화학저널

자동차용 반도체는 2020년 말부터 세계적으로 극심한 공급부족 사태가 벌어지고 있다.
미국 최대 자동차기업인 제너럴모터스(GM)는 반도체 부족으로 북미공장 3곳의 가동을 멈추었고 혼다자동차(Honda) 역시 북미공장 가동을 중단했다. 폭스바겐(Volkswagen), 포드(Ford), 도요타자동차(Toyota Motor) 등도 불안정한 반도체 수급을 고려해 생산대수를 줄이고 있다.
국내는 상대적으로 양호한 생산 환경을 유지하고 있으나 자동차용 반도체 수급난이 장기화되면서 현대자동차가 울산공장 가동을 일시 중단하고 휴업에 들어가는 등 직·간접적 생산 차질을 피하지 못하고 있다.
현대자동차는 4월부터 특근을 취소하고 주 단위 생산조정에 들어갈 계획이었으나 휴업을 결정했고, 한국GM은 3월 부평2공장 생산량을 절반으로 줄인 것으로 알려졌다.
메모리 반도체는 삼성전자, SK하이닉스 등 국내기업이 강한 반면 자동차용 반도체는 경쟁력이 취약한 것으로 평가되고 있어 9월까지는 자동차용 반도체 품귀현상이 계속될 것으로 판단된다.

반도체, D램‧낸드플래시‧자동차용이 성장 주도
2021년 반도체 시장은 D램, 낸드플래시 등 메모리 반도체와 함께 자동차용 반도체가 성장을 이끌 것으로 예상된다.
IC인사이츠에 따르면, 2021년 D램·낸드플래시, 자동차용 아날로그·특수목적 반도체, 임베디드 마이크로프로세서(MPU) 등 5개 분야가 전체 반도체 시장 성장률 12%를 추월할 것으로 예측된다.
D램은 주기적으로 등락하고 있으나 2019년과 2020년 조정기를 거쳐 2021년 본격적으로 반등해 매출액이 18% 증가하며, 낸드플래시는 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태 확산에 따라 노트북, 태블릿, 서버 수요 증가로 2020년 24%에 이어 2021년에도 17% 성장할 것으로 전망했다. 자동차용 아날로그·특수목적 로직 반도체는 2021년 16%, 임베디드 MPU는 15% 성장을 예상했다.
D램은 삼성전자와 SK하이닉스가 세계시장의 70% 이상을 장악하고 있다. 세계 3위 미국 마이크론(Micron Technology)이 최근 10나노급 4세대(1a) D램을 생산하면서 삼성전자와 SK하이닉스를 앞질렀으나 불화아르곤(ArF) 공정을 채용해 경쟁력이 떨어지는 것으로 평가되고 있다.
반면, 삼성전자와 SK하이닉스는 극자외선(EUV) 미세공정으로 제조한 1a D램을 2021년 나란히 양산할 예정이다. 특히, SK하이닉스는 최근 준공한 세계 최대급 M16 팹에서 하반기에 1a D램을 본격 양산하고, 5세대(1b) D램 개발에도 박차를 가할 계획이다. 미세공정으로 만듦으로써 품질, 성능, 가격 경쟁력이 우수하기 때문이다.
낸드플래시 역시 삼성전자가 독보적인 1위를 유지하고 있는 가운데 인텔(Intel)의 낸드 부문을 인수한 SK하이닉스의 선전이 예상된다. 마이크론이 먼저 176단 양산에 들어갔으나 삼성전자와 SK하이닉스 역시 초고적층 낸드플래시 양산을 앞두고 있다. 삼성전자는 2021년 256단까지 가능하다는 입장이고, SK하이닉스는 2020년 176단 개발을 완료했고 2021년 양산체제에 돌입한다.
자동차용 반도체는 2020년 코로나19에 따른 수요 부족으로 부진했으나 2020년 하반기부터 자동차 수요 증가에 따라 마이크로 칩 품귀현상이 나타나고 있다.
IC인사이츠는 전자시스템과 온보드 연결, 자율주행 시스템, 전기자동차 판매 확대로 2021년 신규 자동차에 장착되는 반도체 가격이 평균 550달러 이상 상승할 것으로 예측하고 있다. 임베디드 MPU는 스마트폰 성장이 둔화되나 자율주행 자동차, 드론, 사물인터넷(IoT) 애플리케이션 수요 증가로 높은 성장이 예상된다.
하지만, 자동차용 반도체에서 국내기업들은 존재감이 약한 편이다. 삼성전자 시스템LSI 사업부에서 자동차용 애플리케이션 프로세서(AP)인 엑시노스 오토를 내놓았으나 매출 점유율이 순위권 밖에 머물고 있다.
자동차용 반도체 시장은 2019년 기준 네덜란드 NXP가 21%를 점유해 1위, 독일 인피니언(Infineon Technologies)이 19%로 2위, 일본 르네사스(Renesas)가 15%로 3위에 올라 있다. 이어 미국 텍사스인스트루먼트(TI) 14%, 스위스 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics) 13% 순이다. 2021년에는 인피니언이 경쟁기업 인수 효과로 1위가 확실시된다.
IHS 마킷은 자동차용 반도체 시장이 연평균 7% 성장해 2026년 676억달러(약 75조3600억원)에 달하고, KPMG는 연평균 6-7% 성장해 2040년 1500억-2000억달러(약 167조2200억-222조9600억원)를 형성할 것으로 예상하고 있다.

