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일본 반도체 분야 현황과 향후 발전 전략
2021-04-26 일본 오사카무역관 안재현

- 일본의 반도체산업, 90년대부터 계속 하향세였으나 반도체 제조장치, 소재 분야에서는 큰 영향력 행사 -

- 미-중 반도체 공급 갈등이 커지며 일본 영향력 상승 -

- 경제산업성, 일본 반도체의 안정적 공급과 첨단 반도체산업의 부흥을 위한 적극적인 정책 예고 -




미국의 바이든 대통령과 일본의 스가 총리는 지난 416(현지 시각) 미-일 정상회담을 통해 미국과 일본의 협력을 다방면에서 강화한다는 공동성명을 발표했다. 그중 반도체를 포함한 안정적인 공급망 구축에 협력을 한다는 부분이 경제적인 면에서 주목을 받았다. 반도체 공급 부족에 따라 현재 반도체를 둘러싼 미국과 중국 간 갈등이 깊어지는 와중에 양국의 반도체 공급망이 안고 있는 위험을 씻어내기 위한 실무 협의를 진행하는 것으로 알려졌다.

 

반도체의 공급 부족은 미국과 일본의 공통 과제이다. 바이든 정권은 반도체의 미국 생산을 강화하기 위해 500억 달러의 보조금을 마련토록 의회에 요구한다고 결정한바 있다. 미국의 경우 반도체의 설계와 개발에 강점을 가지고 있으나 생산의 경우는 대만 TSMC와 삼성 등 아시아의 파운드리 기업에 위탁하는 수평 분업의 형태로 진행돼 왔으나 전략 자원으로 반도체의 중요성이 부각되며 이에 대한 직접적인 대응을 시작하고 있다.

 

이러한 미국의 정책에 중요한 상대국은 일본이다. 일본은 반도체산업 중 제조 장치 및 소재 분야에서 우수한 기술력을 가지고 있어 미국은 일본과 새로운 기술 개발을 위해 공동연구 거점을 설립하는 등 다양한 분야에서 협력을 논의할 계획이다.

 

일본의 반도체산업은 반도체 분야에서는 주목할 만한 성과를 거두지 못하고 있지만 제조 장치 및 소재 분야에서는 1, 2위를 다투는 세계적인 기업들이 포진하고 있다. 반도체 공급 부족 사태를 겪으며 반도체의 가치가 부각되는 상황 속에서 일본은 새롭게 반도체산업에서 부활을 노리고 있다. 일본 반도체산업의 현황 및 소재 장치 분야의 기업들을 살펴보고 현재 일본 정부가 반도체산업을 부흥시키기 위한 중장기 정책 논의 방향을 점검하며 향후 일본의 반도체산업의 발전 방향을 확인코자 한다.

 

일본 반도체산업 현황

 

일본의 반도체산업은 80년대 정점을 찍은 뒤 90년대부터 빠르게 추락했다. 80년대 일본 반도체산업의 절정기의 견인차 역할을 했던 것은 D램으로 산업용 대형 컴퓨터에 대량으로 사용됐으나 90년대 PC 보급이 폭발적으로 증가함에 따라 반도체의 중심은 CPU 중심으로 전환하게 됐고 2000년대로 들어오며 스마트폰용 반도체가 산업의 성장을 이끌었으나 일본 기업들은 변화에 대응하지 못한 것으로 분석된다. 특히 반도체산업에서 설계부터 생산까지를 포괄하는 수직적 통합을 통한 사업 확장 정책을 펼치던 일본 기업들은 반도체의 발전에 따라 회로가 복잡해짐에 따라 핵심 분야에 투자를 집중하는 수평 분업이라는 시대적 흐름을 파악하지 못하며 점차 쇠퇴하게 됐다.

  · 참고자료: 일본 반도체 산업의 현 주소

 

이런 상황 속에서 일본의 반도체산업은 1988년 반도체산업 매출의 50%를 차지하던 상황에서 2019년 기준 전 세계 매출의 10%의 점유율을 보이는 상황까지 감소했다. 1992년 반도체 기업 매출 10위권에 5개의 기업이 일본 기업이었던 것에 비해 2019년에는 1개 기업만이 남아있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 상황을 두고 일본 내에서도 반도체산업의 추락이라는 표현을 사용하며 산업의 실패를 인정하고 있다.

