전 세계 자동차 제조업체들이 점점 더 엄격해지는 배기가스 규제와 보다 지속 가능한 운송 수단에 대한 소비자 수요 증가에 대응하여 전기 자동차(EV)로의 전환을 가속화하면서 자동차 산업은 극적인 변화를 겪고 있습니다. 다양한 예측에 따르면, 현재 약 5%에 불과한 전기차가 2030년에는 전 세계 신차 판매의 50% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 이러한 극적인 변화는 자동차 부품 공급업체와 제조업체에게 도전과 기회를 동시에 제시합니다.
중요성이 커지고 있는 분야 중 하나는 전기 자동차의 고전압 전류를 조절하고 제어하는 데 사용되는 전력 모듈의 핵심 소재인 세라믹 기판입니다. 세라믹 기판은 전력 모듈에 칩, 다이오드, 트랜지스터 등 다양한 전자 부품을 통합하기 위한 기반 또는 플랫폼입니다. 전기차는 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축하기 위해 더 높은 전력 밀도와 더 정교한 전력 전자 시스템을 필요로 하기 때문에 세라믹 기판은 그 고유한 특성으로 인해 필수 불가결한 요소입니다.
세라믹 기판은 DBC(직접 결합 구리) 및 AMB(활성 금속 브레이징)와 같은 기존의 유기 기판 재료에 비해 열 방출, 전기 절연 및 고온 신뢰성이 뛰어나며, 이는 전력 모듈이 최대 800V 이상의 고전압을 효율적으로 처리하고 분배할 수 있도록 하는 핵심 특성입니다. 일반적으로 질화 알루미늄(AlN) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)으로 만들어진 세라믹 기판은 열전도율과 유전체 강도가 높습니다. 세라믹 기판은 전력 반도체 칩과 기판 사이의 갈바닉 절연층 역할을 하여 열을 발생시키는 부품에서 열이 쉽게 전달되도록 합니다.
전 세계적으로 자동차의 전기화가 증가함에 따라 자동차 OEM 및 1차 공급업체의 세라믹 기판에 대한 수요가 급증하고 있으며, QYR의 새로운 보고서에 따르면 전 세계 전기차용 세라믹 기판 시장은 2021년 3억 6천만 달러에서 2030년 16억 7천만 달러로 예측 기간 동안 18.4%의 CAGR로 성장할 것으로 예상됩니다. 중국은 세계에서 가장 큰 전기 자동차 시장이며 금세기 말까지 가치 측면에서 전 세계 시장의 40% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다.
전기 자동차 생산 및 채택 증가로 인한 기판 수요 증가
전기차용 세라믹 기판의 폭발적인 성장을 이끄는 주요 요인은 전 세계 전기자동차 생산 및 판매의 급증입니다. 주요 자동차 제조업체들은 향후 10~15년 동안 내연기관 자동차의 단계적 퇴출을 목표로 전기 자동차 생산을 공격적으로 늘리고 있습니다. 중국, 유럽, 캘리포니아 등의 국가와 지역에서도 2035년 또는 그 이전에 내연기관 차량의 판매를 금지할 계획을 발표하면서 자동차 제조업체들이 전동화 전략을 가속화하도록 추가적인 압력을 가하고 있습니다.
국제에너지기구(IEA)에 따르면 전 세계 전기차 보유 대수는 2020년에 1천만 대를 돌파하고 2030년에는 12배 이상 증가하여 1억 3천만 대 이상이 될 것으로 예상됩니다. 중국이 모든 신규 전기차의 절반 이상을 차지하며 선두를 달리고 있습니다. 2020년 글로벌 자동차 판매량은 증가할 것으로 예상됩니다. BYD, SAIC 등 중국 브랜드가 국내외 시장에서 전기차 포트폴리오를 공격적으로 확장함에 따라 중국 내 세라믹 기판 소비는 기하급수적으로 증가할 것으로 예상됩니다. 유럽은 또 다른 주요 격전지로, 규제 지원과 친환경 모빌리티에 대한 소비자의 요구가 전기차 채택을 촉진하고 있습니다.
EV 성능 표준 강화로 전력 모듈 혁신 주도
전기차 생산이 계속 증가함에 따라 엄격한 성능 및 효율성 표준이 자동차 전력 모듈 및 세라믹 기판과 같은 부품의 혁신을 주도하고 있습니다. 전기차가 1회 충전 주행거리 연장, 더 빠른 충전 기능, 더 높은 가속 토크, 첨단 운전자 보조 기능을 제공하기 위해 계속 발전함에 따라 복잡한 전력 전자 장치의 중요성이 커지고 있습니다. 따라서 더 높은 전압, 전류, 스위칭 주파수 및 열 부하를 처리하기 위한 전력 모듈에 중점을 두고 있습니다.