자동차용, 전체 반도체의 10% 불구하나 진입장벽 높아…
2021년 2월 중순 기준으로 반도체 공급부족 때문에 1일 이상 가동을 중단한 자동차 공장은 세계적으로 85곳에 달했으며 아시아‧태평양 지역이 36곳으로 가장 많았고 유럽과 북미가 각각 26곳, 23곳으로 뒤를 이었다.
자동차용 반도체는 스마트폰이나 노트북용과 달리 운전자의 안전을 고려해야 하기 때문에 제조‧품질관리가 까다로우며 자동차 평균 수명에 따른 내구성을 갖추어야 하고 소량 다품종 생산이어서 시장점유율 확대가 용이하지 않은 것으로 파악되고 있다.  
이에 따라 자동차용 반도체는 전체 반도체 시장의 10%에 머무르고 있으며 신규기업 진입이 어려워 앞으로도 비슷한 수준을 유지할 것으로 예상된다.  
자동차에는 대략 2000개의 반도체 부품이 들어가며 탑재되는 반도체는 크게 2종류로 구분하고 있다.
먼저, 차선이탈 방지 센서와 거리유지 센서 등 운전보조장치에 들어가는 반도체는 상대적으로 고성능의 첨단공정이 필요하지 않은 것으로 알려졌다.
반면, 스마트폰용 첨단기술을 자동차용으로 전환한 스마트카용 AI(인공지능) 칩이나 자율주행 칩 등 첨단 반도체는 5-7나노미터 등 초미세회로 공정이 적용됐기 때문에 EUV 생산라인을 갖춘 타이완 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing)와 삼성전자만이 양산할 수 있다.
자동차에는 자동차 엔진과 변속기를 제어하는 제어장치(ECU)부터 온도‧습도를 감지하는 센서 등 종류가 다양하고 전후방 카메라, 첨단운전보조시스템(ADAS), 인포테인먼트(자동차 내부정보 제공장치), 전자열쇠, 조명, 운전대, 사이드미러 등에도 반도체가 들어가고 있다.
자동차의 전자장치가 늘어나면서 필요한 반도체 수가 증가하고 있고 자율주행 시대가 오면 2000개 이상을 투입할 것이라는 관측도 제기되고 있다.

