미국 반도체 공급망 회복 탄력성

2021년 2월, 바이든 대통령은 행정명령(EO) 14017 "미국의 공급망(America’s Supply Chains)"에 서명하여 7개 행정부 산하 기관에 국가 핵심 공급망의 회복력과 보안성 평가를 지시했습니다. 이에 따라 미국 에너지부(DOE)는 국가 연구소를 통해 에너지 산업 기반(Energy Sector Industrial Base)에 포함되는 공급망을 평가했으며, 특히 2050년까지 미국의 탈탄소화를 위해 필요한 기술에 중점을 두었습니다.

이는 DOE가 2022년 2월 발표한 11개 평가 대상 분야 중 하나인 미국 반도체 공급망에 대한 심층 분석 보고서의 개요입니다.

서론

기후 위기에 대응하고 기후변화의 가장 심각한 영향을 피하기 위해, 미국은 2030년까지 전체 경제 부문의 온실가스 순배출량을 50~52% 감축하고, 2035년까지 탄소 오염이 없는 전력 부문을 구축하며, 2050년까지 전체 경제 부문에서 순배출 제로를 달성할 것을 약속했습니다. 

미국 에너지 산업 기반이 2050년까지 탈탄소화되기 위해서는 근본적인 구조 전환이 필요하며, 반도체 공급망의 성장과 에너지 효율, 보안성은 이 전환의 핵심 요소입니다. 

반도체는 전기차·충전소·풍력 터빈 등 거의 모든 주요 탈탄소화 기반 시설과 전체 전력망의 운용에 필수적인 기술로서 에너지 분야의 대표적 핵심 기술입니다.  

또한 반도체는 미국 경제에도 핵심적 역할을 하며, 2020년 미국 국내총생산(GDP)에 2,464억 달러 이상을 기여했습니다. 수출액은 490억 달러로, 항공기·정제 석유·원유에 이어 2020년 미국 수출 4위를 차지했습니다. 

이 보고서는 순탄소 배출 제로 목표 달성을 위해 모두 중요한 역할을 하는 기존 반도체와 와이드 밴드갭(WBG) 파워 일렉트로닉스(PE) 반도체에 초점을 맞추고 있습니다. 

기술 개요 

본 보고서에서 "반도체"는 태양광(PV)을 제외하고, 에너지 분야 탈탄소화에 중요한 응용 분야에 사용되는 반도체를 의미합니다.

여기에는 다음이 포함됩니다:

• WBG(와이드 밴드갭) 반도체(예: SiC, 질화갈륨(GaN))로, 전기차(EV), 산업 열펌프 등 전동화 산업 기술, 풍력·태양광 발전 등 재생에너지와 관련한 전력 흐름 제어·변환·조정에 사용됩니다.
• 기존 실리콘 기반 반도체로, EV·에너지효율형 제조를 위한 무선 센서 시스템, 빌딩 에너지 효율 등 전력 효율 및 재생에너지 응용 분야의 데이터 흐름 제어에 사용됩니다.

적용 분야의 차이를 결정짓는 주요 요인은 반도체의 동작 전압 범위입니다. 두 반도체 모두 600~900V 범위에서 우수하게 작동하지만, SiC 소자는 훨씬 더 높은 전압에서도 동작이 가능합니다. 현재 GaN과 SiC가 모두 적용되고 있는 분야 중 하나가 EV(전기차) 부문입니다. 

반도체 공급망 맵핑

반도체의 시장 및 공급망은 글로벌하며 매우 복합적입니다. 반도체 제품의 설계·제조·패키징 과정은 최대 100일 소요되며, 그중 12일이 물류 이동에 해당하고, 국가 간 경계를 70번 넘나들 수 있습니다.

일반적인 공급망은 원자재, 가공 소재, 부품, 제품, 폐기 후 재활용 및 재사용 등 5개 주요 구간으로 분류할 수 있습니다. 그러나 반도체는 그 복잡성으로 인해 설계, 반도체 제조 장비(SME), 조립·테스트·패키징(ATP), 첨단 패키징 및 연구개발(R&D) 등 여러 추가 구간이 필요합니다(아래 그림 9 참조). 

미국 반도체 공급망 주요 취약점 

• 탈탄소화 추진으로 재생에너지 및 이를 뒷받침하는 인프라, 기존 반도체 및 WBG 파워 일렉트로닉스 공급망에 대한 수요가 증가할 전망입니다. 현재 국내 제조 역량과 원자재 접근성 부족 문제는 더욱 심각해질 수 있습니다. 예상되는 전 세계 실리콘 생산량은 이러한 성장 속도를 따라가지 못할 것으로 보이며, 다른 공급망 역시 압박을 받을 것으로 예상됩니다. EV 부문은 차량 내 반도체 사용 증가와 충전 인프라 수요로 인해 특히 큰 영향을 받을 수 있습니다. 