 

일본의 반도체산업 현황

(단위: 억 달러, %)

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자료: 경제산업성

 

반도체 생산과 관련해서는 일본은 세계 1위의 반도체 공장수를 보유하고 있으나 다수가 노후화 및 진부화된 로우엔드 레거시(기존의 전통적인 공법) 공장이 다수를 차지하고 있다. 첨단 반도체의 설계나 개발 능력을 보유하지 못하고 있고 생산 가능한 반도체 공정은 40나노에 그치고 있다.

 

일본의 주요 반도체 공장 현황

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자료: 경제산업성

 

현재 일본 반도체산업에서 일본이 주력으로 삼고 있는 반도체 분야는 자동차용 로직 반도체, CMOS 이미지 센서, 파워 반도체 분야이다. 일본 르네상스의 경우 자동차, FA 용의 로직 반도체를 중심으로 전 세계 18%의 점유율을 보유하고 있고 소니가 CMOS 이미지 센서 시장의 54%, 그리고 파워 반도체 분야에서 20%의 전체 점유율을 보유하고 있다. 이 분야 가운데 일본이 현재 자동차 업계를 중심으로 미래 자동차산업, MaaS 분야에 집중하고 있어 차량용 반도체, 파워 반도체 시장에서의 성장에 주목할 만하다.


특히 주요 발전 장비에 사용되던 파워 반도체의 수요가 전기차 시장이 성장하며 전기차(EV)와 하이브리드(HEV) 모두 상당한 양의 파워 반도체를 필요로 하면서 일본 주요 파워 반도체 기업들은 생산 확대에 나선 상황이다. 일본 도시바와 후지 전기가 2023년까지 각각 800억 엔, 1200억 엔을 투자해 생산시설을 증설할 계획이다.

 

일본 주요 반도체 기업 시장점유율

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자료: 경제산업성 

 

반도체 장비, 소재 분야를 선도하는 일본

 

일본 주요 반도체 기업 및 세계시장 점유율

구분

제품

기업(세계 점유율)

반도체

CMOS 센서

소니(53.5%)

메모리(NAND)

KIOXIA(19%)

소재

실리콘 웨이퍼

신에츠 화학공업(1), SUMCO(2)

포토레지스터(감광재)

JSR(1), 도쿄오카공업(2)

장치

코터(Coater), 디벨로퍼(Developer)

* 도포현상장치

도쿄일렉트론(91%)

SCREEN홀딩스(5%)

세정장치

SCREEN홀딩스(44%), 도쿄일렉트론(30%)

자료: 닛케이 신문
*
점유율은 2019년 기준, 일부는 추청치임.

 

주요 반도체 분야에서 큰 힘을 발휘하지 못하는 일본이지만 반도체 장비와 소재 분야에서는 여전히 큰 영향력을 미치고 있다. 반도체의 발전이 급속도로 빨라지면서 이를 생산하기 위한 새로운 공정이 등장하고 있는데, 이를 가능하게 하는 첨단장치 및 소재의 수요가 높아지고 있다. 그리고 이러한 장비, 소재 분야에서 큰 힘을 발휘하는 기업들이 일본 기업들이다.

 

반도체 제조 공정은 실리콘 웨이퍼에 전자회로를 형성하는 전 공정과 패키지 및 성능 테스트를 포함하는 후공정으로 나눌 수 있다. 선 공정에서 가장 중요한 기업은 도쿄 일레트론이다. 미국 어플라이드 머티리얼, 네덜란드 ASML에 이은 세계 3위의 전공정 장비 업체이다. 도쿄 일렉트론은 레지스트를 도포해 전자회로를 형성하는 코터(Coater), 디벨로퍼(Developer) 분야에서 90%의 세계 시장 점유율을 가지고 있다


반도체산업 활황에 따라 도쿄 일렉트론은 20년 동복과 야마나시를 거점으로 신생산시설을 완성시켰고 생산 능력을 각각 2배와 1.5배 증가시켰다. 또한 야마나시현에는 약 110억 엔을 투자해 새로운 개발시설을 건설할 계획을 발표했다. 도쿄 일렉트론의 카와이 토시키 사장은 '고객에게 제공한 장비의 원격 유지보수 및 AI를 활용한 기계 학습과 이를 통한 예상 보전 등 장비의 가동률을 높이는 서비스를 계획중'이라고 밝히며 적극적인 시장 공략을 표명하기도 했다.

