신종 코로나의 영향에서 벗어나기 시작한 자동차 업계에서, 반도체 부족으로 인해 생산 라인이 잇달아 정지되고 있다.

 

현대차 아산공장은 4월7일~9일까지, 울산1공장은 4월7일~14일까지 휴업하였으며, 한국GM은 50% 감산을 단행하기도 했다. 가까운 일본에서도 도요타는 미국에서 하나의 차종을 감산하기로 했고, 혼다는 일본 국내에서 피드 등을 한 달에 4천 대 정도 감산하기로 결정하였다. 닛산 역시 노트를 한 달에 수천 대씩 감산하였고, 스바루도 2월 5일에 2021년 3분기 중에 4만 8천 대를 감산하겠다고 발표했다.

 

이러한 뉴스를 듣고, 왜 자동차의 반도체가 이제 와서 부족해졌는가 하고 의아해하는 사람도 많을 것이다. 애초에 자동차의 반도체는 어디에 사용되는 걸까?

 

그리고 지금, 자동차 산업이 안고 있는 구조적인 약점은 무엇인가? 일본 모터 저널리스트인 다카네 히데유키가 해설한다.

 

반도체란 무엇인가? 자동차의 어느 부분에서 어떻게 사용되는가?

 

<그림1> 반도체

** 반도체 중에서도 가장 복잡한 구조를 가진 SoC(시스템 온 칩). CPU(계산 기능) 및 메모리(기억 기능)와 같은 기존의 반도체 단체(單體)뿐 아니라 이 칩 자체가 작은 기반으로서 CPU, 메모리, 입출력 장치 등을 포함하고 있다.

 

신종 코로나 바이러스는 다시금 맹위를 떨치고 있으나, 그와는 별개의 문제가 자동차 제조사를 괴롭히고 있다. 바로 반도체 부족이다.

 

2020년 초 코로나의 첫 유행, 생산 공장의 종업원의 감염으로 인한 생산 정지 등의 사태로부터 회복하여, 개인적인 이동 공간으로서 자동차의 가치가 재평가된 2020년 후반에는 자동차의 수요가 높아져 생산 속도가 빨라졌으며 실적도 회복세를 보였지만, 다시금 자동차의 생산 속도를 낮추어야만 하는 사태에 내몰리게 되었다.

 

그 원인은 자동차를 구성하는 부품이 부족해졌다는 것이다. 구체적으로 말하면, 반도체를 탑재한 부품이 부족해졌기 때문이다.

 

애초에 반도체란 무엇인가. 이 문제는 여기서부터 이해해야 한다.

 

반도체란 조건에 따라 전기가 통하는 상태(도체)와 통하지 않는 상태(부도체)로 변화하는 것으로서, 신호에 따라 전환할 수 있다. 이러한 신호를 보내 전환하게 하는 것이 컴퓨터 프로그램이다.

 

예전에는 아날로그로 제어하는 반도체 장치도 있었지만, 반도체 제조 기술이 향상함에 따라 회로를 소형화할 수 있는 디지털 제어가 성능 면에서나 비용 면에서나 압도적으로 유리하게 되어, 회로가 더욱더 디지털화되었다.

 

디지털 신호는 모든 것을 0과 1로 전환하기 때문에 신호가 열화되지 않을 뿐 아니라, 아무리 전류가 작아도 전달할 수 있다.

 

아날로그의 경우, 전류의 성질(전압, 전류, 주파수 등)에 의해 신호가 되기 때문에 일정한 수준 이상으로 작은 전류로 만들기는 어렵다. 작게 만들면 노이즈의 비율이 커져서 신호의 정확성에 문제가 생긴다.

 

반도체는 그렇게 디지털 회로에 의해 소형화되었고, 그 제조 기술이 향상함에 따라 스마트폰은 20세기의 컴퓨터와는 비교도 되지 않을 정도로 성능이 좋아졌으며, 디지털카메라도 화질은 높이고 크기는 작아질 수 있었다.

 

자동차 역시 엔진의 연소 상태를 제어하는 ECU의 성능이 점점 좋아져, 내부의 CPU가 연료 분사 타이밍과 횟수를 세세하게 제어하거나 점화 시기를 늦추거나 밸브 개폐 타이밍을 조정하는 것은 물론, 변속기도 제어하는 원칩형까지 만들어지고 있다.

 

하지만 반도체가 이렇게 작아지고 성능이 놓아지게 되면, 다른 문제가 발생한다. 아주 좁은 회로를 실리콘 웨이퍼에 새겨 넣으려면 아주 작은 먼지도 존재해서는 안 된다. 따라서 밀폐된 공간에서 필터를 통해 환기되는 클린룸에서 생산해야만 한다.

