3차시_반도체 산업 구조의 이해
이번 시간은 반도체 산업에 대해 살펴보겠습니다.
- 반도체 산업에 대해서
삼성전자, sk hynix, 인텔, 애플, 퀄컴, tsmc는 누구나 알고 있는 유명한 기업이며 이들 기업은 반도체 산업에서 세계적인 선두주자로 사로 잡았습니다. 특히 삼성전자와 하이닉스는 메모리 반도체 분야에서 세계 1위와 2위를 차지하고 있고 tsmc는 세계에서 가장 큰 파운드리 기업 중 하나입니다. 이러한 기업들은 반도체 산업에서 엄청난 영향력을 갖고 있습니다. 하지만 이러한 기업들이라 하더라도 수천 개의 협력사들이 도와주지 않으면 반도체를 제대로 만들 수 없습니다. 예를 들어 메모리 반도체 세계1위인 삼성전자도 반도체 공정에 필요한 설비를 생산하고 있지 않습니다.
반도체 산업은 대부분의 기술이 한국, 대만, 미국, 일본에 집중되어 있습니다. 이들 나라는 각각 다른 강점을 가지고 있습니다. 한국은 대규모 반도체 생산라인을 구축하는데 탁월한 능력을 가지고 있으며, 대만은 고성능 반도체 생산과 후공정 분야에서 세계적으로 유명합니다. 미국은 반도체 설계 기술에서 선두주자이고 일본은 소재, 부품, 장비 분야에서 강점을 가지고 있습니다.
반도체 산업이 '왜' 중요할까요? 크게 4가지로 설명드리자면, 첫 째 반도체 산업은 혁신의 중요한 원동력입니다. 반도체 기술을 통해 새로운 기술과 제품을 개발할 수 있습니다. 예를 들어 인공지능, 빅데이터, 스마트 팩토리, 자율 주행 등의 미래 산업 분야에서는 반도체 기술이 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 분야에서는 빠르고 안정적인 데이터 처리 능력이 필요로 하는데 이를 가능하게 하는 것이 반도체입니다.
둘 째 경제적 가치가 높은 산업입니다. 전 세계 반도체 산업은 2022년 총 5,957억 달러의 매출을 달성했습니다. 한화로 약 1년에 700조원이 넘는 매출을 내는 고부가 가치 산업입니다. 이에 고임금 일자리 창출이나 반도체 성능 향상에 따른 신사업 규모 확대 등도 반도체 산업이 가져다 주는 경제적 이익이라 할 수 있습니다.
셋 째 전 세계 국가 안보에 중요한 역할을 합니다. 미사일이나 드론과 같은 첨단 무기에는 고성능 반도체가 필요합니다. 특히 한 국가가 이런 반도체를 직접 제조할 수 있는 기술을 보유하고 있다면 다른 국가와의 갈등과 경쟁에서도 우위를 가질 수 있습니다. 즉, 고성능 반도체 제조 기술은 국방 분야에서도 강력한 무기가 될 수 있는 것입니다.
넷 째, 반도체는 에너지 효율 개선에 핵심적인 부품입니다. 이전 차시에서 잠깐 언급했던 LED는 형광등과 달리 전기를 효율적으로 사용하여 빛을 내기 때문에 에너지를 효과적으로 아낄 수 있습니다. 또한 포토 다이오드란 반도체는 태양광 발전에 핵심 부품으로 에너지를 생산하는 역할을 합니다. 배터리 효율 높여주는 BMS(배터리 매니지먼트 시스템)에도 반도체가 핵심 부품으로 활용되고 있습니다.
- 반도체 시장의 구성
반도체 산업은 대기업 혼자서 반도체 하나를 제대로 만들어 낼 수 없습니다. 수천 개의 회사들이 도와줘야 만들 수 있는 복잡한 산업 구조를 나타내고 있습니다. 이처럼 반도체 산업이 복잡한 산업 구조를 나타내는 이유에 대해 알아보겠습니다.
