 내연기관 차량의 71달러에서 플러그인 하이브리드/순수 전기차의 330달러로 크게 상승할 것으로 예상되며, 이는 기존 내연기관 차량의 4.6배에 해당합니다. 인피니언의 계산에 따르면, 전 세계 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 80억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 전 세계 신에너지 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 5.3억 달러에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 7.3배 증가한 수치로 연평균 복합 성장률은 48.8%에 이를 것입니다. 향후 10년간 중국, 미국, 유럽의 신에너지 자동차 충전기용 IGBT 시장은 9.4억 달러 규모의 추가 성장 잠재력을 지니고 있습니다. 현재 자동차 전력 반도체에는 IGBT와 MOSFET이 주로 사용되고 있습니다. IGBT는 신에너지 자동차 전기 구동 시스템의 메인 인버터의 핵심 부품이며, 보조 인버터 회로, DC/DC 컨버터 회로, OBC(충전/인버터) 등에도 사용됩니다. 차량 한 대당 IGBT 가격은 273달러에 달하며, 이는 자동차 전력 반도체 평균 판매 가격(ASP)의 83%를 차지하는 절대적인 대부분을 차지합니다. 전 세계 신에너지 자동차용 IGBT 시장은 2025년까지 4.4억 달러에 이를 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 약 48.8%에 이를 것으로 전망됩니다. IGBT는 전동화 추세 속에서 가장 유망한 자동차 전력 반도체 유형입니다.

제품, 공정, 선발주자 이점이라는 세 가지 주요 장벽은 강력한 해자를 형성합니다.

1) 제품 장벽: 자동차용 IGBT는 긴 수명, 낮은 고장률, 높은 내진성 등 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 또한 극한의 고온 및 저온 환경, 분진, 염분 및 알칼리성 환경과 같은 가혹한 작업 조건에도 적응할 수 있어야 합니다. 잦은 시동 및 정지로 인한 급격한 전류 변화에도 견딜 수 있어야 하며, 매우 높은 제품 요구 사항을 충족해야 합니다.

2) 공정상의 어려움: 자동차용 IGBT를 설계할 때는 턴온/턴오프 특성, 단락 저항, 도통 전압 강하 간의 균형을 확보해야 하며, 파라미터 최적화가 특히 복잡합니다. 제조 과정에서 박판 공정은 파손되기 쉽고, 전면 금속의 제한된 용융점으로 인해 어닐링 온도 제어가 어렵습니다. 또한, IGBT 모듈 패키징의 용접 및 접합에 대한 기술적 요구 사항도 높습니다.

3) 인증 주기가 길고, 교체 비용이 높으며, 경험 곡선 효과가 있습니다. 업계에서 선발 주자로서의 이점이 분명합니다.

a) 자동차용 IGBT는 1차 자동차 제조업체의 공급망에 진입하기 위해 신뢰성 기준, 품질 관리 기준 및 기능 안전 기준을 충족해야 합니다. 인증 기간은 일반적으로 최소 2년입니다.

b) IGBT 모듈은 자동차의 핵심 부품이기 때문에, 하위 제조업체들은 안전 및 신뢰성 문제로 인해 교체 시 신중한 태도를 보이는 경우가 많습니다. 대량 구매 결정은 수많은 검증 테스트와 종합적인 평가를 거친 후에야 이루어집니다. 또한, 교체 비용은 매우 높습니다.

c) IGBT 사업은 높은 수준의 노하우를 확보하기 위해 장기간의 경험 축적이 필요합니다.

d) IGBT 산업은 자본집약적인 산업으로, 생산 및 시험 장비는 기본적으로 수입에 의존해야 합니다. 또한, IGBT 제조업체의 운영 자금 수요도 상당합니다. 신규 진입 기업은 초기 단계에서 막대한 투자에도 불구하고 낮은 생산량에 직면하는 경우가 많습니다. 제품 연구 개발, 생산 및 판매를 지속하기 위해서는 강력한 재정적 지원이 필수적입니다. 이러한 모든 점을 고려할 때, IGBT 산업의 선도 기업들은 선발 주자로서 분명한 이점을 누리고 있습니다.

경쟁 구도는 성장 산업에 있어 "고품질의 길"이 되었지만, 현재 현지화율은 여전히 ​​낮습니다.

Omdia의 2019년 통계에 따르면, 전 세계 IGBT 모듈 상위 10개 제조업체가 시장 점유율의 76%를 차지하고 있어 시장 집중도가 높고 경쟁 구도가 뚜렷합니다. 자동차용 IGBT의 경우, 높은 산업 진입 장벽으로 인해 중국 신에너지 자동차용 IGBT 모듈 CR4 시장은 2019년 81%의 점유율을 기록하며 과점 체제를 보였습니다. 그중 인피니언이 58.2%로 1위, BYD가 18%로 2위, 미쓰비시 일렉트릭과 세미크론이 각각 3위와 4위를 차지했습니다. 자동차용 IGBT는 넓은 성장 잠재력과 탄탄한 경쟁 구도로 인해 성장 산업에서 '고품질 트랙'으로 자리 잡았습니다. 그러나 2019년 중국 신에너지 자동차용 IGBT 모듈 상위 10개 제조업체 중 국내 업체는 BYD, 스타 반도체, CRRC 타임스 일렉트릭 단 세 곳뿐이었으며, 이들의 시장 점유율은 20.4%에 불과했습니다. 이는 국내 업체들의 시장 대체 가능성이 크다는 것을 의미합니다.

여러 요인이 국내 제품의 해외 대체 속도를 가속화하고 있으며, 국내 제조업체들은 향후 발전 가능성이 매우 크다.

국내 생산품 대체가 가속화되는 요인은 여러 가지가 있습니다. 1) 중국은 이미 세계 최대 자동차 소비 시장이며, 향후 자동차 소비 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상되어 국내 IGBT 제조업체에 좋은 성장 기회를 제공합니다. 2) 무역 마찰이 심화됨에 따라 독립적이고 통제 가능한 반도체에 대한 필요성이 더욱 절실해지고 있습니다. 3) 국내 제조업체들은 신에너지 자동차 산업 육성에 앞장서며 선발주자 이점을 확보하고 있습니다. 국내 신에너지 자동차 제조업체의 시장 점유율이 증가함에 따라 공급망 안정성 확보를 위해 국내 반도체 제조업체의 제품 사용이 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다. 4) 국내 IGBT 제조업체는 높은 가성비와 빠른 대응 속도 등 현지 서비스 경쟁력을 갖추고 있어 신에너지 자동차의 비용 절감 및 효율성 증대 요구를 충족할 수 있으며, 시장 점유율 확대가 기대됩니다. 5) 정책적 장려와 재정 지원은 국내 IGBT 산업의 빠른 발전을 촉진합니다. 국내 시장 규모 측면에서 볼 때, 저희 계산에 따르면 중국의 신에너지 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 17.7억 위안에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 6배 증가한 수치로 연평균 복합 성장률은 최대 44%에 이를 것으로 전망됩니다. 중국의 신에너지 자동차용 IGBT 시장은 2025년에 14.7억 위안 규모에 이를 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 약 44%에 이를 것으로 전망됩니다. 또한, 중국의 충전 파일용 IGBT 시장은 2025년에 10.9억 위안 규모에 도달할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 35%에 이를 것으로 전망됩니다. 이러한 분석을 바탕으로, 자동차용 IGBT의 국내 생산 전환이 가속화될 것으로 예상합니다. 현재 낮은 시장 점유율과 넓은 산업 성장 잠재력을 고려할 때, 국내 IGBT 제조업체들은 향후 엄청난 성장 가능성을 가지고 있습니다.

