전세계 자동차용 반도체 시장 규모는 2020년 기준 350억 달러로 생각보다 크지 않다. 전세계 반도체 시장 규모가 4,730억 달러 정도이니 8%도 되지 않는다. 자동차 반도체 업계 상위 5개 회사가 전체 시장의 약 절반을 차지하고 있다. 과점이라고 보긴 어려우나, 꽤 많은 비중을 담당하고 있다. 이 중 자동차에서 가장 많이 쓰이는 MCU만을 기준으로 보면, 이 시장 규모는 173억 달러이며, 르네사스, NXP, 인피니언, STMicro 등 상위 4개사가 차지하는 비중은 63%에 달한다. 올해 2월 텍사스 한파로 인해 NXP, 인피니언 공장이 가동을 중단하고, 3월 르네사스 공장이 화재로 인해 생산을 중단하자 전체 자동차 생산에 큰 차질이 빚어진 것을 알 수 있다.

문제는 코로나19 시대를 기점으로 자동차 업계가 빠른 속도로 전기차로 전환하고 있다는 점이다. 시장조사기관 SA에 따르면, 차량 1대당 소요되는 반도체 비용은 내연기관 434달러에서 전기차 834달러로 무려 90% 이상 증가한다고 한다. 포드 회장이 “소형차인 포드 포커스의 경우 300개 가량 반도체 칩을 쓰고 있는데, 전기차는 최대 3,000개를 써야 한다”고 언급한 것을 보면 틀린 얘기는 아닌 것 같다. 이 중 가장 크게 증가하는 부분이 전력용 반도체인데, 이 반도체는 SiC(실리콘 카바이드카바이드)와 같은 새로운 웨이퍼 소재를 쓰는 경우가 많아지고 있어 기존 반도체 라인의 전환 투자가 필요한 상황이다. 즉, 현재의 자동차 반도체 산업 구조가 빠르게 전환되지 않으면 공급 부족 사태는 장기화될 가능성이 높다는 것이다. 

DDR5에는 On-Chip ECC(Error Correction Code, 오류 정정 회로)가 내장되어 있어 기존 DDR4 대비 칩 사이즈가 15~20% 커질 것으로 알려져 있기 때문이다. 공정,용량, 수율이 동일하다고 가정해도, 이론적으로는 칩 사이즈가 증가한 만큼 다이 패널티(Die Penalty)가 발생해 동일 면적의 웨이퍼에서 생산되 는 칩의 수가 감소하게 된다.

디램 공급자들은 샘플 공급을 위해 4분기 양산을 시작할 것이며, 내년에는 본격적 으로 DDR5 비중이 증가할 것으로 기대된다.

DDR5는 DDR4 대비 속도가 약 2배 빠르고, 전력소모도 줄였다. DDR4의 최대 대역 폭이 3,200Mbps였는데였는데, DDR5는 이보다 최소 50% 이상 증가한 4,800Mbps 이상의 대역폭이 예상된다. 이러한 대역폭을 실현하려면 동일한 시간 단위 내에서 처리되는 데이터의 양을 2배로 늘려야 한다. DDR5 메모리는 이를 위해 먼저 8뱅크 그룹에 기반하는 32뱅크 구조를 채택해 16뱅크 구조를 채택한 DDR4보다 뱅크 수가 2배 많다. 뱅크는 하나의 채널 안에서 하나 또는 그 이상의 메모리의 논리적 묶음을 말하는데, 이러한 뱅크 규모가 확장되면서 메모리 대역폭을 2배 이상 늘릴 수 있게 됐다. 또한, DDR5는 1.1V의 구동 전압을 사용해 DDR4의 1.2V 대비 0.1V를 낮추면서 대역폭당 전력 소비량이 20% 이상 줄어들었다

- 지난 9월 17일, 노르웨이의 비료생산기업 Yara는 유럽 내 암모니아 생산량을 40% 감축할 것이라 발표. 경쟁사인 CF Industries Holdings는 영국 내 공장 2곳 조업 잠정중단. 23일, 또 다른 대형기업 Borealis 역시 감산 발표. 이들이 감산을 발표한 이유는 천연가스 + 석탄의 가격상승 때문