반도체를 생산할 수 있는 나라는 몇 개 되지 않는데, 가장 큰 이유는 반도체를 생산하기 위해서 천문학적인 자본금이 필요하기 때문입니다. 기본적으로 FAB 1개를 건설하는 금액이 한화로 조단위를 넘어가고, 공업용수와 전기 등의 유틸리티 시설에도 대대적인 투자가 필요합니다. 한 예로 2023년 3월 삼성전자가 미국 텍사스 주에 신규 팹을 짓기 위해서 32조가 넘는 금액을 투자해야한다는 전망도 나왔습니다. 더군다나 반도체 산업의 기술 발전 속도도 매우 빠르기 때문에 지속적인 투자가 추가로 이루어져야 경쟁에서 뒤지지 않습니다. 실제로 2009년에는 팹 설립 비용이 2009년에는 16억불이었으나 2022년에는 170억불로 약 10배가 증가하였습니다.
그렇다면 자본이 많으면 반도체 산업에 성공할 수 있을까? 꼭 그렇진 않습니다. 대규모 자금이 필요한 투자 장벽 뿐만 아니라 미세공정 한계에 따른 기술 장벽도 극복해야합니다. 반도체 미세 공정을 구현하기 위해서는 뛰어난 기술력이 필요합니다. 중국은 막대한 자금으로 대만, 한국 등의 우수한 인력들을 확보하려는 노력에도 현재 미세 공정 기술확보에 어려움을 겪고 있습니다.
반도체 산업이 복잡한 구조인 이유에는 국가간 정치 이슈도 있습니다. 정치적인 이유로 미국이 중국 반도체 기업에 강력한 규제를 가하고 있습니다. 미국이 기술, 인력, 장비, 소재에 대해 중국에게 제제를 두어, 중국은 엄청난 자금 투자에도 현재 반도체 자급률이 16% 대에 머물러 있습니다. 이처럼 반도체 산업은 국가의 정치적 상황에도 영향을 미치고 있습니다.
이러한 이유들로 세계 국가들이 반도체 산업에 쉽게 뛰어들지 못하게 되었고, 결국 각 국가들은 생산이면 생산, 설계면 설계, 장비면 장비 등 자신들이 잘할 수 있는 분야에 집중적으로 투자하게 되었고 자신들이 부족한 부분들은 다른 기업과 협력하는 지금의 산업 형태가 되었습니다.
- 반도체 산업 구조
반도체 산업은 소부장, 설계 제조, 패키징&테스트 기업들로 구성됩니다.
소부장 기업은 반도체 생산을 위해 필요한 여러 소재, 부품, 장비 업체들을 통칭하여 부르는 말입니다. 반도체 생산 과정에서 절대로 없어선 안될 역할을 맡습니다. 반도체 생산에서 설계 또한 매우 중요한 역할을 합니다.
반도체 칩을 만들기 전에 반드시 칩의 모양과 내부 구성을 그려 놓아야 하는데, 이는 마치 건물을 만들기 이전에 건물의 설계도를 그리는 것과 비슷합니다. 설계가 완료되면 제조 과정이 시작됩니다. 제조는 반도체를 실제로 만드는 과정을 의미하는데, 여기서 반도체 칩을 만들기 위해 다양한 장비와 소재, 부품 등이 사용됩니다. 반도체 생산과정의 마무리는 패키징과 테스트입니다. 패키징은 반도체 칩을 완성된 형태로 만들기 위한 과정입니다. 이 과정에서 반도체 뚜껑을 씌우거나 다양한 포장 과정을 거쳐 반도체 칩이 우리가 흔히 보는 형태로 만들어지게 됩니다. 마지막으로 테스트는 설계 과정에서 기대했던 성능과 안정성이 실제로 확보되었는지를 확인하기위해 반드시 필요한 과정입니다.
