전력반도체 | 입장료가 비싼 약속의 땅

화합물 반도체 스토리는 수년째 이어지고 있습니다.

신한투자증권의 자료를 정리해봅니다.

"전력반도체 : 1년간의 발자취, Value-Chain 총정리" (신한투자증권 / 2022-11-02 최도연, 고영민, 신현재)

 

 

 

 

| 전력반도체 기초

 

ㅁ 정의 및 분류

 

  ㅇ 전력반도체는 전자기기에 들어오는 전력을 다루는 역할 수행

 

  ㅇ 역할 : 1) 변화 & 변압   2) 분배 & 제어  >> 핵심목표 : 전력효율성 증대
      - 저전력으로 제품 사용시간을 늘리는 것에 대한 필요성 높아짐 > 전력 공급&배분 시 전력손실 최소화 하는 게 중요

 

ㅁ 분류 : Discrete(스위치 소자), IC(집적회로)  > 최종 완제품은 Discrete와 IC가 단독 또는 모듈 형태로 탑재됨

 

 

 

 

  ㅇ Discrete : on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용부품. 트랜지스터와 다이오드로 구분
    - 트랜지스터에는 MOSFET과 IGBT가 있음
    - MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

      : 고속 동작(스위칭)에 적합하나 고전류, 고전압 제품에는 사용 어려움. 저/중전력 가전 고속 스위칭에 적용
    - IGBT (Insulated Gate Bipolar mode Transistor)

      : 고전류, 고전압 상황에서도 적용 가능 but MOSFET 대비 느림. 중/대전력, 고전압 산업 모터 구동에 적용

 

  ㅇ IC는 여러 Discrete 소자를 1개의 칩 속에 집적한 부품 > 통신, 제어, 신호변환 등 특정 목적에 쓰이는 비범용부품
    - 전력반도체 모듈(Discrete + IC) 내에서는 IC가 Discrete를 컨트롤하는 역할 수행

ㅁ 차세대 소재 SiC, GaN

 

  ㅇ 현재까지 전력반도체 소재는 Si 였으나 제품 환경이 고전압, 고주파로 변화하면서 Si로 성능 구현하기엔 한계 직면
    - Si 반도체의 대안 = 화합물 반도체 : 2종류 이상의 원소 화합물로 구성한 반도체
    - SiC, GaN 같은 화합물 반도체는 Si 대비 고전압, 고주파, 고온 환경에서 우위

 

  ㅇ 화합물 반도체의 물리적 특성

 

    1) 와이드밴드갭
       > 밴드갭이란, 간단히 말하면 전자가 얼마나 쉽게 이동할 수 있느냐를 의미함
       > 도체일수록 밴드갭이 얇고 부도체일수록 밴드갭이 넓어 전기가 통하려면 큰 에너지 필요
       > SiC, GaN은 Si 대비 밴드갭이 3배 넓어 고온에서도 반도체 성질 유지
       > Si 최대 사용온도는 175도, SiC는 200도 이상에서도 사용 가능

 

 

 

 

    2) 높은 절연파괴전계
       > 절연파괴전계란, 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압을 의미함
       > Si 대비 SiC, GaN은 절연파괴전계 10배 높음

          >> 동일 전압에서 디바이스 크기를 Si 대비 10배 축소시킬 수 있다는 의미

 

    3) 높은 열전도도
       > 고온에서 열이 발생해도 열전도도가 높아 적은 에너지로 냉각 용이 > 냉각 장치 감축 가능하여 공간 활용도 증가

 

 

  ㅇ SiC vs GaN
    - SiC : Si(실리콘) + C(카바이드) > 고전압용에 적합 > 전기차 핵심 적용 (이외에 철도, 에어컨, 태양광 인버터 등에 사용)
    - GaN : Ga(갈륨) + N(나이트라이드) > 온-저항 낮고 스위칭 속도가 빨라 고주파에 유리 but 고내압 구현 어려움
      > 5G RF, 무선 충전기 등에 주로 사용. 향후 라이다센서, 고속 충전 등에 채택 확대 전망


ㅁ 웨이퍼 제조 공정

 

  1) Poli Silicon Stacking : 다결정 실리콘과 불순물(게르마늄, 인, 붕소 등)을 석영(Quartz) 도가니에 채워넣는 공정
  2) Ingot Growing : 위 도가니의 실리콘을 고온에서 녹여 단결정 실리콘 잉곳으로 만드는 공정
  3) Ingot Grinding & Cropping : 잉곳 표면을 매끄럽게 다듬고 블록 단위로 절단
  4) Wire Sawing : 위에서 절단한 잉곳 블록을 낱장의 웨이퍼로 절단