생산 능력 부족 문제는 단기간에 해소하기 어렵고, 전력 반도체 시장의 호황은 계속되고 있다.

5G의 상용화와 코로나20.8 팬데믹으로 인한 재택 경제 확산은 사회의 디지털 전환을 가속화하고 있습니다. 신에너지 자동차, 가전제품, 디지털 단말기기 등의 시장이 활성화되면서 반도체 수요가 증가하고 있습니다. 또한, 반도체 제조업체들은 공급망 안정성 확보를 위해 재고를 늘려야 하는 상황입니다. 이러한 여러 요인이 복합적으로 작용하여 반도체 생산 능력 부족 현상이 심화되고 있습니다. 현재 주요 웨이퍼 파운드리들은 모두 최대 생산 능력에 도달한 상태입니다. ICinsight는 전 세계적으로 2021년에 8인치 웨이퍼 환산 기준 연간 약 8만 웨이퍼 규모의 생산 설비가 추가될 것으로 예측하고 있습니다. 국내적으로는 약 27.96만 웨이퍼 규모의 생산 설비가 건설 중이며, 대부분 2022년에 가동될 예정입니다. 그러나 신규 생산 라인이 가동된 후 생산량 증대에 3~5년 정도가 소요될 것으로 예상되는 만큼, 단기간에 생산 능력 부족 현상을 해소하기는 어려울 것으로 보입니다. 신에너지 자동차와 전기차 충전기 수요 급증에 힘입어 자동차용 IGBT 모듈에 사용되는 8인치 웨이퍼의 전 세계 수요는 2025년에 1.69만 개에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 5.4배 증가한 수치입니다. 웨이퍼 생산 수요는 수요를 크게 초과하고 있습니다. 올해 초부터 국내외 주요 반도체 제조업체들은 제품 가격을 인상하거나 납기일을 연장하는 등 공급 과잉에 대응하고 있습니다. 반도체 산업 공급망의 호황은 앞으로도 지속될 것으로 전망됩니다.

  1    신에너지 자동차의 보급이 가속화됨에 따라 자동차 전력 반도체 시장은 5년 만에 두 배로 성장했습니다.

1.1. 신에너지 자동차의 보급이 가속화됨에 따라 자동차용 전력 반도체의 생산량과 가격이 모두 상승하고 있습니다.

정책 지원과 에너지 절약 및 배출가스 감축은 신에너지 자동차 보급의 가속화를 이끌고 있습니다. 우리나라의 "신에너지 자동차 산업 발전 계획(2021-2035)"은 신에너지 자동차 발전에 대한 비전을 제시하고 있으며, 2025년까지 국내 신에너지 자동차 보급률을 20%까지 끌어올리는 것을 목표로 하고 있습니다.

국제적으로 많은 유럽 국가들이 지구 온난화 압력에 대처하기 위해 이산화탄소 배출 제한 정책과 신에너지 자동차 보조금 정책을 병행하고 있으며, 자동차 전동화 추세가 점점 더 뚜렷해지고 있습니다. EU에서는 ACEA(자동차 온실가스 배출 협약)에 따라 2030년까지 자동차의 이산화탄소 배출량을 킬로미터당 59g 미만으로 줄여야 합니다. 인피니언의 계산에 따르면, EU에서 신에너지 자동차의 보급률은 2030년에 40%에 달할 것으로 예상됩니다.

전기화의 확산으로 전력 반도체 자전거의 가격이 크게 상승했습니다. 순수 전기 자동차용 전력 반도체의 평균 판매 가격(ASP)은 330달러에 달하며, 이는 기존 내연기관 차량용보다 4.6배 높은 수치입니다. 전기 동력 시스템을 사용하는 신에너지 자동차는 전자 부품의 전력 관리 및 전력 변환 능력에 대한 요구 조건을 더욱 높이고 있습니다.

기존 자동차에서는 전력 반도체가 주로 차량 시동, 발전 및 안전 분야에 사용되며, 저전압 및 저전력 전자 부품으로 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 신에너지 자동차에서는 배터리에서 출력되는 고전압으로 인해 빈번한 전압 변환 및 전류 반전이 필요합니다. 이러한 회로로 인해 IGBT 및 MOSFET과 같은 전력 반도체에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 인피니언의 자료에 따르면, 기존 내연기관 차량의 전력 반도체 함량은 71달러인 반면, 플러그인 하이브리드/순수 배터리 전기차의 전력 반도체 함량은 330달러로 기존 내연기관 차량의 4.6배에 달합니다.

세계 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 80억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. Yole에 따르면, 세계 전력 반도체 시장 전체 규모는 2025년에 22.5억 달러에 달할 것으로 전망됩니다. Zhiyan Consulting의 통계에 따르면, 2019년 자동차 부문은 세계 전력 반도체 시장의 35.4%를 차지했습니다. 이 비중이 변하지 않는다고 가정할 때, 세계 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 79억 6,500만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

전 세계 신에너지 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년 5.3억 달러에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 7.3배 증가한 수치로 연평균 성장률(CAGR)은 48.8%에 이를 것으로 전망됩니다. AlixPartners의 예측에 따르면, 전 세계 자동차 판매량은 2020년 70.5만 대에서 2025년 94만 대로 증가할 것입니다. EVTank는 전 세계 신에너지 자동차 판매량이 2019년 2.21만 대에서 2025년 12만 대로 증가할 것으로 예측하고 있습니다. 전 세계 신에너지 자동차 보급률은 2025년 13%에 도달할 것으로 예상되며, 이는 2019년 대비 10.36% 증가한 수치입니다.

앞서 언급했듯이, 인피니언의 2020년 최신 통계에 따르면 신에너지 자동차용 전력 반도체 자전거의 가격은 330달러입니다. 현재 전 세계 반도체 웨이퍼 파운드리의 생산 능력이 부족한 상황을 고려하면, 신에너지 자동차용 전력 반도체 가격은 올해에도 높은 수준을 유지할 것으로 예상되며, 향후 전동화 추세와 듀얼 모터 보급 확대에 따라 자전거 가격은 점차 상승할 것입니다. 이러한 데이터를 바탕으로, 전 세계 신에너지 자동차용 전력 반도체 시장은 2025년에 5.3억 달러에 달할 것으로 추정되며, 이는 2020년 대비 7.3배 증가한 수치로 연평균 복합 성장률은 48.8%에 이릅니다.

1.2. 전 세계 차량용 충전기 IGBT 시장은 빠르게 성장하고 있습니다.

신에너지 자동차의 주요 지원 시설에 설치되는 충전소 수가 급증함에 따라 핵심 부품인 IGBT에 대한 수요도 급격히 증가할 전망입니다. 신에너지 자동차 보급률이 점차 높아짐에 따라, 신에너지 자동차의 핵심 지원 시설인 충전소의 수도 동시에 늘려야 할 필요성이 커지고 있습니다. 맥킨지 통계에 따르면, 2020년 중국, 미국, 유럽의 신에너지 자동차 충전 수요는 약 18억 킬로와트시(kWh)에 달했으며, 2030년에는 271억 킬로와트시에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 연평균 복합 성장률 31.2%에 해당합니다. 신에너지 자동차 충전 시설에 대한 수요의 급증은 충전소의 핵심 부품인 IGBT 사용량의 상당한 증가를 견인할 것입니다.