 

또한 전공정 중 웨이퍼를 세정해 불순물을 제거하는 세척 분야에서는 SCREEN홀딩스가 높은 점유율을 가지고 있다. 그리고 노출(웨이퍼에 회로 패턴을 전사하는 과정)을 거친 원판이 포토 마스크인데 이 포토 마스크에 결함이 있는지 검사하는 장치를 주력으로 하는 레이저테크의 성장도 눈에 띈다. 레이저테크의 주가는 2019년 말 대비 21년 현재 2배 이상 상승, 시가 총액은 12000억 엔을 넘었다.

 

후공정과 관련해서는 회선을 붙인 웨이퍼를 절단해 칩으로 가공하는 다이싱(절단) 과정에서는 디스코가 세계 1위의 점유율을 보유하고 있고 완성된 반도체 칩의 성능을 검사하는 테스터 분야에서에서는 Advantest가 세계 점유율을 양분하고 있다.

 

반도체 소재 분야에서는 기판 재료인 실리콘 웨이퍼 및 포토 레지스트 분야에서는 세계적인 기업들이 많다. 실리콘 웨이퍼 분야에서는 신에츠 화학 공업SUMCO가 전 세계 점유율의 60%를 차지하고 있다. 특히 고속통신규격 5G나 데이터 센터 등 첨단제품에 사용되는 제품에 강점을 가지고 있다.  반도체 수요의 증가로 웨이퍼 수요도 증가하며 SUMCO는 신공장 건설 검토를 표명하며 사업을 확장할 계획임을 알렸다.

 

웨이퍼 회로를 형성할 때 사용하는 포토 레지스트 소재의 경우 일본 업체가 90% 정도의 점유을 차지하고 있다. JSR이나 도쿄 오카공업 등이 대표적인 기업이다. 소재의 경우 분해가 어렵고 노하우 등의 기술력이 축적돼 있어 모방이 쉽지 않아 우세를 한동안 유지할 것으로 예상된다. 또한 종합화학업체들도 부가가치가 높은 반도체 소재 분야에 주목하고 있다. 대표적인 사례로 미츠이 화학은 2019년 반도체 주요 장비업체인 네덜란드 ASML과 라이선스 계약을 맺은 EUV 페리클의 경우 노광 공정의 방진에 사용되는 소재로 2021년부터 상용화 계획이다.

 

반도체 공정별 주요 제조장치, 소재 기업

 

공정

내용

주요 기업

전공정

웨이퍼 제조

규소를 반도체 제조 위한 원판 형태로 형성한 것이 실리콘 웨이퍼임. 웨이퍼는 일종의 회로판의 역할임

일본: 신에츠 화학, SUMCO

산화

(성막)

전기로 안에 실리콘 웨이퍼에 산소와 수증기를 투입해 실리콘 표면에 산화막(SiO2)을 형성해 실리콘 표면을 보호하고 웨이퍼 위에 그려지는 배선이 합선되지 않도록 구분

* 미세불순물의 침투로 비저항 전도율을 변화시켜 집적회로의 전기적 특성에 치명적 영향 미침

일본 : UlVAC, 도쿄일렉트론

미국: Applied Materials, Lam Research

포토 레지스트 도포

웨이퍼 표면에 감광액(포토 레지스트)을 도포해 추후 빛에 노출될 때(노광) 포토마스크(회로 설계도)가 웨이퍼에 안착할 수 있게 함.

- 양성 감광액: 현상 공정을 통해 노광 영역 제거

- 음성 감광액: 노광된 영역을 남김

일본: 도쿄 일렉트론

포토마스크 제조, 노광, 현상

포토마스크 제조: 웨이퍼에 그려 넣을 회로 패턴을 석영을 가공해 만든 유리판 위에 그린 포토 마스크를 생성

노광(Stepper Exposure): 포토마스크 위에서 빛을 비추어 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼 위에 회로를 그림

현상: 웨이퍼 위에 현상액을 뿌리며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거하며 회로 형성

네덜란드 : ASML

일본 : 캐논, 니콘,

레이저테크

삭각

(Etching)



웨이퍼에 엣칭용 시액을 사용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거해 반도체 회로 패턴을 구성하는 것