  5) Edge Grinding : 웨이퍼 가장자리 가공 (직각 > 둥근 형태로)
  6) Lapping : 웨이퍼 표면 연마

  7) Etching : 웨이퍼 표면 손상 부분을 화학작용으로 제거
  8) Double Side Grinding : 웨이퍼 표면 작은 굴곡 제거

  9) Polishing : 웨이퍼 미세 골곡 제거
  10) Cleaning : 웨이퍼 표면 불순물 제거

 

 

  11) Inspection : 웨이퍼 형상, 평탄도 등 품질 검사
  12) Particle Counting : 웨이퍼 표면 결함 검사

 

  13) Epitaxial Growing : 웨이퍼 위에 실리콘 단결정층 증착
  14) Packing : 제품 포장

 [중요] Epitaxial Layer 공정
    - 기판 위에 단결정 박막을 증착하는 공정으로, Epi 층은 칩 제조를 위한 보조막에 해당
    - Epi 공정 뒤 칩 제조 공정을 진행하면 Epi 층 아래 부분은 제거
    - SiC, GaN의 경우 Epi 공정의 부가가치 비중은 전체 공정의 40% 수준
      > Epi 웨이퍼 가격은 非Epi 웨이퍼 대비 2~10배 높아짐
    - 글로벌 기술 수준을 보면, SiC 대비 GaN 기술 수준이 낮은 상황
      > 향후 GaN Epi 기술 발전과 함께 GaN 반도체 활용도 증가 예상

 

| 전력반도체 시장 개요

 

ㅁ 전방산업

 

  ㅇ 대표적 적용처 : 모터가 탑재되는 제품
    - 모터 회전 속도 컨트롤을 위해 MCU가 인버터에 명령 전달 > 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어, 변환
    - 이 때 인버터에 필요한 부품이 전력반도체
      > 전력반도체 성능에 따라 모터의 전력 손실 감소 & 효율적 동력 전달 가능
    - 생활/산업용 전기 제품 대부분에 모터가 들어감 > 미래의 대표적 모터 제품은 "로봇"
      > 로봇의 세밀한 움직임 위해서는 모터 필요량 증가 > 전력반도체 수요 증가

 

  ㅇ 전력반도체 시장을 개화시킨 적용처 : 가전, 스마트폰, 자동차
    - 향후 친환경, 4차 산업혁명 관련 적용처 증가 예상

 

  ㅇ 친환경 : 전기차, 신재생에너지&ESS, 4차 산업혁명

 

    - 전기차 관련 전력반도체 적용 영역

 

      1) 차량 내 전력 변환 장치(EPCU)
         배터리는 직류(DC) but 모터는 교류(AC)  >> 직류/교류 변환 인버터 필요
         배터리는 고전압 but 전장 시스템은 저전압(12V) >> 전압 변환 인버터 필요

 

      2) 내/외부 충전장치
         완속충전 시 외부 교류전기가 차량 내 OBC(On Board Charger) 통해 직류 전기로 바뀌어 충전됨
         급속 충전 시에는 외부 직류 전기를 그대로 배터리에 충전
         >> OBC, 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력반도체 필요

 

      3) V2G(Vehicle To Grid)
         향후 전기차는 움직이는 ESS로서 양방향 충전에 활용될 것임 >> 교류/직류 전력 변환 필요

 

    - 신재생 에너지 : 태양광, 풍력 발전 설비에는 인버터 탑재 > 전력반도체 필요
      1) 태양광, 풍력 : 직류 전력을 생산하므로 발전설비 하나당 교류 전력 변환 인버터 1개 필요
      2) ESS : 신재생에너지 특성상 생산 안정성이 떨어져 ESS 필요성 증대
         ESS 내에서 전력 저장(in) & 공급(out) 모두 이루어지므로 인버터 필요

 

    - 4차 산업혁명 가속화
      1) 서버 : 데이터센터 서버 전원은 용량이 크고 안정적 전원 공급이 요구됨. SiC, GaN 처음 적용된 부문
      2) 로봇 : 각 부위별 모터 회전속도 상이, 이를 제어하기 위한 전력반도체 필요

 

ㅁ 소재의 전환과 경제성

 

  ㅇ 소재의 전환
    - 전기차, 신재생에너지 등은 고전압, 고주파, 고열 등 구동 환경이 거칠어 Si로는 성능 구현 어려움
      > 물리적 특성이 우수한 SiC, GaN 반도체 적용 시작
    - 차세대 전력반도체 채택 확대로 P, Q 동반 증가 전망
      1) P 증가 : SiC, GaN 반도체는 Si 대비 판매단가 우수
      2) Q 증가 : 향후 전방 수요처는 기존 수요처 대비 전력반도체 탑재량 증가 (전기차 EPCU, OBC 등)