중국, 미국, 유럽의 전기차 충전기용 IGBT 시장은 2020년부터 2030년까지 향후 10년간 9.4억 달러 규모의 성장 잠재력을 보일 것으로 예상됩니다. 맥킨지의 추산에 따르면, 중국, 미국, 유럽연합은 신에너지 자동차 충전 수요를 충족하기 위해 2020년부터 2030년까지 각각 2천만 대, 2천만 대, 2천5백만 대의 신에너지 자동차 충전기를 구축하는 데 2020년부터 2030년까지 각각 190억 달러, 110억 달러, 170억 달러를 투자해야 합니다. 충전기 한 대당 IGBT는 전체 비용의 약 20%를 차지합니다. 따라서 중국, 미국, 유럽의 신에너지 자동차 충전기용 IGBT 시장은 향후 10년간 9.4억 달러 규모의 성장 가능성을 갖고 있다고 볼 수 있습니다.

  2  자동차용 전력 반도체 중에서는 IGBT가 가장 큰 혜택을 받습니다.

IGBT와 MOSFET은 자동차 전력 반도체의 주요 구성 요소입니다. IGBT는 자동차에서 네 가지 용도로 사용됩니다. 첫째, 메인 인버터의 핵심 부품으로, 배터리에서 나오는 직류(DC) 출력을 교류(AC)로 변환하여 자동차 모터를 구동합니다. 둘째, 보조 인버터 회로에서 다른 자동차 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 셋째, DC/DC 컨버터 회로에서 서로 다른 전압의 전류를 출력하는 데 사용됩니다. 넷째, OBC(충전/인버터)에서 외부 입력 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하여 신에너지 자동차 배터리를 충전하는 데 사용됩니다.

전동화 정도가 낮은 차량에서는 배터리 출력 전압이 낮고 전력 소자의 전력 범위가 제한적이기 때문에 OBC(온보드 컴퓨터)에서 보조 인버터 회로, DC/DC 컨버터 회로, IGBT 등을 MOSFET으로 대체하여 비용을 절감할 수 있습니다.

2.1. IGBT는 신에너지 자동차 모터 구동 시스템의 핵심 소자입니다.

뛰어난 성능을 자랑하는 IGBT는 신에너지 자동차의 전력 반도체 핵심 부품입니다. IGBT는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 약자로, BJT와 MOSFET의 장점을 결합한 복합 전력 반도체 소자입니다. MOSFET의 빠른 스위칭 속도, 높은 입력 임피던스, 낮은 제어 전력, 간단한 구동 회로, 낮은 스위칭 손실과 BJT의 낮은 도통 전압, 높은 온 전류, 낮은 손실이라는 장점을 모두 갖추고 있습니다. 신에너지 자동차에서 IGBT 모듈은 주로 고출력 인버터에 사용되어 직류를 교류로 변환하여 차량 모터를 구동하며, 차량용 에어컨과 같은 자동차 전자 장비에 전력을 공급하는 보조 전력 인버터에도 사용됩니다.

IGBT는 적용 환경에 따라 단일 튜브형 IGBT, 모듈형 IGBT, IPM 지능형 모듈로 구분됩니다. 단일 튜브형 IGBT는 N채널 인핸스먼트형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로, PNP형 트랜지스터에 베이스 전류를 공급하여 전체 회로를 구동합니다. 사용 전류가 일반적으로 100A 미만으로 작기 때문에 사용 전력도 낮습니다. 그러나 단일 튜브형 IGBT의 외부 회로는 복잡하고 패키징이 어려워 IGBT 제조업체의 기술 및 공정 수준을 반영합니다.

IGBT 모듈은 IGBT 칩과 FWD(고속 복구 다이오드)가 특수한 회로 브리지로 연결된 모듈형 반도체 제품입니다. 여러 개의 칩이 절연 처리된 모듈 내에 집적 및 패키징되어 안전성과 신뢰성이 크게 향상되었으며, 고전압·고전류 환경에 더욱 적합합니다. IPM 스마트 모듈은 IGBT 소자, 구동 회로 및 보호 회로를 하나의 모듈에 통합한 제품입니다. 자체 회로 진단 및 보호 기능을 갖추고 있어 일반 IGBT 모듈보다 지능적이며, 주파수 변환 가전제품에 널리 사용됩니다.

현재 인피니언의 IGBT는 7세대 제품까지 개발되었으며, 국내 제조업체들은 점차 세계 선진 수준에 근접하고 있습니다. 1988년부터 2019년까지 30여 년 동안 인피니언은 총 7세대의 IGBT 제품을 출시했습니다. 기술 수준은 칩 면적, 공정 라인 폭, 온 상태 포화 전압 강하, 오프 타임, 전력 손실을 줄이고 오프 상태 전압을 높이는 방향으로 발전해 왔습니다. 현재 국내 IGBT 시장은 주로 해외 기업들이 점유하고 있지만, 국내 제조업체들의 지속적인 연구 개발 투자로 제품 기술은 세계 선진 수준에 꾸준히 근접하고 있습니다.

예를 들어, 스타 반도체가 자체 개발한 2세대 IGBT 칩은 인피니언의 6세대 IGBT 칩(FS-Trench)과 비교 벤치마킹되었으며, 2016년부터 양산되었습니다. 2019년에는 자동차용 IGBT 모듈이 총 16만 세트 조립되었으며, BYD의 IGBT4.0 제품은 시중 주류인 인피니언의 4세대 IGBT보다 스위칭 손실이 적고, 전류 출력 능력이 뛰어나며, 온도 사이클 수명도 더 깁니다.

전 세계 신에너지 자동차용 IGBT 시장은 2025년까지 4.4억 달러에 달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 48.8%입니다. Yole 데이터에 따르면, 2019년 전 세계 신에너지 자동차용 IGBT 시장 규모는 600억 달러였습니다. EVSalesBlog 데이터에 따르면, 2019년 전 세계 플러그인 하이브리드 자동차와 순수 전기차 판매량은 약 2.2만 대였습니다. 이를 통해 자전거용 IGBT의 평균 가격은 273달러(자전거 전력 반도체 시장 가치의 83% 차지)로 추정할 수 있습니다. 현재 전 세계 반도체 웨이퍼 파운드리 생산 능력이 부족한 상황을 고려할 때, 올해 신에너지 자동차용 전력 반도체 가격은 여전히 ​​높은 수준을 유지할 것으로 예상되며, 향후 자전거의 전력 반도체 가격은 전동화 추세와 듀얼 모터 보급 확대에 따라 점차 상승할 것입니다. EVtank의 향후 몇 년간 전 세계 신에너지 자동차 판매 예측치를 곱하면, 전 세계 신에너지 자동차 IGBT 시장은 2020년 약 600억 달러에서 2025년 4.4억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 약 48.8%에 달할 것입니다.

2.2. SiC는 더 나은 성능을 보여주며 차세대 기술이 될 것으로 기대됩니다.

3세대 반도체 소재 기반의 전력 소자는 성능 면에서 우수한 장점을 지니고 있습니다. 실리콘 기반 반도체 소재와 비교했을 때, GaN 및 SiC로 대표되는 3세대 반도체 소재는 더 넓은 밴드갭, 더 높은 항복 전압, 더 높은 열전도율, 더 높은 전자 포화율 및 더 높은 방사선 저항성을 가지므로 고온, 고주파, 방사선 저항성 및 고출력 소자 제작에 더욱 적합합니다.

인피니언 데이터에 따르면, SiC 소재 인버터는 실리콘 기반 소재 인버터에 비해 부피는 3배, 무게는 4배 작습니다. 로옴(Rohm) 데이터에 따르면, 실제 적용 시 SiC MOSFET의 스위칭 주파수는 50kHz 이상에 도달할 수 있으며(주력 IGBT 스위칭 주파수는 최대 20kHz), 에너지 손실은 실리콘 기반 IGBT보다 73% 낮습니다. SiC 기반 MOSFET은 IGBT에 비해 성능은 우수하고 크기는 작다는 장점을 가지고 있습니다.