 

자동차는 반도체를 많이 사용하여, 마치 인터넷처럼 차체의 내부에서 신호가 교차하며 통신함으로써 기능이 다양해지며, 와이어 하네스도 최소화할 수 있다(그래도 기능의 다양화 및 차체의 대형화로 인해 차의 무게는 증가한다).

 

이러한 통신 단말기로서 기능하고 있는 것이 마이크로 컴퓨터이며, 다양한 부품에 채용되어, 자동차 한 대에 30개~80개의 마이크로 컴퓨터가 사용되고 있다.

 

자동차 산업의 강점이 약점도 될 수 있다?

 

<그림2> 아날로그로 표시되는 미터 패널을 개발하는 모습

** 미터 뒤쪽에는 많은 반도체가 부착된다. 미터뿐 아니라 파워 윈도우의 모터 등 개별적인 장치에도 마이크로 컴퓨터 등의 반도체가 장착되며, 신호에 따라 동작을 제어한다.

 

도요타가 발명한, 정시에 공장에 부품을 납품하고 그 속도에 맞춰 생산하는 도요타식 생산 방식(저스트 인 타임, 간반방식이라고도 함)은 부품의 재고 공간을 최소화할 수 있고, 재고 관리 및 창고에서 운반해 오는 노동력, 더 나아가 재무 면에서도 부품의 재고 만큼을 축소할 수 있다. 매우 효율적인 생산 방식으로서, 전 세계의 공장이 따라 하게 되었다.

 

하지만 부품을 납품하는 공급자에게서 부품을 운반하는 트럭 운전사에게는 부담이 된다. 부품을 정량에 맞춰 정해진 시간에 확실하게 납품해야 하기 때문이다.

 

그렇다. 이러한 효율적인 생산 방식은 확실한 부품 공급이 약속되어야만 유지된다. 그런 의미에서는 공급자의 책임이 막중한데, 이번에 부품 부족 사태에 빠지게 된 것은 바로 이 공급자 때문도 아니며, 반도체 제조사 때문도 아니다. 그렇다면 무엇이 원인일까.

 

전 세계의 수요가 고조되어, 반도체가 부족해질 것임을 예상했었다?

 

<그림3> 반도체의 본체라 할 수 있는 칩을 만들어낸 상태

** 작은 사각형 하나하나가 반도체이며, 동그란 실리콘 웨이퍼 위에 수많은 반도체가 적외선 레이저로 새겨져 있고, 이것을 자르면 칩이 된다.

 

반도체가 부족해진 원인은 반도체 업계의 구조와 자동차에 사용되는 반도체의 특수함 때문이다.

 

먼저, 코로나 사태 이전부터 올해에는 반도체가 부족해질 것이라는 예측이 있었다. 사실 반도체는 공업 제품에서도 매우 광범위하게 사용된다. PC 등의 전자기기는 물론, 가전제품이나 장난감 등, 전기로 움직이는 것은 대부분 반도체를 사용한다.

 

IoT(사물 인터넷)에 의해 온갖 사물이 인터넷과 연결되게 되었지만, 그들은 모두 반도체에 의해 실현되었다고 할 수 있다.

 

그리고 올해부터 소니의 PS5나 마이크로소프트의 Xbox와 같은 가정용 게임기가 본격적으로 생산된다. 게다가 5G의 보급을 내다보고 통신기기를 증산함에 따라, 반도체의 수요가 높아져 공급이 부족해진 것이라 분석된다.

 

또한 코로나 사태로 인해 은둔형 소비 및 원격근무가 증가하게 되어, 가정용 게임기나 PC, 서버 기기 등의 수요가 크게 증가하였다.

 

유럽에서 록다운이 이루어지고, 일본에서도 긴급사태 선언이 발령됐을 때쯤, 자동차 생산은 크게 감소하였다. 그때 공급자에게는 생산을 조정하라는 지시가 내려왔고, 그러한 공급자에게 납품하는 반도체 기업에게도 당연히 출하를 조정하라는 지시가 내려졌다.

 

그리고 반도체 기업은 자동차용 반도체를 만드는 생산 라인을, 게임기나 PC, 서버를 위한 반도체를 제조하는 쪽으로 전환했다. 이렇게 단순한 감산뿐 아니라 다른 제품으로 전환한 것은, 실적을 생각하면 당연한 일이었다.