 

  ㅇ SiC, GaN 경제성 개선
    - SiC 웨이퍼 가격이 4인치 기준, 시장 초기 1,500만원 수준에서 50만원 수준으로 감소
    - 모듈 단위로 보면 Si 대비 가격 차이가 크지 않음
      > SiC 모듈을 보면, Si 대비 효율은 최대 10배 증가 & 부피 43% 감소 & 무게 6kg 감소
         (SiC가 고열에서도 견딜 수 있어 쿨링 시스템 등이 빠질 수 있기 때문)
      >> 따라서 단일 칩으로는 SiC가 비싸도 완제품인 모듈 가격은 큰 차이 안날 수 있음

 

 

 

| 주요 적용처별 SiC, GaN 채택 현황

 

ㅁ 가전 : 인피니언의 GaN 제품 적용처가 '20년 2개에서 '22년 6개로 확대
    (충전기, 오디오 이외에 주요 가전, TV, PC 등에서도 채택 확대)

 

ㅁ 전기차, 충전기, 신재생 등

 

 

 

 

 

 

 

 

| SiC 전력반도체 시장 규모 전망

 

ㅁ 과거 예상보다 침투율 더 빠름. 당초 예상 '25년 시장규모 17조원 > 19조원으로 상향 조정

 

 

| 전력반도체 밸류체인

 

ㅁ 개요

 

  ㅇ 전력반도체 제조업은 웨이퍼, 칩으로 구분 가능 > 메모리/비메모리 반도체와 동일
      but 웨이퍼 중심으로 차이점이 확인됨

 

  ㅇ 웨이퍼의 경우 기존 Si 웨이퍼 제조사들은 SiC 웨이퍼 제조 안하고 있음 (SK실트론 제외)
     > 소수 선도업체가 점유율 장악하고 있는 배경

 

  ㅇ '20년 기준 6인치(150mm) 이상 SiC 웨이퍼 제조 가능한 회사는 4개 : Wolfspeed, Coherent, Sicrystal, SK실트론

 

 

 

 

ㅁ 웨이퍼

 

  ㅇ SiC 웨이퍼는 Si와 C(탄소) 물질을 녹여 결합해 만든 잉곳에서 추출하므로, Si 웨이퍼와는 다름
    - 관련 기술은 Si와 마찬가지로 국가 보호 대상 기술에 해당

 

 

  ㅇ 전력반도체에는 순수 웨이퍼 위에 Epi 층을 씌운 웨이퍼 사용
    - Si 대비 Epi 공정 중요도 확대 >> Epi 전문 하우스 밸류체인 확대 전망

  ㅇ Epi 밸류체인 확대
    - Wolfspeed 등 웨이퍼 제조사는 자체 Epi 공정 가능 but SiC 특성상 별도 Epi 하우스 외주 비중 증가 예상
    - 이는 SiC 특성 때문임
      > Si 웨이퍼는 실리콘 단일이라 반도체 성질을 갖추기 위한 추가 과정 불필요. 이온 주입을 통한 도핑농도 조절 가능
      > SiC는 2개 원자 결합 형태로 결정질 강도가 다이아몬드 수준으로, 이온 주입 불가능
         >> SiC웨이퍼가 반도체 성질을 갖출 수 있도록 외부에 별도 레이어를 씌우는 공정 필요
    - 전력반도체는 다품종이므로 적용처별, 고객별 Epi 공정 커스터마이징 필요
      > 자원 효율화 및 리스크 분배 목적으로 Epi 전문하우스 활용 비중 확대 예상
    - GaN 기반 Epi 하우스 성장도 기대됨. GaN 반도체의 기술 난이도가 좀 더 높아서 아직 준비 단계

 

ㅁ 칩

 

  ㅇ 탑티어 비메모리 업체들이 SiC, GaN 전력반도체에서도 앞서가고 있음
    - 그 외 Wolfspeed 같은 SiC 웨이퍼 제조사들이 칩 사업까지 함께 진행 중

 

  ㅇ 선도업체 매출은 전장, 산업향 비중 높고 가전향은 상대적으로 낮음

 

  ㅇ 후발업체는 가전향 매출 비중 높으나 전장, 산업향 이익률이 더 높으므로 이 쪽으로 넘어올 계획 중

 

 

ㅁ 시사점 및 밸류체인 정리

 

  ㅇ 수직계열화
    - 선도업체들은 웨이퍼 제조와 칩 제조를 수직계열화 하고 있음
    - SiC의 경우 칩 대비 웨이퍼에서 독과점력이 더 강함