각각의 기업들의 특징을 예시를 들어보겠습니다. 반도체 제조에 필요한 소재는 웨이퍼, 각종 가스와 화학물질들이 있는데, 웨이퍼는 반도체를 만드는 그릇 역할을 하고 각종 가스와 화학물질은 반도체 제조 과정에서 필수적으로 사용됩니다. 반도체는 정밀하고 세밀하게 제작되어야 하기 때문에 각 소재의 품질 분석과 순도 확보가 매우 중요해졌습니다. 이러한 소재 산업은 특히 일본에서 굉장히 발전되어있는데 이는 일본의 높은 수준의 기초과학연구기술과 정밀성 덕분입니다.
부품 업체는 공정을 진행하는 장비에 필요한 부품을 생산하고 있습니다. 예를 들어 반도체를 만드는 과정에서는 닿아서 안되는 먼지나 가스를 없애기 위해 장비 안의 공기를 빼준 뒤 공정을 진행합니다. 이렇게 공기가 빠진 상태를 진공(Vaccum)이라고 하는데 이를 만들기 위해 진공 펌프와 같은 부품이 필요합니다. 또한 장비가 계속 작동하면서 열이 발생하면 공정이 제대로 진행되지 않거나 장비가 고장날 수 있는 위험이 따라옵니다. 따라서 이를 방지하기 위해 장비의 온도를 내려주는 냉각 시스템이 필요합니다. 이 장비에는 컴프레셔, 콘데서, 온도센서, 등의 부품이 필요합니다. 이외에도 반도체 장비에는 레이저 부품이나 밸브 등 수백개의 부품이 사용되고 있습니다. 이들 부품은 미국이나 일본의 업체에서 높은 점유율을 갖고 있습니다. 장비는 크게 공정 장비와 계측 장비를 만드는 회사로 구분됩니다.
반도체는 여러 단계를 거쳐 만들어 지는데 각각의 단계를 단위 공정이라고 합니다. 단위 공정에는 웨이퍼 제조, 산화 공정, 포토 공정, 식각 공정, 패키징 등등이 있는데 이러한 공정에서 사용되는 장비를 공정 장비라 합니다.
또한 이렇게 탄생한 제품의 형태와 성능을 정확히 측정하는 장비를 계측 장비라고 합니다. 공정 장비와 계측 장비는 믹국, 일본, 대만, 한국이 강세를 보이고 있습니다. 설계, 제조, 패키징 및 테스트 업체는 소부장 업체에서 장비와 소재를 구입하여 반도체를 생산하게 됩니다. 이때 설계부터 패키징 및 테스트까지의 과정은 하나의 업체가 담당하는 경우도 있고 여러 업체가 나눠서 담당하는 경우도 있습니다. 이중 혼자 담당하여 만드는 업체를 IDM이라고 한다. IDM은 Intergrated Device Manufacturer의 약자로 우리 말로 하면 종합 반도체 회사입니다.
IDM의 가장 유명한 회사로는 삼성전자와 인텔이 있습니다. 하지만 IDM 기업이 항상 혼자 반도체를 만드는 것은 아닙니다. IDM도 여러 회사의 소재나 부품 을 구매하여 반도체를 제조하고 있고 설계 단계에서도 IP나 SW를 구매하여 제조하고 있습니다.