일부 고급 모델에서 SiC 기반 MOSFET을 채택하고 있으며, 이는 향후 개발 방향으로 예상됩니다. 테슬라 모델 3는 SiC 파워 모듈을 완전히 통합한 최초의 모델입니다. 이는 테슬라 엔지니어링 설계 부서가 ST마이크로일렉트로닉스와 협력하여 완성했습니다. 이에 따라 인피니언 또한 테슬라 모델 3의 SiC 파워 모듈 공급업체가 되었습니다. 또한, BYD 한 EV 사륜구동 버전은 SiC MOSFET 부품을 대량으로 탑재한 최초의 국내 모델이 되었으며, SiC 전자 제어 시스템의 전체 효율은 97%를 넘습니다.

현재 국내 제조업체들도 SiC 생산에 적극적으로 나서고 있습니다. 예를 들어, 차이나 리소스 마이크로(China Resources Micro)는 2020년 7월 중국 최초의 상용 6인치 SiC 생산 라인을 가동하여 월 1,000개 생산 능력을 확보했습니다. 뉴 클린 에너지(New Clean Energy) 또한 다수의 3세대 반도체 관련 특허를 보유하고 있으며, SiC 다이오드 제품 시리즈 출시를 앞두고 있습니다. 향후에는 신에너지 자동차 분야에 집중할 계획입니다.

현재 SiC는 비용 및 수율 측면에서 제약을 받고 있으며, 대규모로 널리 보급되기까지는 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 현재 국제적으로 널리 사용되는 SiC 기판 크기는 4인치와 6인치입니다. 웨이퍼 면적이 작고 칩 절삭 효율이 낮아 SiC 기판의 비용이 높습니다. 또한, 후속 공정에서의 제조 및 패키징 수율이 낮아 SiC 소자의 가격도 높은 수준을 유지하고 있습니다.

중국과학원 자료에 따르면, 동일 사양의 SiCMOSFET 가격은 SiIGBT보다 4배 높습니다. 자동차용 전자 제어 장치는 더욱 엄격한 성능 기준을 충족해야 하며, 극한 온도와 강한 진동 환경에서도 안정적인 작동을 유지해야 합니다. 따라서 SiCMOSFET은 최종 제품에 적용되기 전에 장기간 신뢰성 인증을 거쳐야 합니다. 일반적으로 자동차용 IGBT 모듈의 인증 기간은 약 2년입니다.

  3  제품, 공정, 선발주자 이점이라는 세 가지 주요 장벽은 강력한 해자를 형성합니다.

3.1. 복잡한 작업 환경은 자동차용 IGBT의 안전성과 신뢰성에 매우 높은 요구 사항을 부과합니다.

1) "극도로 뜨거운" 및 "극도로 추운" 고온 및 저온 작동 조건에 적응해야 함: 자동차용 IGBT는 넓은 작동 온도 범위를 가지며, 엔진룸 요구 사항 -40℃~155℃, 차체 제어 요구 사항 -40℃~125℃와 같이 설치 위치에 따라 요구되는 온도 범위가 다릅니다. 반면 일반 소비자용 칩 및 부품은 0℃~70℃ 정도의 온도 범위만 충족하면 됩니다.

2) 잦은 출발 및 정지로 인한 급격한 전류 변화를 견뎌야 함: 차량은 혼잡한 도로 상황에서 잦은 출발과 정지를 경험합니다. 이때, 승압기 및 인버터의 IGBT 모듈의 동작 전류는 빈번하게 오르내리게 되며, 이로 인해 IGBT 접합부 온도가 급격하게 변동합니다. 따라서 IGBT는 높은 내열성과 우수한 방열 성능을 갖추어야 합니다.

3) 높은 내진성 필요: 산악 지형, 진흙길, 자갈길 등 차량 주행 환경의 불확실성으로 인해 자동차용 IGBT는 차량 주행 중 큰 진동과 충격에 노출될 수 있습니다. IGBT 모듈의 각 리드 단자는 강한 진동 조건에서도 정상적으로 작동할 수 있도록 충분한 기계적 강도를 갖춰야 합니다.

4) 열악한 작업 환경에 대한 적응성: 곰팡이, 먼지, 물, 염알칼리성 자연 환경(해안, 눈, 비 등), EMC 및 유해 가스 부식 등을 고려할 때, IGBT는 방수, 방진 및 내식성과 같은 안전 성능에 매우 높은 요구 조건을 충족해야 합니다. 이러한 환경적 간섭 속에서도 IGBT는 자체 작동에 문제가 발생하거나 차량 내 다른 장비(제어 버스, MCU, 센서)에 간섭을 일으키지 않아야 합니다.

5) 긴 수명과 낮은 고장률이 요구됩니다. 일반 자동차의 설계 수명은 약 15년 ​​또는 60만 킬로미터입니다. 자동차 제조업체는 전체 수명 주기 동안 자동차용 반도체 고장률에 대해 기본적으로 한 자릿수 PPM(백만 분의 1) 수준을 요구합니다. 대부분의 자동차 제조업체는 PPB(십억 분의 1) 수준을 요구하며, 이는 거의 고장에 대한 무관용을 의미합니다.

3.2. 자동차용 IGBT의 설계, 제조 및 포장 공정은 어렵습니다.

자동차용 IGBT 설계는 온/오프 특성, 단락 저항, 도통 전압 강하 간의 균형을 보장해야 하며, 파라미터 최적화는 매우 특수하고 복잡합니다. 자동차용 IGBT 칩은 일반적으로 고전류, 고전압, 고주파 환경에서 작동하므로, 칩 설계 시 온/오프 특성, 단락 저항, 도통 전압 강하(발열 제어)가 균형 상태를 유지해야 합니다. 따라서 칩 설계 및 파라미터 조정과 최적화는 매우 특수하고 복잡합니다.

칩 설계 과정에서 주요 어려움은 다음과 같습니다.

(1) 단자 설계는 소형화와 높은 내전압을 달성하면서 높은 신뢰성을 보장해야 합니다.

(2) 셀 설계는 넓은 안전 작업 영역을 보장하면서 높은 전류 밀도를 달성해야 하므로 매우 높은 열 방출 능력이 필요합니다.

(3) 셀 설계는 충분한 단락 기능을 보장하면서 높은 전류 밀도를 달성해야 합니다.

생산 공정이 어렵습니다. 판재가 쉽게 파손되고, 전면 금속의 용융점이 제한적이어서 어닐링 온도를 제어하기 어렵습니다. IGBT가 작동되면 마치 전선처럼 전류가 위에서 아래로 수직으로 흐르면서 구동 모터에 도달합니다.

1) 칩이 얇을수록 열 저항은 작아지지만, 파손 위험이 커집니다. 박막화 공정의 경우, 칩이 얇아질수록 전류 흐름 경로가 짧아져 칩에서 손실되는 에너지가 줄어들고, 결과적으로 차량 배터리 수명이 연장됩니다. 2018년 말 BYD는 웨이퍼를 120μm까지 얇게 만들 수 있다고 발표했으며, 인피니언의 IGBT 칩은 40μm까지 얇게 만들 수 있습니다. 이처럼 얇은 웨이퍼와 칩에 대한 후속 공정은 기술적으로 매우 어렵고 파손 위험이 큽니다.

2) 후면 공정은 저온에서 수행해야 합니다. 그렇지 않으면 전면 금속이 쉽게 녹아버릴 수 있습니다. 후면 공정에는 후면 이온 주입, 어닐링 활성화, 후면 금속화 등의 공정 단계가 포함됩니다. 전면 금속의 융점 한계와 IGBT 칩의 지속적인 박막화로 인해 이러한 후면 공정은 저온(450°C 이하)에서 수행해야 합니다. 그렇지 않으면 전면 금속이 녹아버리고 어닐링 활성화가 매우 어려워집니다.