세계적 품귀현상 2021년 하반기까지 계속…
IHS마킷과 KOTRA는 최근 발간한 보고서에서 자동차용 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU) 수요가 폭증하고 있는 반면 생산기업이 소수인 시장구조가 품귀현상을 일으켰다고 분석했다.
자동차용 핵심 반도체인 MCU는 타이완 TSMC가 전체 생산량의 70%를 장악하고 있으며 TSMC가 2020년부터 생산량을 줄이면서 공급망 병목현상이 빚어진 것으로 추정되고 있다.
MCU 포함 자동차용 반도체는 네덜란드 NXP, 일본 르네사스, 독일 인피니언 등이 시장을 장악하고 있으나 자체 생산량 외에 TSMC에 생산을 위탁한 품목이 상당수로 파악되고 있다.
자동차용 반도체는 다른 분야에 비해 구식 프로세스를 사용하기 때문에 수요에 따라 즉각 생산을 확대하기 어려운 구조로 파악된다.
르네사스는 자체 공장의 구식 프로세스를 축소한 영향으로 TSMC에 대한 선폭 40나노미터 이하 MCU 위탁생산 비중을 10%에서 30%로 대폭 확대했고 후공정 외주 비율은 절반 가까이로 늘린 것으로 알려졌다.
다만, TSMC는 미국 퀄컴(Qualcomm)과 애플(Apple) 등 5G(5세대 이동통신), 스마트폰 등 수익성이 높은 최첨단 반도체를 대량으로 생산해 풀가동하고 있고 전체 위탁생산제품 가운데 자동차용이 차지하는 비율은 4%에 불과해 수익성 측면에서 MCU 등 자동차용 생산 확대에 소극적인 것으로 파악되고 있다.
IHS마킷은 자동차 반도체 수급 불균형이 2021년 3분기까지 계속되고 1분기에만 67만2000대에 달하는 자동차 생산 차질이 발생할 것으로 내다보고 있다.
삼성전자는 자동차용 반도체에서 시작된 품귀현상이 다른 분야로 확대될 가능성이 크고, 특히 2분기경 심각한 수준으로 발전할 수 있다고 예상하고 있다.
TSMC도 반도체 수급타이트 해소에 상당시간이 걸릴 것으로 판단하고 있다.

르네사스, 비자동차용 주력하며 수익성 유지
자동차용 반도체는 모델 체인지까지 수요가 안정적으로 이어짐으로써 공장을 안정적으로 가동할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
하지만, 반도체 생산기업들은 이미 폐쇄했거나 축소한 구식 프로세스로 자동차용만을 주력 생산하는 작업은 큰 메리트가 없고 스마트폰 등 다른 용도에 집중하는 것이 유리한 것으로 판단하고 있다.
르네사스는 자동차용 MCU 시장에서 세계 최대 점유율을 확보하고 있으나 최근 자동차 이외의 시장을 광범위하게 개척하면서 수익구조 다변화에 주력하고 있다.
소니(Sony), 덴소(Denso) 등이 자동차용 반도체 투자를 확대하고 있는 것과는 대조적인 모습으로, 2020년부터 포트폴리오 다각화에 집중하며 수익성을 개선해 효과가 있는 것으로 평가되고 있다.
르네사스는 2020년 기존 주력 용도인 자동차 뿐만 아니라 IoT용 아날로그 및 아날로그/디지털 혼합탑재 반도체인 믹스드시그널(Mixed-Signal) 반도체에 주력함으로써 사상 최대 영업이익률을 달성했다.
MCU를 포함한 자동차용 반도체와 통신‧전원제어 등 자동차 외 반도체 사업 사이의 이익률이 10%나 벌어졌고 매출도 비자동차용이 자동차용을 처음으로 상회했다.
르네사스는 2017년 미국 인터실(Intersil)을 3200억엔(약 3조2000억원)에, 2019년 미국 인테그레이티드 디바이스 테크놀로지(IDT)를 6930억엔(약 6조9300억원)에 인수했으며 2021년 2월에는 영국 다이얼로그 세미컨덕터(Dialog Semiconductor)를 6157억엔(약 6조1570억원)에 인수할 계획이라고 밝혔다.
3사 모두 아날로그 반도체에 강점을 갖추고 있어 비자동차용을 확대하기 위한 르네사스의 포트폴리오 전환 전략에 큰 영향을 미치고 있다.
르네사스는 그동안 디지털 반도체와 자동차 시장에 편중된 포트폴리오로 경영위기를 겪어왔으나 공격적인 인수합병(M&A)을 통해 신규시장을 개척하고 세계적인 자동차용 반도체 품귀현상 속에서도 안정적인 수익을 올리고 있다.

