2022년 2월 24일 미국 에너지부는 2050년까지 탈탄소 목적의 에너지 부문 산업 기반을 구축하기 위한 미국 최초의 종합적 정부 계획인 “강력한 청정 에너지 전환을 위한 미국의 공급망 확보 전략(America’s Strategy to Secure the Supply Chain for a Robust Clean Energy Transition)”을 발표했다. 해당 전략은 미국 공급망과 관련한 바이든 대통령의 행정명령 14017*에 대한 결과물로써 반도체 부문을 비롯해 탄소 포집, 에너지 저장, 원자력 에너지, 태양광 발전 등 13개 분야에 대해 심층 평가를 수행하고 미국의 에너지 제조 기반 강화 방안을 마련하는 것을 목적으로 한다.

  주*: 2021년 2월 바이든 대통령이 취임 직후 에너지부를 비롯한 7개 집행 기관에 미국 내 주요 산업(반도체, 배터리, 희토류, 의약품 등)에 대한 공급망 현황과 육성 전략을 수립하도록 지시한 행정명령

이들 중 반도체 공급망 심층평가 보고서^*는 주로 WBG(광대역갭) 반도체에 중점을 두고 있다. WBG 반도체는 전기자동차 등에서 탈탄소화를 이루기 위한 핵심부품이기 때문에 미국은 향후 WBG 반도체 분야의 주도권을 유지하고 확장할 계획이다. 미국은 역사적으로 반도체 부문에서 지배적인 위치를 누려왔지만 시간이 지남에 따라 반도체 제조기반이 약해지면서 공급망의 위험도가 높아졌고 여러 취약점이 드러나고 있다. 해당 보고서에서는 미국의 WBG반도체 공급망을 심층적으로 평가하고 앞으로 미국이 취해야 할 방향성을 제시하고 있는 바, 관련 분야의 우리 기업들에도 중요한 참고자료가 될 것으로 보인다

    주*: 해당 보고서에서 심층적으로 평가하는 반도체 공급망은 WBG 반도체로, 지난해 발표한 “공급망 100일 검토 보고서”에서 주로 다룬 기존 반도체와 관련한 내용은 재차 반복하지 않았다. 해당 보고서 전문은 여기에서 확인 가능하다.

WBG 반도체 공급망 평가 내용과 위험도

<WGB 전력 반도체에 대한 위험 평가 매트릭스>

[자료: 미국 에너지부]

▲ 원료부문

(평가 내용) 해당 보고서에서는 WBG 반도체의 주요 원료인 실리콘(Si, 규암), 흑연(C), 갈륨(Ga)에 대해 평가하고 있다. 

먼저 실리콘의 경우 전 세계적으로 모래 형태로 풍부하게 존재하지만 수요와 가격이 상승하면서 모래의 무분별한 채굴에 따른 환경 피해와 노동착취문제가 심각해지고 있고 이에 따른 규제가 공급망 복원과 밀접한 관계가 있다고 평가했다. 흑연의 경우 SiC WBG 반도체의 원료로, 천연 흑연은 채광을 통해 얻고 합성 흑연은 석탄이나 석유 코크스를 통해 공업적 방식으로 만들어지는데 미국의 경우 천연 흑연을 생산하지 않으며 매장량이 제한적이라고 평가했다. 갈륨의 경우 미국에서 채굴되지 않으며, 전 세계적으로 현재 보크사이트 및 아연 광석 처리 과정에서 2차 생성물로 회수된다. 현재 GaN 전력 반도체의 생산에 사용되는 갈륨은 소량이지만 향후 벌크 GaN 기판이 등장해 고전압 전력 장치를 생산하는데 사용된다면 훨씬 더 많은 갈륨이 필요할 것으로 예상된다고 평가했다. 한편 중국은 전 세계 갈륨 생산량의 90%를 차지해 갈륨 생산을 주도하고 있다고 언급했으며, 2021년 기준 미국 내 1개 기업이 수입 저순도 1차 갈륨금속 및 스크랩에서 고순도 갈륨을 회수 정제했다는 사실을 보고했다.