- 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정 반복함으로써 반도체 구조 형성

미국: Lam Research

일본: 도쿄 일렉트론

세정

삭각 후 불필요한 잔류물을 제거하는 공정

일본: SCREEN홀딩스

박막

분자, 원자 단위의 물질을 균일한 두께로 촘촘히 쌓아 전기적 특성을 가지게 하는 공정

 

금속배선

반도체의 회로 패턴을 따라 금속선을 이어주는 과정

- 전기적 신호가 섞이지 않고 잘 전달될수 있도록 연결


 

EDS 테스트

(웨이퍼 검사)

전기적 특성 검사를 통해 웨이퍼 상태인 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 체크

일본: 도쿄 세이미츠

후공정


다이싱

전 공정을 다 거친 웨이퍼를 다이아몬드 절단기로 잘라 낱개의 침으로 분리

일본: 디스코

패키징, 테스트

패키징: 분리된 칩은 리디 프레임 또는 PCB 위에 금속 연결을 통해 연결한 후 원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 성형을 거침

테스트: 패키징 공정이 완료되면 해당 패키지가 올바른 기능을 하는지 검사를 진행(Final Test)

일본: Advantest

미국: TERADYNE

자료: 닛케이, 삼성반도체, SK하이닉스 등의 자료 무역관 취합 정리


경제산업성의 반도체산업 육성 전략

 

일본 경제산업성은 향후 디지털화 및 전략자원으로의 의미를 가지는 반도체 확보를 위한 논의를 20213월부터 진행했다. 일본 반도체 대기업인 르네사스 테크놀로지의 공장에서 발생한 화재로 인해 자동차 생산에 들어가는 반도체 공급에 차질이 생기는 등 서플라이체인의 불안정성을 대비하고, 향후 반도체산업에 대한 중장기적인 대책을 논의하는 자리로 마련됐다. 해당 논의에서는 기본적인 일본의 반도체산업의 발전 방향에 대한 언급이 있어 향후 일본의 반도체산업의 발전 방향을 가늠해 볼 수 있다.

 

1) 국내 생산기반 강화


반도체 생산과 관련한 장비, 소재 부품에 일본 기업의 강점을 살려 해당 기술을 발전시키는 한편, 해외의 첨단 파운드리 업체와의 공동개발을 추진하는 것을 목표로 한다. 특히 첨단 로직 반도체의 증산화를 위한 파운드리의 국내 유치를 적극 도모하려 하는데, 이를 위해 소재 및 장치 업체와 산업기술종합여구개발기관(NEDO)과의 협업을 통해 신기술을 순차적으로 개발하고자 한다. 구체적 목표로는 전공정에서 실리콘 반도체 대신 그래핀과 같은 새로운 소재를 통해 새로운 고밀도 집적회로 개발(More Moore)과 후공정에서는 3D화 프로세스를 통해 반도체 성능을 높이는 3D 패키지를 개발(More than Moore)하는데 주력하고자 한다.

 

실제로 일본의 산업기술 종합연구소(NEDO)는 2021331일 포스트 5G 정보 통신시스템 기반 강화 연구개발사업 연구 개발 및 첨단 반도체 제조기술 개발을 위한 새로운 <첨단 반도체 제조기술 컨소시엄>을 설립했다. 여기에는 도쿄 일렉트론, SCREEN 홀딩스, 캐논의 3개사가 참여해 공동연구 및 3차원 구조 로직 반도체 장치의 시제품 파일럿 라인을 정비할 계획이다.

 

2) 반도체 수요 산업과의 연계 강화


향후 5G, AI, IoT 등 디지털 기술의 발전으로 인한 자율주행, 스마트 시티 등 다양한 수요처에 맞는 로직 반도체의 설계 개발을 진행하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 DX(디지털 트랜스포메이션) 추진과 함께 각 분야의 주요 기업과의 연계를 통해 로직 반도체 설계를 개발하는데 초점을 두고 있다. 이를 위해 첨단 반도체 기업과 반도체 수요 기업(5G, 애플리케이션 시스템, 차세대 컴퓨팅 기업 등)과 연합을 추진해 차세대 반도체 설계기술 개발을 추진하고자 한다.