삼성‧TSMC, 첨단 프로세스에서 경쟁 치열
삼성전자와 TSMC도 첨단 프로세스를 두고 경쟁하고 있어 상대적으로 구식인 자동차용 생산을 늘리기에 여력이 충분치 않은 것으로 판단된다.
TSMC는 5나노미터 공정에 기존 월 9만장 투입하던 웨이퍼를 2021년 상반기에 10만5000장으로, 하반기에는 12만장으로 확대하고 2024년까지 16만장의 생산능력을 추가 확보할 계획이다.
퀄컴, 애플, AMD 등의 주문에 대응하기 위한 것으로, 최근 타이완 5나노미터 공장에 1000여명의 엔지니어를 파견한 것으로 알려졌다. 
삼성전자도 TSMC에 이어 5나노미터 양산에 가세하며 10나노미터 이하 공정 경쟁에 박차를 가하고 있다. 글로벌 반도체 위탁생산기업 가운데 5-7나노미터급을 제조할 수 있는 곳은 TSMC와 삼성전자 2곳뿐이다.
삼성전자는 평택2공장에 구축하는 5나노미터 라인의 생산능력을 기존 2만8000장에서 4만3000장으로 상향 조정했고 TSMC에 비해 5나노미터 출발이 늦은 만큼 2022년 양산을 계획하고 있는 3나노미터 공정에서 초격차를 시도할 방침이다.
TSMC 역시 3나노미터 개발을 가속화하고 있고 2022년 양산이 가능하다고 밝혀 경쟁이 심화될 것으로 예상된다.

삼성전자, 오스틴 공장 가동중단으로 조달난 가속화
삼성전자는 텍사스 한파로 전력 공급이 차단되며 2021년 2월부터 6주 동안 텍사스 오스틴(Austin) 공장을 가동 중단했다.
오스틴 공장은 14-65나노미터 공정을 기반으로 모바일 AP, SSD 컨트롤러, 디스플레이 드라이버 IC(DDI), RF, CMOS(상보형 금속산화) 이미지센서 등 IT기기용 전력 반도체와 통신용 반도체와 테슬라(Tesla)용 반도체 칩을 주로 생산하고 있다.
현재는 정상 가동하고 있으나 장기간 셧다운으로 5G 스마트폰과 SSD 등 IT제품 생산에 연쇄적으로 차질이 발생해 자동차용에서 시작된 반도체 품귀현상이 다른 분야로도 퍼질 가능성이 높아지고 있다.
산업통상자원부는 2021년 3월4일 삼성전자와 현대자동차 등이 참여하는 미래 자동차-반도체 연대·협력 협의체를 구성하고 수요·공급기업의 긴밀한 협력을 추진하는 장을 만들었다.
연구개발(R&D) 지원은 물론 2022년부터 자동차용 반도체 신규 전용사업 신설, 기능안전성 인증시설·장비 구축 추진 등을 주요 골자로 조만간 관계부처 협의를 거쳐 종합적인 지원 계획을 내놓을 예정이나 당장의 수급난을 해소하기에는 역부족으로 판단된다.