• 2010년 이후 반도체가 포함된 제품의 글로벌 에너지 사용량은 3년마다 2배씩 증가했습니다. 탈탄소화로 인한 전기화 가속과 에너지 집약적 컴퓨터 응용의 폭발적 성장으로 에너지 사용 증가 속도는 더욱 빨라질 전망입니다.

• 에너지 부문을 비롯한 전 부문에서 반도체 기술 활용이 폭증함에 따라, 반도체의 성능과 효율성은 해당 산업 전체 기술의 성능과 효율에 직접적 영향을 미칩니다. 
• 인공지능 알고리즘은 매 2개월마다 처리 능력이 2배씩 증가하고 있으며, 비트코인 채굴에만 사용되는 반도체 에너지 사용량도 매년 2배씩 증가하며, 일부 유럽 국가보다 더 많은 전력을 소모합니다. 

• 1995년에는 전 세계 반도체 제조 역량의 26%가 미국에 있었으나, 2020년에는 10%로 감소하였습니다(European Semiconductor Industry Association). 에너지 부문 수요 대응 기술 개발이 특히 중요하며, 미국은 이미 SiC 파워 일렉트로닉스 시장에서 강점을 이루고 고전압(HV) 시장에서도 입지를 확보하고 있습니다. 그러나 품질과 비용 개선을 위한 추가 기술 개발이 필요하며, 지금 투자가 이뤄지지 않으면 이 우위는 쉽게 해외로 넘어갈 수 있습니다. 

• 수십억 달러 규모의 팹 시설에는 신제품 투입이 사실상 불가능에 가깝습니다. 이에 따라 에너지 효율적 장치 제조에 필요한 극정밀 제어기술 기반의 툴은 장비 제조사를 통해 도입해야 합니다.

• 미국은 첨단 패키징 역량도 강화해야 합니다. 성능 및 효율성 증가에 따라 이 기술의 중요성이 빠르게 부각되고 있으며, 전기화 가속과 함께 그 중요성은 더욱 커질 것입니다. 첨단 패키징은 설계 역량 의존도가 높아 미국이 비교우위를 점하고 있으나, 국내에 제조 인프라를 구축하지 않으면 이 핵심 분야에서 뒤처질 리스크가 있습니다. 

• 반도체 제조 공정은 상당한 물 사용을 요구하며, 높은 에너지 수요와 불소계 화합물 사용 등으로 탄소 발자국도 큽니다. 따라서 제조 확대에 따른 환경영향을 미리 대응하는 것이 중요합니다. 

• 회복력 있는 공급망 확보의 기반은 견고하고 숙련된 인력 양성에 달려 있습니다. 이 수요는 현장 인력부터 고급 학위 인력까지 아우르며, 미국 국민과 외국인 모두로부터 충원해야 합니다. 교육 프로그램, 이민 정책, 지원 인프라 등이 유기적으로 작동해 이러한 인력 수요를 충족하고, 동시에 강력한 노동기준과 경쟁력 있는 임금을 보장하는 것이 필수적입니다. 

결론 

미국은 반도체 산업에서 선도적 입지를 보유하고 있지만, 특히 국내 제조 및 첨단 패키징 분야에서 이 우위가 점차 약화되고 있습니다. 

탄소 배출 저감을 지원할 수 있는 기술이 존재하나, 현재는 불투명하고 변동성이 큰 글로벌 시장의 원자재 공급에 의존하고 있으며, 주요 원자재는 지정학적으로 민감한 지역에 위치해 있습니다. 

또한, 소재 가공 및 부품 제조와 같은 공급망 중간 단계가 미국과 복잡한 지정학적 관계를 맺고 있는 외국에 집중되어 있습니다.

미국이 반도체 산업 리더십을 유지하고 확대하기 위해서는 기존 반도체와 WBG 파워 일렉트로닉스에 대한 수요 증가를 충족할 수 있도록 양측 반도체의 제조·활용을 확대하고, 환경 영향이 적은 신기술 반도체 개발을 병행해야 합니다.

이를 위해서는 기존 반도체와 WBG 파워 일렉트로닉스 분야 모두에서 숙련된 국내 인력 양성이 필요합니다.