IGBT 모듈 패키징의 용접 및 접합은 기술적 장벽이 높습니다. 자동차용 IGBT는 대부분 모듈 형태로 사용됩니다. 모듈 패키징 구조는 여러 개의 개별 반도체 소자를 집적화 방식을 통해 하나의 모듈로 패키징하는 것입니다. IGBT 모듈은 일반적으로 패칭, 용접, 플라즈마 세척, X선 검사, 접합, 접착제 충전 및 경화, 성형, 테스트, 마킹 등 총 9단계의 공정을 거쳐야 시장에 출시될 수 있습니다. 이 중 용접과 접합은 모듈 패키징 기술에서 가장 어려운 부분입니다.

(1) 용접: 최근 개발된 저온 은소결 패치 상호접합 공정의 파라미터 설정은 어렵고, 재료 및 장비 비용이 높아 진입 장벽이 되고 있다. 현재 주류 용접 기술은 납땜이지만, 이 기술은 일관성과 신뢰성이 떨어진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 저온 은소결 패치 상호접합 공정이 개발되었다. 이 공정의 납땜층은 높은 열전도율, 높은 전기전도율, 높은 신뢰성 등의 장점을 가진다. 그러나 이 기술은 파라미터 설정이 매우 어렵고, 장비 구매 비용이 높으며, 생산에 사용되는 은분말 가격이 높아 제조업체들이 이 기술을 활용하는 데 걸림돌이 되고 있다. 현재 인피니언과 미쓰비시와 같은 선도적인 기업들만이 고성능 IGBT 모듈의 일부에 저온 은소결 용접을 적용하고 있다.

(2) 접합: 공정 난이도가 높습니다. 현재 IGBT 모듈의 내부 칩 표면 상호 연결에 일반적으로 사용되는 접합선은 알루미늄선과 구리선입니다. 구리선은 저항이 낮고 열전도율이 높으며 열팽창 계수가 낮아 고출력 밀도와 효율적인 방열이 요구되는 자동차 모듈에 더 적합합니다. 그러나 구리선 접합 공정의 어려움은 칩 표면에 구리 금속화 처리가 필요하고 더 높은 초음파 에너지가 요구되어 IGBT 칩 자체에 손상을 줄 가능성이 있다는 점입니다. 1) 구리는 산소 친화력이 강하여 엄격한 밀봉과 빠른 작업이 필요합니다. 구리선은 공기와 접촉하면 즉시 산화됩니다. 원칙적으로 포장은 개봉 후 48시간 이내에 완료되어야 합니다. 산화된 구리선은 더 단단해지고 접합이 어려우며 납땜 접합부가 떨어지거나 인장 강도가 낮아지기 쉽습니다. 2) 접합 공정 중 보호 불활성 가스의 유량 제어가 어렵습니다. 구리 산화 정도를 줄이기 위해 산화되기 쉬운 칩 가열 영역에 보호 가스를 주입해야 합니다. 가스 유량이 너무 많으면 가열 온도에 영향을 미치고, 너무 적으면 보호 효과가 약해집니다. 3) 압력 용접 지그 제작에 필요한 재료 요건이 엄격합니다. 캐리어와 핀이 헐거워지지 않도록 지그 표면이 매끄러워야 하며, 그렇지 않으면 제품 용접 과정에서 볼 연소 불량, 단선, 와이어 변형 등 용접 와이어 관련 문제가 발생할 수 있습니다. 4) 접합 장비 매개변수 설정 시 용접력, 대기 전력, 크레이터 발생 가능성 등 균형 및 제어가 어려운 여러 요소를 종합적으로 고려해야 합니다. 어느 한 단계라도 문제가 발생하면 접합 실패로 이어집니다.

3.3. 선발주자의 명백한 이점: 긴 인증 주기 및 높은 교체 비용

자동차용 IGBT는 높은 신뢰성이 요구되기 때문에 인증 주기가 길고 교체 비용이 높습니다. 선도 기업들은 선발 주자로서 분명한 이점을 누리고 있습니다.

1) 인증 요건이 엄격하고 소요 기간이 깁니다. IGBT 개별 소자 또는 모듈은 1차 자동차 제조업체의 공급망에 진입하기 전에 신뢰성 표준 AECQ100(IC)/101(개별 소자), 품질 경영 표준 ISO/TS1649 및 기능 안전 표준 ISO26262ASILB(D)를 충족해야 합니다. 인증 주기는 일반적으로 최소 2년입니다.

2) 높은 교체 비용. IGBT 모듈은 하위 제품의 핵심 부품으로, 회로 내 전압, 전류, 주파수, 위상 등을 조절하는 역할을 합니다. 따라서 IGBT 모듈의 성능, 안정성 및 신뢰성은 하위 고객에게 매우 중요합니다. 고객은 새로운 IGBT 공급업체에 대해 신중한 태도를 보이며, 공급업체의 역량을 이론적으로 종합적으로 평가할 뿐만 아니라, 개별 제품 테스트, 전체 설비 테스트, 여러 차례의 소량 생산 시험 등을 거쳐 대량 구매 결정을 내립니다. 이러한 이유로 교체 비용이 높고 구매 결정 주기가 깁니다.

3) IGBT 사업은 높은 수준의 노하우를 확보하기 위해 장기간의 경험 축적이 필수적입니다. IGBT 칩과 고속회복 다이오드 칩은 IGBT 모듈의 핵심 구성 요소이며, 여러 생산 공정과 다수의 생산 설비를 거칩니다. 생산 조직, 관리, 설비 디버깅 등 작업 또한 매우 복잡합니다. 예를 들어, 방열재의 선택 및 가공, 박막화 정도, 인 이온의 2회 주입 농도, 양, 속도, 후면 공정 온도 제어, 각 공정 단계별 설비 관리 등은 모두 칩 설계 및 생산 공정을 숙달하기 위해 오랜 관련 경험이 요구됩니다.

신에너지 자동차 분야에서는 높은 신뢰성과 안정성을 갖춘 IGBT 모듈의 대량 생산이 요구되는 경우가 많습니다. 이를 위해서는 장비와 재료의 특성을 이해하고 생산 공정을 숙달하기 위한 오랜 경험 축적이 필요합니다. 예를 들어 패치 공정은 칩 위치 선정, 다양한 재료의 열팽창 계수 및 특성 설정, 리플로우로의 리플로우 곡선 설정 등 여러 매개변수를 고려해야 합니다. 이러한 생산 공정에는 적절한 해결책을 찾기 위한 장기간의 연구 개발 실험이 필수적입니다.

4) 높은 재정적 장벽. IGBT 산업은 자본 집약적인 산업입니다. 산업 사슬은 칩 설계, 칩 제조, 모듈 제조 및 테스트를 포함하며, 생산 및 테스트 장비는 대부분 수입에 의존해야 하므로 장비 비용이 높습니다. 또한 제품 연구 개발과 시장 개발에 오랜 시간이 소요됩니다. 게다가 IGBT 제조업체의 운영 자금 수요도 막대합니다. 신규 진입 기업은 초기 단계에서 막대한 투자에도 불구하고 낮은 생산량에 직면하는 경우가 많습니다. 제품 연구 개발, 생산 및 판매를 지속하기 위해서는 강력한 재정적 지원이 필요합니다.

종합적으로 볼 때, 신생 기업이 IGBT 제품을 생산한다고 해도 고객의 인정을 받고 높은 수준의 노하우를 축적하기까지는 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 동시에 장기적인 대규모 자본 투자와 시장 개발이라는 어려움에도 직면하게 될 것입니다. 선발 기업은 분명한 선발주자 이점을 누릴 수 있습니다.