전동화‧자율주행, 자동차용 반도체 성장동력으로 “기대”
자동차용 반도체는 전체 반도체산업에서 차지하는 비중이 작고 구식 프로세스여서 성장 가능성이 낮은 것으로 치부되고 있으나 앞으로 전기자동차(EV) 보급이 확대되면 스마트폰의 뒤를 이을 거대시장으로 자리를 잡을 것으로 기대되고 있다.
자동차 전동화와 자율주행 성능 개발을 타고 5G는 물론 3차원 레이더(라이다: LiDAR), 탄화규소(SiC) 파워 반도체 수요가 급증하고 있기 때문이다.
앞으로는 자동차용에서 구식 프로세스 뿐만 아니라 첨단 프로세스 반도체 수요가 더욱 급증할 것으로 기대돼 TSMC, 삼성전자 등이 수혜를 입을 것으로 예상되고 있다.
특히, 코로나19 사태가 수습되면 침체된 이동 수요가 회복되면서 시장 성장이 가속화될 것으로 전망된다.
자동차는 내연기관 중심으로 구성된 복잡한 형태에서 배터리, 인버터, 모니터 세트 등 비교적 간단한 구조로 변경되고 있으며 안전성을 높이기 위한 ADAS 탑재가 기본으로 정착되면서 센서 등 다양한 전자기기를 탑재하고 있다.
즉, 자동차 생산 진입장벽이 낮아지고 있어 중국에서는 신흥 전기자동차 생산기업이 잇따라 진출하고 있으며, 애플도 스마트폰처럼 기능하는 애플카를 출시하겠다고 선언해 주목되고 있다.

라이다, 화각‧해상도 개선 경쟁 가속화
ADAS 관련 분야에서는 라이다를 중심으로 신흥기업들의 진출이 잇따르고 있다.
보행자나 맞은편에서 오는 자동차를 감지하는 라이다 기술은 유럽, 미국기업들이 선도하고 있으며 소니도 최근 세계 유일의 CMOS 이미지 센서 기술을 활용해 라이다의 핵심인 측거센서 기술을 개발하며 진출했다.
소니의 측거센서 기술은 파장 905나노미터 레이저 광으로 300미터 앞의 대상물을 정확하게 감지 가능한 것이 특징이다. 다만, 소니는 소자 공급만 하고 라이다를 상업화하지는 않을 것으로 알려졌다.
라이다는 먼 거리에 있는 대상물을 감지할 수 있는 범위인 화각과 해상도를 모두 확보해야 실용화했을 때 경쟁력을 확보할 수 있는 것으로 파악된다.
일반적으로 측정거리 50미터 이하에서 300×50-400×80 화소 해상도가 요구되고 있다.
도시바(Toshiba)는 2020년에 200미터 앞까지 감지할 수 있는 수광기술을 개발했다고 밝혔으나 화각은 수평/직경 7도에 머무르고 있고 해상도 역시 거리가 멀어질수록 태양광 노이즈에 방해를 받아 열화되는 문제가 있는 것으로 알려졌다. 
소니가 개발한 신기술도 현재는 화각 등 데이터가 밝혀지지 않았다.
라이다 분야 최대 메이저인 미국 벨로다인(Velodyne)의 기술자가 설립한 스타트업 셉톤(Cepton)은 소리 굽쇠의 시스템을 활용하는 독자적인 기술과 마이크로 모션 테크놀로지인 MMRT 등을 활용해 최대 200미터 앞에 있는 대상을 수평 90도, 수직 25도 광범위에서 감지할 수 있는 시스템을 개발했다.
동작 온도범위는 영하 섭씨 40도에서 영상 85도여서 자동차의 일반적인 사양을 충족시킬 수 있고 2년 후 100만원대로 출시할 계획이다.
만약 출시 전까지 판매가격을 40만원 선으로 낮출 수 있다면 대중적인 차종에도 탑재가 가능할 것으로 기대하고 있으며 2023년 이후에는 검출거리 30미터 정도에 손바닥에 들어오는 소형 사이즈로 10만원대 저가제품도 양산할 예정이다.
자동차 뿐만 아니라 무인반송차와 산업기기 탑재도 가능할 것으로 기대하고 있다.
인텔(Intel) 자회사인 모빌아이(Mobileye)는 2021년 1월 포토닉 집적회로 등 특수한 구조를 갖춘 라이다용 신형 칩을 공개했다.