- 소맥, 옥수수, 원면 등 경작에 사용되는 비료요소(Urea)의 주요 원료는 천연가스 또는 석탄(무연탄, 유연탄/갈탄). 질소계 비료의 주요 성분인 암모니아는 천연가스에서 추출, 생산비용의 70~90%가 천연가스인 유럽계 기업들은 감산이 불가피했던 결정

- 비료요소 최대 생산국 중국(글로벌 공급비중: 44%)은 방대한 석탄 공급 인프라 통해 생산. 그러나 발개위(NDRC) 측에서 석탄생산 Capa.의 재확대를 약속했지만 난방시즌 고려하면 높은 비용 유지 불가피. 특히, 비료요소는 석탄과 다르게 여전히 규제대상인 양고(两高: 高탄소배출 + 高에너지소비)산업으로 분류되어 있어 이중고

- 아직까지 소맥, 옥수수 등 주요 곡물가격은 반응하지 않은 상태. 그러나 겨울밀과 남미지역 옥수수 파종 앞두고 급등한 비료가격은 곡물가격에 후행적으로 반영될 수 있는 부분. 라니냐 재발 가능성까지 감안하면 곡물대란 가능성에 경계 필요

첫 번째는 양극재 수급 상 전구체는 중요한 원료라는 측면이 있다. 일단 높은 원가 비중을 자랑한다. 원가 비중은 배터리 기준으로는 전구체가 약 30%가 예상된다. 2 차전지 내에서 양극재의 비중은 40%로 파악되는데, 양극재 내에서 전구체의 비중이 약 70% 내외로 확인된다. 결과적으로 전체 2 차전지 내 비중은 약 24%~32%(=40% x60~80%)로 추정된다. 전구체의 안정적인 원료 조달이 필요한 이유 중 하나이다.

또한, 양극재 자체가 2 차전지 소재 내에서 원가 비중이 높을 뿐만 아니라 연간 +33%에 가까운 성장을 보여줄 것으로 전망되고 있기에 양극재 1 단위당 0.95~0.9x 단위가 들어가는 전구체의 수요도 그만큼 빠르게 증가하고 있다.

추가적으로 조달 국가(지역) 측면의 특징에서 양극재 기업들은 내재화에 관심을 기울이고 있다. 현재 양극재 전구체는 앞서 이야기를 하였듯이 중국에서 대부분의 점유율을 확보하고 있는 상황이다. 그런데 미국과 중국간의 갈등 및 지나치게 한 곳에 치중되어 있는 원료 조달처는 리스크로 작용할 수 밖에 없다.

따라서 다수의 양극재 기업들은 JV 및 자회사 설립 등을 통해서 전구체의 안정적 조달을 병행할 수 밖에 없는 상황이다. 광산을 보유하고 있는 중국 기업들에 비해 전구체본연의 원가 경쟁력을 확보하기는 어려운 측면도 있으나 수급 상의 헷지 및 뒤에서 이야기할 기술 측면에서 투자는 지속되리라 판단한다. 그리고 이를 내재화한 기업은 양극재에서 전구체로 전가 가능한 타이트한 수급환경에서 상대적 우위를 차지할 확률이 높다.

두 번째는 양극재 성능 향상을 위한 기술 방향성이다. 전구체가 양극재의 성능향상에서 중요한 이유는 크게 두가지로 정리된다. 1) Li 함유량 증가를 통한 용량 확대, 2) High-Nickel 양극재 및 전고체 배터리를 위한 단결정 구조이다. 이 두가지 방향성 모두 궁극적으로 양극재 혹은 배터리 전체의 밀도를 향상시키는 방향성이다. 

양극재 전구체는 일반적으로 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트)을 포함한 산을 용매에 넣고 여러 적절한 컨디션에서 섞어 공침(Co-Precipitation)을 거치며 된다. 공침 반응이란 액체 속에 쌓이는 공동침전(공침)하는 과정을 말하며 침전물에 흡착력이 작용해 불순물이 달라 붙어 하나의 결정을 이루는 과정이라 생각하면 된다. 그리고 여기서 발생하는 조성이 양극재의 특성을 나타낸다.

생산과정을 조금 더 디테일하게 풀어 보자면 1)주요 핵심 메탈을 배합한 다음 2) 산성 및 온도를 Controller를 통해서 조절하고 용매 안에서 공침과정을 거쳐 습식 침전물을 만든다. 3) 마지막으로 잔여물을 거르는 필터링 및 세척+건조 형태를 거치면 파우더(분말) 형태의 양극재 전구체(P-CAM)가 완성된다.