세라믹 기판은 차세대 파워 모듈의 기술을 뒷받침하는 초석입니다. 세라믹 기판은 열전도율이 높아 반도체 집적 밀도가 더 높은 소형 고전력 모듈 설계를 가능하게 합니다. 이를 통해 자동차 제조업체는 더 작은 배터리 팩에서 더 많은 킬로와트(kW)의 전력을 끌어낼 수 있습니다. 또한 세라믹은 최대 20kHz 이상의 빠른 스위칭 속도를 구현하여 모터의 미세한 제어와 효율적인 회생 제동을 가능하게 합니다. 고전압에서의 전기 절연 특성은 향후 800V 이상의 차량 플랫폼용 모듈 개발을 보장합니다.
실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 반도체 기술은 자동차 전력 모듈에서 기존 실리콘 칩을 점점 더 많이 대체하고 있습니다. SiC 및 GaN 디바이스는 실리콘보다 높은 접합 온도, 주파수 및 효율로 작동할 수 있습니다. 하지만 더 많은 열을 발생시키므로 고급 열 관리를 제공하기 위해 세라믹 기판이 필요합니다. 많은 1차 공급업체들이 와이드 밴드갭 칩과 혁신적인 AlN 또는 Al2O3 기판을 기반으로 차세대 ‘하프 브리지’ 또는 ‘3상’ 모듈을 개발하고 있습니다.
공급망 경쟁 심화 및 통합
전 세계적으로 전기 자동차 보급률이 기하급수적으로 증가함에 따라 기존 업체와 신규 업체 모두 시장 점유율을 놓고 경쟁하고 있으며, 세라믹 기판에 대한 폭발적인 수요를 활용하기 위해 입지를 다지고 있습니다. 공급 측면에서는 마루와, 로저스, 교세라, 페로텍 등 주요 글로벌 제조업체가 있지만, NEO 테크, ACX 등 중국 자동차 등급 기판 전문 생산업체의 등장으로 경쟁이 심화되고 있습니다. 공급업체들이 확장 및 인수합병 활동을 통해 생산 능력을 늘리면서 가격은 하락 추세를 보이고 있습니다.
기판 업계 내 통합도 활발히 이루어지고 있습니다. 예를 들어, 2020년에 페로텍은 자동차 기판 사업을 강화하기 위해 일본 세라믹을 인수했고, 로저스는 최근 큐라믹과 합병하여 글로벌 전력 전자 솔루션 대기업을 탄생시켰습니다. 미쓰비시 전기, 인피니언과 같은 1차 공급업체도 자체적으로 기판 제조 역량을 개발하거나 주요 공급업체와 전략적 파트너십을 맺는 등 OEM 측면에서 역방향 통합을 확대하고 있습니다. 이러한 수직적 통합을 통해 빠르게 변화하는 산업에서 품질, 비용 및 IP를 더 잘 관리할 수 있습니다.
전기 자동차의 주류화, 빠른 혁신의 진전
향후 10년간 전기차가 틈새 시장에서 주류 시장으로 전환됨에 따라 세라믹 기판 산업은 엄청난 성장과 기술 혁신을 맞이할 것입니다. 글로벌 자동차 제조업체들이 전기화를 위한 R&D에 집중 투자하면서 전력 모듈 및 배터리 기술은 기하급수적으로 발전할 것으로 예상되며, AlN 및 Al2O3와 같은 세라믹 소재는 더욱 엄격한 작동 조건에서 더 높은 전력 밀도, 열 관리 기능 및 신뢰성을 가능하게 하는 중요한 지원 역할을 계속 수행할 것입니다.
더 얇고 컴팩트한 기판 개발, 맞춤형 특성을 위한 세라믹 소재의 복합재 도핑, 그물 모양 기판용 적층 제조 기술, 와이드 밴드갭 디바이스와 모듈형 또는 통합 드라이브 모듈에 최적화된 새로운 기판 설계 등이 혁신을 위한 주요 중점 분야입니다. 전 세계적으로 전기 자동차의 인기는 돌이킬 수 없는 만큼, 향후 10년은 빠르게 진화하는 전기 자동차 플랫폼과 기술에 발맞추기 위해 경쟁하는 자동차 세라믹 기판 산업의 황금기가 될 것으로 전망됩니다.