SiC 파워반도체, 전동화 타고 성장기 도래
자동차 전동화를 타고 인버터를 소형‧경량화할 수 있는 SiC 파워반도체도 성장기를 맞이하고 있다.
미국 테슬라는 이태리, 프랑스 합작기업인 ST마이크로일렉트로닉스가 생산한 SiC 반도체를 탑재한 모델을 양산하고 있으며, 일본 자동차기업들도 SiC 파워반도체 탑재를 본격화하고 있다.
도요타와 덴소는 2020년 4월 각자의 반도체 기술을 결집시켜 미라이즈테크놀로지스(Mirise Technologies)를 설립해 SiC 잉곳부터 일관 생산하는 기술을 개발하고 있다.
파워반도체 메이저인 인피니언은 자동차용이 최대 사업 분야이기 때문에 최근 코스트 감축을 위한 기술 혁신에 나서고 있으며, 세계 최초로 SiC 트랜지스터(MOSFET) 양산을 시작한 롬(Rohm)은 전기자동차의 고속충전 장치용 수요를 확보하기 위해 제안을 강화하고 있다.
양사 모두 SiC 웨이퍼부터 기기까지 이어지는 일관생산체제를 갖춘 것이 특징이다.
르네사스는 실리콘(Silicone) 반도체 경쟁력이 약화됨에 따라 SiC 파워반도체 상업화를 검토하고 있다. 트렌치 게이트 구조의 SiC와 MOSFET 기술 개발을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.
교토(Kyoto)대학 공학연구과는 2020년 산화막과 SiC의 계면에 있는 많은 결함을 억제하고 SiC 트랜지스터의 성능을 2배로 향상시키는 기술을 개발해 코스트를 3분의 1 낮추는데 성공했다.
이용영역이 넓은 내압 600/1200볼트가 대상이지만 관련기업들이 많은 관심을 나타내고 있고 일본에서만 2020년 가을까지 5사가 공동연구 및 기술 이전을 상담한 것으로 알려졌다.

웨이퍼, 전기자동차화에 수급타이트 더욱 심화
전기자동차는 자동차산업은 물론 반도체산업도 크게 변화시킬 것으로 예상된다.
최근 세계 각국이 휘발유(Gasoline) 자동차 판매 규제안을 잇따라 내놓으며 2025년부터 전기자동차 판매량이 본격적으로 늘어날 것으로 전망되고 있다.
최첨단 전기자동차는 반도체 탑재량이 하이브리드자동차(HV)의 2배 이상이고 전자기기나 전자부품을 다양하게 탑재해 관련기업에게 절호의 기회가 될 것으로 기대된다.
반도체는 코로나19 사태로 비대면 수요가 증가하면서 호황이 이어지고 있다. 스마트폰이나 게임기에 사용하는 최첨단 프로세스용 프로세서와 메모리 판매량이 급증한 영향으로 파악된다.
반도체 생산에는 구경 300mm 웨이퍼가 사용되며 2020년 가을부터는 한동안 침체됐던 구경 200mm 웨이퍼도 급속도로 회복돼 현재 모두 수급타이트 상태를 나타내고 있다.
200mm 웨이퍼 생산은 자동차산업이 V자 회복에 성공해 시황이 회복된 것으로 판단된다.
전기자동차를 포함한 자동차용 반도체는 구식 프로세스로 제조해 구경 200mm나 150mm 웨이퍼를 다량으로 사용하고 있기 때문이다.
앞으로 전기자동차 보급이 확대될수록 200mm 이하 웨이퍼 수급은 더욱 타이트해질 것으로 예상된다.
수요 증가가 확실하지만 구식 프로세스여서 대량생산이 용이하지 않고 중국이 미국과의 무역마찰 영향으로 공급을 크게 늘리지 못하고 있기 때문이다.
따라서 자동차용 반도체 품귀현상과 더불어 웨이퍼 시장도 2022년까지 공급 부족이 계속될 것으로 예상되고 있다.
자동차용 반도체를 구경 300mm 웨이퍼 프로세스로 양산할 수 있다면 공급을 바로 늘릴 수 있으나 기술적 장벽이 높아 인피니언 정도만 대응할 수 있는 것으로 파악된다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)