  4  자동차용 IGBT 산업의 경쟁 구도는 매우 우수하지만, 국산화율은 여전히 ​​낮은 수준입니다.

경쟁 구도는 CR4의 시장 점유율 81%로 집중되어 있지만, 국내 기업 비율은 낮아 TOP10 최종 후보 기업 중 국내 기업은 단 세 곳뿐입니다. Omdia의 2019년 통계에 따르면, 전 세계 IGBT 모듈 공급업체 상위 10곳이 시장 점유율의 75.6%를 차지하고 있습니다. 시장 구조는 집중되어 있고 경쟁 구도는 양호한 편입니다.

NE 타임스 자료에 따르면 2019년 중국에서 조립된 자동차용 IGBT 모듈은 총 1.08만 세트였으며, 이 중 인피니언이 62만 8천 세트를 판매하여 58.2%의 점유율로 1위를 차지했습니다. BYD 마이크로일렉트로닉스가 19만 4천 세트를 판매하여 18%의 점유율로 2위를 기록했고, 미쓰비시 일렉트릭과 세미크론이 각각 5.2%와 3%의 점유율로 3위와 4위를 차지했습니다. 스타 반도체는 1.6%의 점유율로 5위에 올랐으며, 또 다른 국내 제조업체인 CRRC 타임스 일렉트릭은 0.8%의 점유율로 9위를 기록했습니다. 2019년 신에너지 자동차용 IGBT 모듈 시장에서 상위 4개 업체가 차지하는 점유율은 81.4%로 과점 구조를 보였습니다. 국내 제조업체 중 시장 점유율 10위권 안에 드는 기업은 BYD 마이크로일렉트로닉스, 스타 반도체, CRRC 타임스 일렉트릭 세 곳뿐이며, 그 비율은 20.4%로 국산화율이 낮은 수준이다.

전압 범위 측면에서 볼 때, 국내 기업들의 IGBT 제품 라인은 점차 완벽해지고 있습니다. 국내 제조업체인 스타 반도체는 현재 고전압(3300V)부터 중저전압(600V)에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 아우르는 국내에서 가장 포괄적인 IGBT 모듈 제품 라인을 보유하고 있습니다. CRRC 타임즈 일렉트릭은 주로 고속철도, 고속열차 등의 분야에 집중하고 있으며, 현재 4500V 이상의 고전압 분야에서 상당한 경쟁력을 갖추고 있습니다.

인피니언의 제품은 모든 전압 레벨의 하위 응용 분야를 완벽하게 포괄하는 반면, ABB는 주로 고전압 및 최고 전압 레벨 제품에 집중하고 있습니다. 전반적으로 국내 기업의 IGBT 제품은 저전압에서 고전압까지 전체 시장을 아우르며, 특히 저전압 분야에서는 비교적 탄탄한 입지를 구축하고 있습니다. 그러나 해외 제조업체와 비교했을 때, 우리나라의 전력 개별 소자는 고전압 분야에서 여전히 강화가 필요한 상황입니다.

  5    다양한 요인들이 국내 대체재의 확산을 가속화하고 시장 점유율 증가를 촉진한다.

무역 마찰이 심화됨에 따라 자율 제어 가능한 반도체에 대한 필요성이 더욱 절실해지고 있다. 최근 몇 년 동안 미중 무역 마찰은 심화되는 추세를 보이고 있다.

ZTE는 2016년 3월과 2018년 4월에 두 차례 미국 정부의 '제재 대상 기업 목록(Entity List)'에 포함되었습니다. 2019년 5월 15일에는 화웨이도 같은 목록에 올라 미국 기업과의 사업 협력 및 통신 장비 구매가 금지되었습니다. 이에 따라 구글은 화웨이에 대한 서비스 제공을 중단했습니다.

2020년 5월 15일, 미국은 화웨이에 대한 새로운 제재 조치를 다시 발표하여, 미국 기술과 장비를 사용하여 생산된 칩은 화웨이에 판매하기 전에 미국의 승인을 받도록 요구했습니다. 2020년 8월 17일에는 화웨이 자회사 38곳이 제재 대상 기업 목록에 포함되었고, 같은 해 9월 15일에 제재 조치가 전면 시행되었습니다.

2020년 12월, SMIC는 미국에 의해 중국 군사 관련 기업 목록에 포함되었습니다. 미국이 중국에 대한 기술 봉쇄를 강화하는 상황에서 중국은 무역 마찰 심화, 공급망 차질, 국제 협력 약화 등의 위험에 직면해 있습니다. 따라서 독립적이고 통제 가능한 반도체 공급망을 구축하고 국내 대체재 개발을 가속화하는 것이 더욱 시급해졌습니다.

중국은 세계 최대 자동차 소비 시장으로 성장하면서 자동차용 IGBT(인덱스 갭 트랜지스터)의 발전에 좋은 기회를 제공하고 있습니다. 2019년 중국의 신차 판매량은 25.75만 대에 달해 전 세계 신차 판매량의 약 28.5%를 차지하며 세계 최대 자동차 소비 시장으로 자리매김했습니다. 현재 우리나라의 자동차 보유 대수는 2억 6천만 대를 넘지만, 1인당 자동차 보유 대수는 선진국에 비해 여전히 훨씬 낮은 수준입니다.

세계은행 자료에 따르면 2019년 우리나라의 1인당 자동차 보유 대수는 0.173대였습니다. 미국은 0.837대로 중국의 4.8배, 일본은 0.591대로 중국의 3.4배에 달했습니다. 중국의 자동차 판매량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 이처럼 거대한 자동차 소비 시장은 우리나라 IGBT 기업들의 발전을 위한 넓은 공간을 제공하며, 탄탄한 성장 기반을 마련해 줍니다.

국내 신에너지 제조업체의 점유율이 증가하면서 국산 IGBT의 교체가 가속화되고 있습니다. 내연기관 차량의 경우, 우리나라는 후발주자로서 기존 내연기관 차량 산업에서 경쟁력이 약합니다. 2020년 1분기부터 3분기까지 우리나라의 승용차 판매량은 13.38만 대였으며, 이 중 중국 브랜드 승용차 판매량은 약 36%에 불과했습니다. 그러나 신에너지 차량 산업에서는 우리나라가 주도권을 잡고 상당한 기술적, 시장적 우위를 확보하고 있습니다.

2020년 1분기부터 3분기까지 중국의 신에너지 승용차 판매량은 62만 대에 달했으며, 이 중 독립 브랜드/신차 생산 업체/외국 합작 투자 업체가 각각 55%, 15%, 30%를 차지했습니다. 국내 제조업체의 비중은 70%로, 기존 내연기관 차량에 비해 상당히 높은 수치입니다. 향후 신에너지 차량의 보급률이 점차 증가함에 따라 국내 자동차 제조업체의 시장 점유율도 함께 증가하여 일부 부문에서는 추월이 예상됩니다. 무역 마찰이 심화되는 상황에서 국내 신에너지 자동차 제조업체들은 공급망 안정성 확보를 위해 국산 IGBT 사용을 늘릴 것으로 예상되며, 이는 국산 IGBT의 비중 증가를 견인할 것입니다.

국내 제조업체들은 비용 효율성과 신속한 대응이라는 장점을 가지고 있으며, 이는 신에너지 자동차의 비용 절감 및 효율성 향상 추세에 부합합니다. 해외 경쟁업체와 비교했을 때, 국내 IGBT 제조업체들은 자동차 제조업체와의 낮은 소통 비용, 빠른 납품, 강력한 서비스 역량, 그리고 하위 고객의 요구에 신속하게 대응할 수 있는 능력을 통해 빠른 대응력을 확보하고 있습니다. 또한, 국내 전력 반도체 제조업체들은 높은 가성비와 낮은 물류 및 인건비라는 이점을 통해 신에너지 자동차 제조업체들이 시장 침투율과 점유율을 높이면서 비용을 절감하고 효율성을 향상시키고자 하는 요구를 충족시킬 수 있습니다.