(위험도) 해당 보고서에서 갈륨은 WBG 반도체 주요 재료 중 공급망 위험도가 가장 높다고 평가했다. 미국에서 사용되는 갈륨은 모두 수입산이며 중국산은 90% 이상이다. 흑연 역시 공급망 위험도가 높은 것으로 나타났다. 미국에서는 흑연을 생산하지 않으며, 앞으로 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 높아지면서 흑연 수요도 크게 증가할 것으로 전망했다. 실리콘의 경우 2020년을 기준으로 미국에서 실리콘 재료를 생산하는 회사는 총 6곳이고 겉보기 소비량의 50% 이상의 충족하며 강력한 국내 및 글로벌 시장을 보유하고 있는 것으로 분석했다.

▲ 가공재료 부문

(평가 내용) 해당 보고서에서는 여러 미국 회사가 WBG 반도체 가공재료로 사용되는 SiC 및 GaN 에피택시 웨이퍼를 생산하고 있으며, 미국은 특히 SiC 웨이퍼에서 매우 강력한 시장 위치를 차지하고 있는 것으로 평가하고 있다. GaN 웨이퍼 생산의 대부분은 대만에서 이루어지고 있다고 언급했다.

SiC 웨이퍼/볼(boule)에 대한 제조용량이 가장 높은 두 회사는 미국 기업인 Wolfspeed와 Ⅱ-Ⅵ인데, Wolfspeed의 경우 연간 약 7만5000~10만 단위 용량, Ⅱ-Ⅵ의 경우 연간 약 7만의 단위 용량을 생산하는 것으로 추정된다. 두 회사는 최근 SiC 기판 생산능력 확충을 위한 투자사실을 발표했다. 일본과 EU의 합작회사인 SiCrystal은 연간 약 6만 단위 용량의 생산능력을 보유하고 있으며, 나머지 기업들은 연간 3만5000단위 용량 이하의 생산능력을 보유하고 있다.

개방형 SiC 파워 에피택시 웨이퍼 시장은 미국의 Wolfspeed와 일본의 Showa Denko가 지배적이며 시장 점유율도 비슷하다. 이와 함께 해당 보고서에서는 두꺼운층 에피택시(최대 100μm)를 갖는 SiC 웨이퍼의 품질과 성능은 현재 잘 정립돼 있으나 빠르게 부상하는 청정 에너지 응용 분야의 수요를 충족하는데 필요한 규모로 재료가 생산되지는 않는다고 보고했다.

(위험도) WBG 반도체 관련 가공재료는 아직까지 국내 및 글로벌 시장의 수요가 미미하지만 벌크 GaN 기판을 제외하고 두꺼운 층 에피택시 SiC 웨이퍼, 실리콘웨이퍼 상 GaN, DBC 절연체 기판에 대한 수요는 급격히 증가할 것으로 전망했다. 해당 보고서에서는 Wolfspeed가 실리콘웨이퍼 상 GaN을 공급하는 유일한 업체이며, DBC 절연체 기판을 공급하는 미국 업체는 단 3곳뿐이라며 실리콘웨이퍼 상 GaN, DBC 절연체 기판 모두 미국 내 공급업체가 제한적이라고 밝혔다.

▲ 최종제품 부문

(평가 내용) 최종제품 부문인 WBG 반도체와 관련해 해당 보고서는 WBG전력 장치 글로벌 시장 규모가 약 6억 달러이며, 현재 시장은 프랑스-이탈리아 회사인 STMicroelectronics가 지배하고 있고 최근 미국의 Wolfspeed는 뉴욕 Marcy 지역에 세계 최대 규모의 SiC 전력소자 제조시설을 건설하는 중이라고 밝혔다.

(위험도) 해당 보고서는 대만과 유럽이 WGB 반도체 시장을 장악하고 있다고 평가하며, 반도체 시설에서 발생하는 탄소발자국 문제와 반도체 제조장비에 사용되는 화학물질들이 환경에 미치는 악영향 문제를 지적했다.