IP Provider는 IDM이나 팹리스(반도체 설계 업체)에 반도체 설계에 필요한 IP를 개발하여 라이선스를 제공하는 기업입니다. IP (Intellectual Property) 란? 반도체 설계에 필요한 회로를 그리기 위해 미리 만들어 놓는 것으로 모바일 칩이나 컴퓨터에 cpu등을 설계하는데 사용됩니다. IP provider 기업은 일반적으로 IP 판매가 주요 수입원이기 때문에 소규모 기업의 형태입니다. SW Provider는 반도체 설계에 필요한 EDA Tool이나 반도체 회로의 Layout을 설계하는 소프트웨어를 제작하여 공급하는 업체를 말합니다. EDA란 electronic design automation의 약자로 다양한 전자장치를 설계하는 프로그램이고 layout이란 특정기능을 수행하는 회로를 칩으로 제작할 수 있도록 패턴으로 구현한 것입니다. 더 쉽게 이야기 하면 컴퓨터에서 설계도를 그릴 수 있도록 하는 것이 EAD Tool이고 이 평면 설계도를 웨이퍼에 그릴 수 있도록 변환시킨 그림이 layout인 셈입니다.
팹리스(Fabless)업체는 반도체 제조를 위한 설비인 팹을 보유하지 않고 반도체의 설계와 개발에만 전념하는 업체를 말합니다. 최근 특정 기능을 목적으로 하는 시스템 반도체 시장이 더욱 커지면서 팹리스 업체를 찾는 기업이 많아 지고 있습니다. 팹리스 업체에서 개발된 반도체 설계는 디자인 하우스 업체를 거쳐 생산 전문 업체인 파운드리 업체에 전달됩니다. 팹리스 업체는 반도체 제조 과정에서의 전문적인 설계 능력을 제공해서 반도체 시장에서 굉장히 중요한 역할을 담당하고 있습니다.
디자인 하우스는 팹리스와 파운드리 업체를 연결하는 역할을 하는데요. 팹리스에서 설계한 회로 데이터를 파운드리에서 쉽게 알아보고 생산할 수 있도록 변환해주는 서비스 제공이 디자인 하우스의 주된 역할입니다. 각 회사마다 설계도 양식이 달라서 팹리스에서 설계한 데이터를 파운드리 업체에 곧 바로 전달하면 소통의 문제가 발생할 수 있습니다. 이때 팹리스 업체의 설계도를 파운드리 업체의 언어로 바꿔서 두 회사의 소통을 도와주는 기업이 바로 디자인 하우스인 것입니다. 파운드리(Foundry)는 오직 반도체 제조만을 담당하는 기업입니다. 앞서 설명드린 것처럼 팹리스 업체에서 설계한 반도체를 실제 제품으로 만드는 역할을 하는 곳이죠. 팹리스 업체는 파운드리 업체가 없다면 존재하기 힘든 업체이고 반대로 파운드리 업체 역시 팹리스 업체가 없다면 존재가 불가능합니다. 서로 공생 관계라고 볼 수 있습니다. 파운드리 업체는 주문한 수량만 생산 하기 때문에 제고를 쌓을 필요가 없어서 상대적으로 수익률이 좋은 사업입니다. 하지만 반도체를 제조하기 위해서는 앞에서 봤던 팹이 필요합니다. 즉, 초기에 팹을 만들 수 있는 충분한 자본금이나 국가적 지원금이 없다면 하기 어렵습니다. 현재 파운드리 산업에서 세계 1위를 기록하고 있는 tsmc도 대만에서 대대적인 국가적 지원을 통해서 성정한 사례입니다.
마지막으로 OSAT 즉, 패키징과 테스트를 하는 업체들을 보겠습니다. 앞에 단계를 거치며 만들어진 반도체를 위탁받아 최종 제품으로 조립하고 테스트를 진행하는 역할을 담당합니다. 제품이 소비자에게 도달하기 전 마지막 부분을 담당하기 때문에 제품의 동작여부를 제대로 판정하는 것이 중요합니다. 해당업체들은 반도체 생산공정의 마지막을 담당하고 있어서 업무 효율화를 위해 주로 idm이나 파운드리 업체 주변에 위치하고 있습니다. 따라서 많은 osat 기업들이 한국과 대만에 위치하고 있습니다.
이렇듯 반도체 산업은 다양한 비지니스 형태로 구분이 되어있으며 이를 가치사슬 ( = Value Chain )이라고 부릅니다.
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