전구체가 중요한 이유는 무엇일까? 크게 두가지로 확인된다. 첫 번째로 전구체는 양극재 내에서 원가 비중이 매우 높아 안정적인 수급이 필요하다. 양극재의 성장에 발 맞춰 전구체 수요도 빠르게 늘어나고 있다. 두 번째가 기술 방향성이다. 언론을 통해 전구체의 국산화가 많이 강조되었지만 실상 양극재 본연의 기술 향상을 위해서 전구체의 기술 향상도 필요하다. 전구체의 구성이 곧 양극재의 특성을 결정한다고 할 수 있다. High-Nickel 로 나아가는 양극재 방향성에 있어서 리튬믹싱, 코팅 등 양극재 공정과 별도로 전구체 단의 연구개발이 필요한 시점이다.

먼저 전구체가 무엇인지에 대해 더욱 자세히 설명해보고자 한다. 전구체라는 개념은 사실 양극재에만 쓰이는 것은 아니다. 어떤 물질의 선행하는 물질을 의미 하고 있기 때문에 다양한 산업에서 활용되는 단어이다. 그 예시가 반도체, 바이오 산업 등이며 단백질의 전구체는 아미노산이라고 표현할 수도 있다.

2 차전지 양극재의 전구체는 양극제를 제조하기 이전의 Metal 을 기반으로 한 물질을 이야기하고 있으며 NCM(니켈, 코발트, 망산)+x(Al 등) 물질로 이루어져 있다

현재 많이 쓰이고 있는 양극재는 NCM(`19 년 기준 57%)이고, 그 중에서 NCM622(23%)가 가장 많이 활용되고 있다. LFP 양극재는 중국을 중심으로 다수 사용되고 있으나 점차 NCM의 비중이 높아질 것으로 기대되고 있다. NCM은 안정성/비용/수명/밀도 면에서 고른 특성을 갖고 있어 이를 개선 시키는 방향으로 현재 기술 개발이 진행 중이다.

현재 양극재의 방향성은 1) 밀도향상을 위한 High-Nickel 과 단결정 2) 비용 측면의안정성 확보로 확인된다.

따라서 이를 위해 Cobalt(코발트) 비중을 축소하고 Ni(니켈)의 비중을 확대하는 방향으로 나아가고 있다. Li(리튬)이 전자의 이동을 가능케하는 역할을 한다면, 다른 NCM물질은 FRAME(구조체)의 기능을 한다고 볼 수 있다. 그리고 FRAME 을 구성하는 메탈들도 각각의 역할을 보유하고 있다.

Ni(니켈)은 전지의 용량을 확대하는 역할을 보유하고 있다. 다만, 니켈의 비중만 높아지면 상대적으로 FRAME 본연의 안정성이 떨어진다. 반면에 코발트는 이를 보완할 수있는 메탈로 안정성을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 코발트 자체의 단가가 높고 변동성이 크다는 치명적 단점을 보유하고 있다. 마지막으로 망간은 상대적으로 가격은 낮으면서 안정성을 높일 수 있다는 장점을 보유하고 있다. 하지만, 망간의 비중이지나치게 높아지면 양이온과의 혼합 현상이 발생하면서 용량이 줄어드는 문제가 발생한다. 따라서, 이들간의 적절한 비중을 조절하는 것이 핵심인데 현재의 트렌드는 니켈의 함량을 높이고 코발트의 비중을 줄이는 것이다. 다시 표현해 용량을 높이면서 비용은 낮추고자 한다.

양극재의 생산과정은 아래와 같이 앞 단에서 주요 메탈을 섞고 배합해 전구체를 합성시킨다. 그 다음 전구체에 리튬(Li)과 접착제 등을 섞고 이를 고온에서 합치는 열처리공정을 거치게 된다. 마지막으로 제품을 세척하고, 여타 불필요한 화학 반응을 억제하는 코팅 과정을 거쳐 양극재가 생성된다.

전구체(Precursor-CAM, 이하 P-CAM)와 양극재 간의 가장 큰 차이는 리튬이 들어가기 전인가 혹은 후인가에서 발생한다.