▲ 조립 테스트/패키징 및 패키징 재료 부문

(평가 내용 및 위험도) WBG 전력 반도체 패키징은 저전력 패키징과 고전력 패키징으로 나뉜다. 해당 보고서는 저전력 개별(단일 다이) 전력 장치 패키징의 경우 거의 독점적으로 해외에서 생산되고 있어 현재 미국에서 해당 패키징에 대한 부가가치 또는 경제적 이점이 제한적인 것으로 평가했다. 반면, 고전력 및 고전압 모듈 패키지는 WBG 전력 반도체 소자 제품의 성능에 매우 중요한데, Wolfspeed(Fayetteville, AR), Powerex(Youngwood, PA) 및 GE Aviation(Pompano Beach, FL)을 포함한 미국 회사가 혁신을 주도하고 있지만 생산능력은 떨어진다고 보고했다.

미국의 기회요인과 도전과제

해당 보고서는 미국이 Wolfspeed와 Ⅱ-Ⅵ를 앞세워 전 세계에서 가장 많은 SiC 기판 생산능력을 보유하고 있고 품질도 세계 최고 수준이며, 두 회사 모두 상당한 규모의 미국 내 시설 확장 계획을 가지고 있는 바 WBG 반도체 부문에서 경쟁력이 있다고 평가했다. 하지만 WBG 전력 전자부문이 빠르게 진화하고 경쟁이 치열한만큼 미국이 현재의 경쟁력을 유지하려면 훨씬 더 높은 성능과 효율로 미국 내에서 WBG 전력 전자 장치를 생산해야 하며, 자국 내 생산능력이 올라가면 미국 현지 공급망과의 통합을 통해 미국 전기 장비 제조업체에 전략적 이점을 제공할 수도 있으므로 좋은 기회가 될 것으로 전망했다.

이러한 기회를 실현하기 위해서 해당 보고서는 공급망 구축에 상당한 자본을 투자해야 한다는 점도 강조하면서 특히 에너지 효율과 밀접한 관련이 있는 고급 패키징 분야의 연구개발도 필요하다고 밝혔다.

전망 및 시사점

현재 미국을 비롯해 전 세계적으로 WBG 반도체에 대한 수요에 비해 공급이 부족한 상황으로, 앞으로 미국에서 관련 R&D에 대한 투자는 지속될 것으로 예상된다. 이와 관련해 Wolfspeed는 2024년까지 SiC 관련 생산설비를 현재의 30배 수준으로 증설하고 GaN 사업 부문에 10억 달러를 투자하기로 했다.

국내에서는 LG이노텍, 포스코, SK 실트론 등이 SiC웨이퍼를 개발 중이며 전기연구원 등 정부출연연구원을 중심으로 고온·고에너지 이온주입장비를 구축해 기업, 연구소, 대학의 SiC 전력반도체 연구 개발을 지원하는 등 기본적인 R&D 인프라를 구축하는 것으로 알려져 있다. UC 버클리 디바이스 그룹 및 화중과기대(HUST) 반도체 대학 교수인 홍정민 박사는 KOTRA 실리콘밸리 무역관과의 인터뷰에서 “국내 WBG 반도체 기술은 현재 미국, 유럽, 일본 등과 비교해 조금 부족한 단계이지만 에피 성장에 필요한 화학품, 공정재료, 패키징에 초점을 맞추고 협력을 한다면 초기 시장 진입이 용이할 것이다. 전력 발전, 자동차 회사 등을 중심으로 한 산학연 반도체 협력에서 정부 지원 과제 등으로 큰 생태계가 형성된다면 웨이퍼, 장비, 패키징을 아우를 수 있는 기술 발전이 이루어질 것으로 기대된다”고 밝혔다.

자료: DOE, Blommberg, Reuters, KOTRA 실리콘밸리 무역관 자료 종합