정책과 자금 지원을 통해 국내 IGBT 산업 발전을 도모하고 있습니다. IGBT는 국내외 시장 규모가 매우 크며, 산업 구조 고도화, 에너지 절약 및 배출 감축, 신에너지 등 다양한 분야에서 대체 불가능하고 중요한 역할을 수행합니다. 최근 몇 년 동안 정부는 산업 발전, 연구 개발, 재정 및 세제 투자 등 여러 측면에서 IGBT를 포함한 반도체 산업 발전을 지원하는 정책을 적극적으로 추진해 왔습니다.

2020년 8월, 국무원은 "신시대 집적회로 및 소프트웨어 산업의 고품질 발전을 촉진하기 위한 여러 정책"을 발표하여 금융 및 세제, 투자 및 자금 조달, 연구 개발 등 반도체 산업 발전을 포괄적으로 지원했습니다. 이러한 종합적인 정책 지원은 IGBT 산업의 빠른 발전에 효과적인 동력이 될 것입니다.

또한, 정부는 재정적 차원에서도 적극적인 지원을 제공하고 있습니다. 국가집적회로산업기금(일명 '빅펀드') 1차와 2차 사업은 각각 2014년과 2019년에 설립되었습니다. 빅펀드 1차 사업에서는 138.7억 위안을, 2차 사업에서는 2,041억 5천만 위안의 등록 자본금을 확보했습니다.

지웨이닷컴(Jiwei.com) 통계에 따르면, 대형 펀드의 1단계 투자 분야는 집적회로 제조 67%, 설계 17%, 패키징 및 테스트 10%, 장비 소재 6% 순이었다. 대형 펀드의 투자와 이들이 활용하는 사회적 자본에 힘입어 IGBT를 포함한 집적회로 산업은 상당한 발전을 이루었다.

요약하자면, 자동차용 IGBT의 국내 생산 확대가 가속화되어 국내 제조업체의 시장 점유율 증가에 도움이 될 것으로 예상됩니다. 첫째, 우리나라는 세계 최대 자동차 소비 시장이며, 향후 자동차 소비 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상되어 국내 자동차용 IGBT 제조업체의 발전에 좋은 기회를 제공할 것입니다. 둘째, 무역 마찰이 심화됨에 따라 자율 제어 가능한 반도체에 대한 수요가 더욱 시급해졌습니다. 셋째, 국내 신에너지 자동차 산업 제조업체들이 선발 주자로서의 이점을 확보하며 시장을 선도하고 있으며, 시장 점유율 확대를 기대하고 있습니다. 국내 신에너지 자동차 기업의 시장 점유율 증가와 공급망 안정성 확보를 위해 더 많은 국내 반도체 제조업체들이 국내 제품을 사용할 것으로 예상되며, 이에 따라 국내 IGBT의 시장 점유율도 증가할 것으로 전망됩니다. 넷째, 국내 IGBT 제조업체들은 높은 가성비와 빠른 대응 속도 등 현지 서비스 경쟁력을 바탕으로 신에너지 자동차의 비용 절감 및 효율성 증대 요구를 충족할 수 있으며, 향후 경쟁에서 시장 점유율을 높일 것으로 예상됩니다. 다섯째, 국가 정책 및 재정 지원이 IGBT 산업 발전을 뒷받침하고 있습니다. 위의 분석을 바탕으로, 우리는 자동차용 IGBT의 국내 대체 과정이 가속화되어 시장 점유율이 증가할 것으로 예상합니다.

국내 IGBT 제조업체들은 시장 점유율을 높이는 것 외에도 국내 자동차 IGBT 시장의 급속한 성장으로부터 상당한 이점을 얻을 것입니다. 저희 계산에 따르면, 중국의 신에너지 자동차 IGBT 시장은 2025년에 17.7억 위안에 달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 43.45%입니다. 중국의 신에너지 자동차 충전기용 IGBT 시장 또한 2025년에 14.7억 위안에 이를 것으로 전망되며, 이 역시 연평균 성장률은 43.45%입니다.

중국의 신에너지 자동차용 IGBT 시장은 2025년에 17.7억 위안에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 6배 증가한 수치로 연평균 43.45%의 성장률을 보일 전망입니다. 중국자동차협회(CAA) 자료에 따르면, 중국의 자동차 판매량은 2020년에 25.3만 대를 기록할 것으로 예상됩니다. 2025년에는 중국의 자동차 판매량이 30만 대에 이를 것으로 전망되며, 이 중 신에너지 자동차 판매량은 2020년에 1.32만 대, 보급률은 5.22%에 이를 것으로 예측됩니다.

만약 중국의 신에너지 자동차 보급률이 '신에너지 자동차 산업 발전 계획(2021-2035)'에서 제시한 20%에 도달한다면, 중국의 신에너지 자동차 판매량은 2020년 1.32만 대에서 2025년 600만 대로 증가할 것입니다. 앞서 계산한 신에너지 자동차용 전력 반도체의 가치를 고려하면, 중국의 신에너지 자동차용 전력 반도체 시장 규모는 2025년 17.7억 위안에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년의 6배에 해당하는 수치로, 연평균 43.45%의 성장률을 보일 것입니다.

중국의 신에너지 자동차용 IGBT 시장은 2025년까지 14.7억 위안에 달할 것으로 추산되며, 연평균 43.45%의 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 특히 IGBT 분야가 가장 큰 수혜를 입을 것으로 전망됩니다. Yole 데이터에 따르면, 2019년 전 세계 신에너지 자동차용 IGBT 시장 규모는 6억 달러였습니다. EVSalesBlog 자료에 따르면, 2019년 전 세계 플러그인 하이브리드 전기차와 순수 배터리 전기차 판매량은 약 2.2만 대였습니다. 이를 바탕으로 자전거용 IGBT의 평균 가격은 273달러(자전거 전력 반도체 시장 가치의 83% 차지)로 계산할 수 있습니다. 웨이퍼 파운드리 공급 부족과 현재 전 세계 반도체 웨이퍼 파운드리 생산 능력의 한계를 고려할 때, 신에너지 자동차용 전력 반도체 가격은 올해 높은 수준을 유지할 것으로 예상됩니다. 향후 전기화 추세와 듀얼 모터 보급 확대에 따라 자전거용 IGBT 가격은 점차 상승할 전망입니다. 우리나라의 2025년 신에너지 자동차 판매량 600만 대를 곱하면, 중국의 신에너지 자동차용 IGBT 시장 규모는 2020년 약 2.4억 달러에서 2025년 14.7억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 43.45%에 달할 것입니다.

중국의 신에너지 자동차 충전기용 IGBT 시장은 2025년까지 10.9억 위안에 달할 것으로 예상되며, 연평균 35%의 성장률을 보일 것으로 전망됩니다. 현재 신에너지 자동차의 폐차 주기는 8~10년입니다. 위에서 언급한 연간 신에너지 자동차 판매량을 기준으로 계산하면, 2025년에는 신에너지 자동차 수가 22.46만 대에 이를 것으로 예상됩니다.

새로운 인프라 구축이 진전됨에 따라, 차량 대비 충전소 비율이 2025년까지 2:1로 증가할 것으로 보수적으로 가정하면, 2025년 충전소 수는 약 11.23만 개에 달할 것으로 추산됩니다. 새로운 인프라 정책이 공공 충전소 건설에 중점을 두고 있기 때문에, 공공 충전소의 비중은 2020년 48%에서 2025년 50%로 증가할 것으로 예상됩니다. 또한, 급속 충전 수요 증가로 인해 공공 충전소 중 직류(DC) 충전소의 비중도 2020년 38%에서 2025년 50%로 증가할 것으로 전망됩니다.