      > 높은 진입장벽과 타이트한 수급 감안 시 현 상황 지속 가능성 높음
    - 칩 제조사 대비 웨이퍼 제조사에서 수직계열화 완성이 더 유리함

  ㅇ 밸류체인 종합 정리

 

 

| 웨이퍼 세부 동향

 

ㅁ Si 웨이퍼
  ㅇ 반도체 웨이퍼는 메모리/비메모리 산업과 함께 성장하는 씨클리컬 산업 > 웨이퍼는 Commodity 성격을 가짐
  ㅇ 여러 업체간('90년 27개사 > '03년 16개사 > '16년 5개사) 경쟁으로 싸이클이 이어지다가 '18년 변곡점 맞이
    - 장기공급계약이 정착하여 실적 변동성 축소
    - '17~18년 메모리 반도체 슈퍼싸이클에 대응하여 칩 제조사들이 조달 안정성 향상을 위해 웨이퍼 장기공급계약 활용
    - 웨이퍼 공급자가 상위 5개사로 재편된 영향

  ㅇ 웨이퍼 장기공급계약 안정성이 반도체 칩 대비 높은 이유
    - 웨이퍼는 칩 제조사 입장에서 필수 원재료 > 단기 재고 조절 필요성이 낮아 중장기적 관점에서 보유 가능
    - 웨이퍼 가격 변동성이 크지 않음. 현물 시장이 뚜렷하게 존재하지 않고 협상 가격에 미치는 영향력 미미
    - 그 반면, 칩 제조사들은 이중계약(double booking) 때문에 장기공급계약이 불안정함
      > 최종 고객사들이 여러 칩 제조사들에게 이중으로 주문 넣음
      > 반도체 수요 둔화 발생 시 고객사들은 이중 주문을 취소하여 공급과잉 발생 가능
      > 반도체 현물 시장이 존재하는 관계로, 반도체 현물가 하락은 칩 제조사들의 가격 협상력을 낮춤
         >> 왜냐하면 고객사들은 "장기공급가격 > 현물가"인 상황에서는 현물 구매를 선호할 것이기 때문

 

 

  ㅇ 결론 : 웨이퍼 공급자 우위 지속 & 수요 지속 확대
    - '18년 이후 웨이퍼 제조사의 실적 안정성이 확인되는데, 웨이퍼 공급과잉은 제한적이고 ASP 증가세 지속
    - ASP는 2Q15 당시 0.7달러 수준이던 것이 현재 1달러 수준으로 약 40% 가량 증가
    - 장기공급계약 구조 하에서 웨이퍼 제조사는 확정수요에 기반한 증설 진행 중

      > 반도체 업황 둔화 구간에서도 ASP 하락 가능성 낮음
    - 반도체 탑재 기기 종류 증가 & 기기당 반도체 탑재량 지속 증가 & 공정기술 난이도 상승으로

      칩 제조업체 캐파 증설 증가
      > 구조적인 웨이퍼 사용량 증가는 필연적

 

 

ㅁ SiC 웨이퍼

 

  ㅇ 8인치(200mm) 전환 이슈
    - 글로벌 선도업체(Wolfspeed, Coherent, SiCrystal, SK실트론)의 최우선 과제는 6인치 > 8인치 양산 전환
    - Wolfspeed가 가장 빠름

      > '22년 4월 8인치 Mohwak Valley Fab 완공 & 양산 시작

      > '24년 8인치 Chantham County Fab 1단계 건설 완료

 

 

  ㅇ SiC 웨이퍼 신규 진입 가능성이 낮은 이유
    - 기술력 : SiC 기술은 국가에서 보호하여 신규 진입자는 기술을 새로 개발해야함. 어려움
    - 기술격차 : Wolfspeed처럼 8인치 양산업체도 있어 후발주자는 수율 격차 따라잡기 쉽지 않음

 

ㅁ 글로벌 주요 웨이퍼 업체 개요

 

    * Wolfspeed FY1Q23 실적 등 주요 내용
      - FY23 CAPEX : 5.5억달러(FY4Q22 당시) > 10억달러
        >> 주요 배경 : Chantham County Fab 투자 확대, 매출성장률 증가
      - 8인치 Chantham County Fab '24년 1단계 건설 완료 목표 (13억달러 투자)

        >> Durham Fab 대비 생산능력 10배 확대 가능

FY17 이후 매출 감소는 LED 사업 철수 영향에 따른 것임

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| 칩 세부 동향

 