 

자동차용 반도체의 특수한 사정도 원인 중 하나다

 

<그림4> EV의 파워 유닛의 제일 위에 있는 PCU(파워 컨트롤 유닛)는 ECU와 인버터 등이 조합된 것

** PCU는 전류의 증감 및 회생 충전을 제어한다. 주황색 하네스는 대전류를 흘려보내는 배선류로서, 연결되어 있는 부품에는 무수한 반도체가 사용된다.

 

자동차에 사용되는 반도체는 자율주행 등 특수한 용도를 제외하면 그렇게까지 성능이 좋거나 가치가 높지는 않다. 고성능 최첨단 프로세스의 반도체가 아니라, 굳이 따지자면 오랫동안 사용되어 온 신뢰도 높은 부품을 사용한다.

 

왜냐하면, 지역에 따라서는 자동차가 주행할 수 없게 되면 생사와 관련된 문제가 될 수 있어, 신뢰성과 내구성이 최우선되기 때문이다. 그러므로 부품으로서의 가격은 낮고, 대량으로 시간에 맞춰 구할 수 있는 것이어야 한다.

 

즉 자동차용 반도체를 납품하는 거래처는 반도체 기업에 있어서는 중요한 고객이라 할 수 없다. 그래도 평소대로라면 안정적인 공급처이므로 중요한 거래처라 할 수 있겠지만, 코로나 사태로 인해 발주가 감소하게 되면 그러한 장점도 사라진다.

 

반도체 기업의 입장에서는 게임기나 PC를 위한 고성능 반도체를 생산하여 판매하는 것이 더 돈이 된다.

 

게다가 코로나 사태로 인해 투자금이 남아, 가상화폐에도 거액의 투자금이 다시금 투입되었고, 그 결과 비트코인 등의 가치가 급상승하여, 마이닝(가상화폐의 거래를 기록하는 작업으로서, 보수를 받을 수 있다)용 PC의 수요도 다시금 과열되게 되었고, 고가의 그래픽 보드를 탑재한 PC가 많이 판매되게 되었다.

 

언제 반도체 부족이 해소될까? 자동차 산업의 구조적인 문제점은?

 

<그림5> 반도체는 실리콘 판 위에 여러 차례 막을 만들어서 필요한 회로를 새겨 넣음으로써 만들어진다.

**일련의 제조 장치를 나열하여 자동화하였을 뿐 아니라, 공장 전체도 필터를 통해 환기하는 클린룸으로 만들었다.

 

사실은 반도체 기업도 자사에서는 일부 제품만 생산하며, 대부분은 파운드리라 불리는 생산만 전문으로 하는 기업에 외주를 맡긴다. 이것이 사태를 더욱 복잡하게 만들고 있다.

 

원래 파운드리는 하청 업자이므로, 반도체 기업이 시키는 대로 할 것이라 생각되지만, 앞서 말한 것처럼 반도체는 클린룸에 정밀기기를 설치하여 여러 공정을 거쳐야만 생산된다.

 

특히 첨단 프로세스라 불리는, 초정밀 반도체 제조는 클린룸의 레빌이 완전히 다르며, 공장을 건축하는 비용도 막대하다. 따라서 첨단 프로세스용 생산 설비를 갖춘 파운드리가 유리한 입장에 있으며, 더욱더 규모를 확대하고 있다.

 

2020년에는 반도체 제조 자체는 순조롭게 성장하였으며, 파운드리도 증산 체제를 유지했지만, 생산이 따라잡지 못할 정도였다. 그러므로 자동차용 반도체는 한 번 감산을 결정하면 원래의 속도로 돌아가기가 쉽지 않다.

 

자동차 기업 및 공급자, 반도체 기업이 반도체를 증산하고 싶어도 파운드리가 동의하지 않으면 증산할 수 없다. 생산량 및 가격의 결정권은 원래 구매처가 가지지만, 현재의 반도체 부족 사태에서는 그러한 상식이 통하지 않는다.

 

대형 파운드리인 대만의 TSMC는 자동차용 반도체의 증산 체제를 도입하겠다는 뜻을 밝혔지만, 설비 확장 및 생산 개시 후 출하가 이루어지기까지는 3~4개월이 걸린다.

 

즉 반도체 부족 문제는 당장 해결되지는 않는다. 반도체 부족에 의한 자동차의 감산은 반 년 정도는 지속될 것으로 보이며, 그 손실은 6조 엔에 달할 것으로 예상된다.

 

일본은 반도체 제조업에서는 사실상 손을 뗐고, 르네사스 등 일본의 반도체 기업도 파운드리에 크게 의존하고 있다.

 

해외에서 조립되는 자동차도 많기 때문에, 일본의 자동차 기업이라도 일본 국내에서 조달하겠다고 고집할 필요는 없지만, 자동차 기업이 함께 출자하여 반도체 생산 거점을 만들어 어느 정도의 공급을 충당하는 등, 파운드리에 대한 영향력을 가지는 것도 중요하다고 할 수 있다.