국가전력망공사(State Grid)의 전기차 충전기 사업 입찰 공고 자료를 분석한 결과, 주요 입찰 대상이었던 60kW급 공용 직류 충전기의 평균 와트당 가격은 2017년 1.15위안/와트에서 2019년 0.9위안/와트로 하락했습니다(개별 충전기 가격은 2017년 6만 9천 위안에서 2019년 5만 4천 위안으로 하락). 또한, 공용 교류 충전기의 개별 충전기 평균 가격은 2017년 9천 5백 위안에서 2019년 5천 4백 위안으로 하락했습니다.

시장에 출시된 주요 신에너지 자동차 제조업체의 개인용 충전기 가격을 조사한 결과, 개인용 충전기 가격은 2017년 개당 12,700위안에서 2020년 개당 7,800위안으로 하락한 것으로 나타났습니다. 충전기 비용에서 IGBT가 약 20%를 차지한다고 가정할 때, 국내 충전기용 IGBT 시장 규모는 2020년 2.5억 위안에서 2025년 10.9억 위안으로 3.4배 증가할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 34.5%에 달할 것으로 전망됩니다.

  6    생산 능력 부족 문제는 단기간에 해소하기 어렵고, 전력 반도체 시장의 호황은 계속되고 있다.

8인치 생산 능력은 부족하고 파운드리는 최대 가동률에 도달했습니다. 2020년에는 5G 상용화와 코로나19 팬데믹으로 인한 '재택 경제'가 사회의 디지털 전환을 가속화했습니다. 자동차, 가전제품, 디지털 기기 등 단말 장비 시장이 지속적으로 회복되면서 반도체 수요 증가세가 크게 촉진되었습니다.

게다가 유럽과 미국의 전염병 확산이 아직 완전히 통제되지 않은 데다 미중 무역 관계의 불확실성 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 반도체 제조업체들이 안전 재고를 늘렸습니다. 이러한 여러 요인이 맞물리면서 웨이퍼 파운드리의 생산 능력이 수요를 초과했고, 주요 웨이퍼 파운드리 업체들의 8인치 생산 능력은 거의 최대치에 도달했습니다. 세계 최고 수준의 기업인 화홍리(Huahong Hongli)의 2020년 3분기 가동률은 100%를 넘어섰고, UMC와 SMIC 역시 95%라는 높은 가동률을 기록했습니다.

전 세계 신규 웨이퍼 생산 설비가 완전 가동에 도달하는 시기는 주로 2023년에서 2025년 사이에 집중될 것으로 예상되어 단기간에 생산 차질을 해결하기는 어렵습니다. ICInsights 데이터에 따르면, 전 세계 신규(8인치 환산) 웨이퍼 생산 설비는 2020년에 약 17.9만 개, 2021년에 20.8만 개가 추가될 것으로 예상됩니다. 그러나 장비 구매, 디버깅, 고객 검증 등의 이유로 웨이퍼 제조 공장의 생산 설비 증설 기간은 일반적으로 3~5년으로 비교적 길기 때문에, 이러한 신규 생산 설비가 2023년에서 2025년 사이에 완전 가동에 도달할 것으로 예상되는 상황에서 단기간에 생산 차질을 해소하기는 어려울 것으로 보입니다.

현재 건설 중인 국내 반도체 생산 설비는 연간 약 27.96만 개(8인치 웨이퍼 기준) 규모이며, 대부분 2022년에 가동될 예정입니다. 그러나 신규 생산 라인 가동 후 생산량 증대에 상당한 시간이 소요될 것으로 예상되므로 단기적으로 생산 능력 부족 문제를 해소하기는 어려울 것으로 보입니다. 불완전한 통계에 따르면 현재 국내 반도체 생산 능력은 월 약 2.88만 개(실리콘 기반 웨이퍼 및 복합 반도체 기판 웨이퍼를 포함한 8인치 웨이퍼 기준)이며, 건설 중인 국내 반도체 생산 설비는 총 월 약 2.33만 개(연간 27.96만 개) 규모입니다. 신규 생산 라인의 대부분은 2022년에 가동될 예정이지만, 가동 후 3~5년의 생산량 증대 기간이 필요하기 때문에 단기간에 최대 생산량에 도달하기는 어려울 것으로 예상됩니다. 따라서 단기적으로 생산 능력 부족 문제를 완화하기는 어려울 것으로 전망됩니다.

2025년까지 전 세계 자동차용 IGBT 모듈에 필요한 8인치 웨이퍼 수는 1.69만 개에 달할 것으로 추산되며, 이는 2020년 대비 5.4배 증가한 수치입니다. 현재 시판되는 전기차는 단일 모터와 이중 모터 두 종류가 있습니다. 현재 주류를 이루는 신에너지 자동차는 단일 모터 방식을 채택하고 있습니다. 그러나 향후 신에너지 자동차 제조 기술이 발전함에 따라 더 높은 성능을 제공할 수 있는 이중 모터 신에너지 자동차의 보급률이 증가할 것으로 예상됩니다.

신에너지 자동차에서는 각 모터에 인버터가 사용되고, 각 인버터에는 IGBT 모듈이 사용됩니다. 듀얼 모터의 뛰어난 성능을 고려할 때, 2025년에는 보급률이 20%에 달할 것으로 예상됩니다. 이에 따라 2025년에는 전 세계적으로 12만 대의 전기차와 14.4만 개의 모터에 필요한 IGBT 모듈을 조립해야 할 것으로 추산됩니다. 현재 자동차용 IGBT 모듈 하나에는 10~18개의 IGBT 칩이 패키징되어 있습니다(칩 개수는 IGBT 모듈의 전압 레벨에 따라 다름). 평균 15만 216천 개의 IGBT 칩이 필요하다고 계산하면, 8인치 웨이퍼 하나당 약 128개의 IGBT 칩을 생산할 수 있다고 가정할 때, 2025년 자동차용 IGBT 모듈에 필요한 8인치 웨이퍼 수요는 1.69만 개에 달할 것으로 예상되며, 이는 2020년 대비 5.4배 증가한 수치입니다.

웨이퍼 가격 상승은 산업 사슬의 하류까지 전가되었고, 반도체 호황은 계속되고 있습니다. 최종 수요는 지속적으로 증가하고 있지만, 기존 파운드리 생산 설비는 이미 최대 가동률에 도달했으며, 단기간에 신규 생산 설비를 빠르게 확충하기는 어렵습니다. 이러한 공급과 수요의 불균형이 웨이퍼 파운드리 가격 상승으로 이어지고 있습니다.

TSMC는 주요 고객사에 제공하던 12인치 웨이퍼 파운드리 3% 할인 혜택을 철회했습니다. UMC는 8인치 웨이퍼 파운드리 가격을 연이어 인상한 데 이어 12인치 웨이퍼 파운드리 가격까지 인상했습니다. 파운드리 가격 인상은 산업 사슬 하위 단계의 제조업체들에 즉각적으로 전가되어 대부분의 제조업체들이 10% 이상 가격을 인상했습니다. 그중 르네사스 일렉트로닉스는 일부 아날로그 및 전력 제품의 가격을 15%에서 100%까지 인상한다고 발표했습니다. 인피니언과 같은 기업들은 제품 가격 상승에 힘입어 납기일을 연장하는 등 가격 인상을 단행했습니다. 반도체 산업 사슬 전반의 가격 상승세는 앞으로도 지속될 것으로 예상됩니다.

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