[글로벌 新자원전쟁]
③ 불 붙은 차세대 반도체 원료 확보전

요즘 전 세계 반도체·웨이퍼(반도체 원판) 기업 구매 담당자들의 관심사는 ‘갈륨’을 확보하는 것이다. 세계 갈륨 생산량의 98% 이상을 담당하는 중국이 지난 8월부터 수출 규제를 시작했기 때문이다. 갈륨·암모니아 화합물인 질화갈륨(GaN)은 차세대 전력반도체 웨이퍼의 원료로 쓰인다.

지난 7월엔 한국의 중국산(産) 갈륨 수입액이 전년 동기 대비 122% 급증했다. 가격도 전월 대비 50% 급등했다. 국내 반도체기업들이 규제 시작 전 ‘사재기’에 나선 영향으로 분석된다. 반도체업계에선 “중국의 갈륨 수출 규제는 자원 전쟁의 상징”이란 얘기가 나온다.

전력반도체 중요성 커지면서 갈륨 주목

19일 산업계에 따르면 글로벌 반도체·웨이퍼 기업들이 ‘갈륨’ 쟁탈전을 벌이고 있다. 아연·보크사이트 가공 부산물인 갈륨이 차세대 전력반도체의 핵심 원료로 활용되기 때문이다.

전력반도체는 인버터 등에 적용돼 전자기기에 들어오는 전력의 변환·변압, 분배, 제어 등의 역할을 하는 반도체다. 전력반도체의 성능에 따라 기기의 전력 손실이 줄어들고, 효율적인 동력을 전달할 수 있다. 시장조사업체 리포트링커에 따르면 전력반도체 시장 규모는 올해 418억1000만 달러에서 2028년 492억3000만 달러로 커질 것으로 전망된다.

삼성전자 전력칩 시장 뛰어들며 수요 증가

반도체는 둥근 원판인 웨이퍼에 회로를 그리고 가공하는 과정을 통해 생산된다. 현재 널리 쓰이는 일반 반도체용 웨이퍼의 원료는 실리콘(Si)이다.

전력반도체는 특성 상 고전압, 고주파수, 고열 등의 극한 환경에서 성능을 구현할 수 있어야 한다. Si보다 물리적 특성이 우수한 실리콘카바이드(SiC)와 GaN 웨이퍼에서 반도체를 생산하기 시작했다. GaN 전력반도체는 고속 무선충전, RF통신, 전기차에 주로 쓰이고 SiC 전력반도체는 발전설비와 전기차 등에 주로 적용된다.

전기차, 서버용 전력반도체가 늘고 향후 로봇 등에도 확대 적용될 것이란 전망이 나온다. KDB미래전략연구소에 따르면 글로벌 전력반도체의 시장 규모가 2019년 450억달러에서 올해 530억달러 규모까지 성장할 것으로 전망된다. 2025년부터 현재 지름 150mm 웨이퍼보다 더 커진 200mm 웨이퍼에서 전력반도체 생산이 본격화된다.
차세대 전력반도체 제조용 SiC 웨이퍼. 한경DB
차세대 전력반도체 제조용 SiC 웨이퍼. 한경DB

주요 글로벌 반도체 기업들이 차세대 전력반도체 시장에 뛰어들고 있다. 대표적인 사례가 삼성전자다. 이 회사는 지난 7월 열린 파운드리(반도체 수탁생산)포럼에서 “2025년부터 데이터센터 컨슈머, 자율주행차용 8인치 GaN 전력반도체 파운드리 서비스를 시작한다”고 발표했다. 지난 3월 ‘전력반도체 태스크포스(TF)’를 신설한 이후 사업 진출을 처음 공식화했다. SK하이닉스 자회사 키파운드리와 DB하이텍도 2025년 생산을 목표로 8인치 GaN 전력반도체 개발을 진행하고 있다.

중국 규제로 갈륨 품귀

문제는 갈륨 최대 생산국인 중국이 ‘자원 무기화’에 시동을 걸었다는 점이다. 갈륨의 전 세계 생산량 중 중국이 차지하는 비중은 98%, 매장량 기준 점유율은 86%에 달한다. 최근 주요 반도체기업들이 GaN 전력반도체 시장에 뛰어들면서 갈륨 수요가 커지자 중국은 지난 8월부터 수출규제를 시작했다. 중국의 수출 기업들은 당국 승인을 받아야만 수출할 수 있다. 미국의 반도체 수출 규제에 맞불을 놓는 성격으로 평가된다.

GaN만큼 수요가 커지고 있는 SiC의 소재인 탄화규소 역시 중국이 세계 생산량의 약 50% 가량 점유하고 있는 것으로 알려졌다. 박재근 한양대 융합전자공학부 석학교수는 “GaN 전력반도체는 저전력·고주파가 특징으로 인공지능(AI) 서버나 전기차 등에 많이 들어갈 것”이라며 “‘GaN 웨이퍼’의 원료를 중국이 통제하기 시작해 미국의 타격이 예상된다”고 설명했다.

서방 국가들과 글로벌 기업들은 대책 마련을 위해 고심 중이다. 네덜란드 광물·금속 생산업체 니르스타는 미국 테네시주 클락스빌의 아연제련소에 1억5000만 달러(약 2000억원)를 투입해 갈륨·게르마늄 회수·처리 시설을 건설하는 계획을 검토 중이다. 공급망 혼란을 최소화하기 위해 호주, 유럽 등의 매장 지역에서도 갈륨을 생산하는 방안을 검토하고 있다.

반도체 기업들은 웨이퍼 등과 관련한 신소재 개발 경쟁이 치열하다. 차세대 반도체의 성능을 높이고, 기존 원료에 대한 의존도를 낮추기 위한 목적이다. 패키징(후공정)용 실리콘인터포저 신소재 개발에 나선 삼성전자가 대표적이다.

황정수 기자 hjs@hankyung.com