ㅁ 전력반도체 칩 산업은 웨이퍼 대비 상대적으로 변화가 적음
  ㅇ 글로벌 선도 비메모리 칩 제조사들이 Si에서와 마찬가지로 앞서가고 있음
  ㅇ SiC 웨이퍼 제조사들의 칩 영역 확대가 Si와의 차이점 > Wolfspeed 등 웨이퍼 제조사의 수직계열화 진행 중

ㅁ SiC, GaN 칩 수요 전망 상향 조정
  ㅇ Wolfspeed는 예상보다 큰 전방 수요를 확인, Mohawk Valley Fab 이후 2번째 8인처 Fab 착공 시점을 앞당김

 

 

 

ㅁ 글로벌 주요 칩 업체 개요

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| 국내 전력반도체 산업

 

ㅁ SK실트론
  ㅇ SiC 웨이퍼 제조 글로벌 4위 > 증설 진행 시 '25년 이후 글로벌 2위 가능
  ㅇ 칩 밸류체인 추가
    - '22년 4월 SiC 칩 제조사 예스파워테크닉스 인수
    - GaN 반도체 제조사 RFHIC와 '22년 9월 예스파워테크닉스의 JV 설립 추진
  ㅇ SK 그룹 내 EV 충전기, ESS, 가전, 신재생에너지까지 전력반도체 수요처 존재

    - 전력반도체 생산부터 소비까지 내재화 가능

 

 

 

ㅁ LX세미콘
  ㅇ '21년 10월 LG이노텍의 SiC웨이퍼 제조 관련 특허 60건과 생산 설비 양수 받음 > Epi 공정 관련 기술
  ㅇ Epi 공정 특화 밸류체인 진입을 목표로 하고 있는 것으로 추정

 

ㅁ DB하이텍
  ㅇ SiC, GaN 전력반도체 공정 기술 개발 중
  ㅇ GaN 전력반도체의 경우 에이프로세미콘과 공동개발 추진 > '24년 이후 사업 본격화 예상

ㅁ SiC 자체 공급사

 

  ㅇ KEC
    - '50년 이상 전력반도체 사업을 영위하여 Si 제품 매출 발생 중
    - 한국산업기술평가관리원으로부터 SiC MOSFET 상용화 적합 평가 받은 국내 2개 업체 중 하나
    - 프리미엄 TV향 소량 SiC 제품 공급 성공. 2H23 ~ 1Q24 중 대규모 양산라인 증설 예상

 

  ㅇ 파워큐브세미(비상장)
    - 한국산업기술평가관리원으로부터 SiC MOSFET 상용화 적합 평가 받은 국내 2개 업체 중 하나

 

  ㅇ 아이에이(트리노테크놀로지)
    - 조향장치용 Si 전력모듈, 전력제어기 제품 주력 공급 중
    - SiC 개발 완료 & 상용화 준비 중


ㅁ GaN 자체 공급사

 

  ㅇ 에이프로
    - 2차전지 활성화 공정에 쓰이는 충/방전기, 테스트 장비 제조
    - 100% 자회사 에이프로세미콘을 통해 GaN Epi 공정 처리
    - 향후 DB하이텍을 시작으로 GaN Epi 웨이퍼 매출 본격화 전망

 

  ㅇ 아모센스 : GaN 반도체 관련 개발 진행 중

 

ㅁ 전문 Epi 하우스

 

  ㅇ 아이브이웍스(비상장) : GaN Epi 공정 전문으로, Epi 뿐 아니라 웨이퍼 생산 고유 기술도 보유

 

  ㅇ 아르케(비상장)
    - SiC Epi 공정 전문으로, 6인치(150mm) 기준 유의미한 수율 확인
    - '23년 양산 목표

 

 

 

이번 정리는 여기까지 입니다. 유의미한 매출이 발생하는 시점은 대개 '24년 이후 이기 때문에 주가는 실적에 한참 선행하고 있습니다. 투자 매력도는 국내업체보다는 글로벌 선두업체가 더 우위에 있고, 업체를 더 추려내자면 Wolfspeed, Onsemi 가 좋아보이네요. ST micro도 좋지만 미국에 상장되어있지 않아 투자가 불편하다는 단점이 있습니다.

 

증설 일정을 보면 대개 '24년에 캐파가 급증하는데 Q는 그렇다 쳐도 P가 유지될 수 있을까? 에 대한 의구심이 싹트는군요. 물량에 장사 있을까요? Wolfspeed의 주가 폭락에는 가이던스 하향보다 증설 욕심이 더 크게 작용하지 않았나 하는 생각이 듭니다. 인플레이션 시대에 PSR 14.2배 성장주라니 부담스럽습니다만.. '25년까지 CAGR 70% 를 외면하기 쉽지 않네요.