 

반도체산업 연계 강화 계획도

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원본 그림의 크기: 가로 1145pixel, 세로 353pixel

자료: 경제산업성

 

3) 반도체 기술의 그린 이노베이션 및 파워 반도체 육성


디지털화 추진에 따른 데이터 처리량이 늘어남에 따라 이에 필요한 전력 소비량이 대폭 증가할 예상이다. 이에 맞춰 중요 부품으로 부각되고 있는 파워 반도체(전력반도체)에 집중하고 혁신 소재(SiC, GaN, Ga2O3)를 도입하는 이노베이션을 추진할 계획이다. 또한 향후 네트워크가 5G로 이행함에 따라 회선 속도를 고속화하는 것을 목적으로 한 광통신 및 광전자디바이스에 대한 수요가 증가할 것으로 예상돼 이에 대한 개발도 동시에 추진할 계획이다.


4) 국내 반도체산업의 포트폴리오 및 체질 강화


로직 반도체에서는 두각을 보이지 못하는 상황이나 메모리(낸드), CMOS 이미지센서, 파워반도체, 자동차용 반도체 등 아직까지 시장에서 경쟁하는 분야에 대한 적극적인 지원을 펼칠 계획이다. 일본 정부는 해당 기업들에 대해 각종 금용, 면세, 제도적 지원 등을 총동원해 사업 확대 및 재편, 첨단기술 개발 등을 추진할 수 있는 장을 마련하고자 한다. 그리고 이를 통해 일본 기업들이 새로운 반도체, 디바이스의 신규 고객들을 대상으로 한 신기술을 개발해 일본 반도체 기업들의 글로벌 서플라이체인의 탄력성 향상 및 체질 강화에 주력할 것으로 예상된다.

 

5) 서플라이체인 관리 및 관련 국가와의 협력 강화


반도체 생산에서 주요 역할을 담당하는 일본 반도체 소재 및 제조장치 기업들의 서플라이 체인을 파악해 이들 기업들의 기술을 향상시킬수 있는 국내 지원 정책을 마련하고 미국, 대만 유럽 등 주요 국가와의 협업을 전개하는 한편 국제 공동연구 개발을 추진코자 한다특히 미국과 중국 간의 통상 갈등과 반도체 공급 부족 등 현재 반도체산업을 둘러싼 다양한 사건들은 반도체 서플라이체인에 대한 세계적인 관심을 모으고 있다. 이런 상황에서 일본 정부는 반도체 서플라이체인을 강화하기 위해 기술 관리를 고려하며 국제 협력을 통한 반도체 기술 혁신과 함께 안정적인 공급을 확보하는데 주력하고 있다.

 

시사점

 

반도체 공급의 부족, 미국과 중국 간의 통상 갈등 속에서 일본의 반도체산업은 오히려 새로운 도약을 기대하는 분위기이다. 1980년대까지 전 세계 반도체 시장을 석권했으나 90년대부터 한국 등 후순위 주자들에 따라잡히면서 반도체산업에서 침체를 겪던 일본은 자신들이 가지고 있는 반도체 제조장치 및 소재 분야의 기술력을 바탕으로 새롭게 반도체산업에서 활로를 모색하려고 한다.

 

특히 미국과 일본의 공급선 관리에 대한 협약은 향후 중국과의 통상 갈등에서 주요한 위치를 점할 가능성이 있다. 이미 2019년 한국을 대상으로 반도체 소재 관련 수출 규제를 시행한 바 있는 일본은 미국의 요청에 따라 향후 반도체 생산과 관련한 중요 장비 및 소재의 수출 관리를 진행할 수 있는 상황이다. 한국의 경우 수출 규제를 통해 중요 소재의 국산화 및 거래처 다양화를 진행해 공급망을 보완했으나 계속해서 주목해야 하는 부분이다.

 

향후 반도체 기술분야에서의 화두는 모어 댄 무어(More than Moore)이다. 반도체 발전에서 중요한 것은 무어의 법칙이라 불린 미세가공 기술의 기하 급수적인 발전이었지만 미세화의 속도는 둔화되고 있다. 그렇기 때문에 미세화 이외의 패키징 등 후공정에서의 신기술들이 주목을 받고 있다. 도시바에서 20년 이상 엔지니어로 근무한 반도체 쿠로다 타다이로 도쿄 대학 교수는 일본은 반도체 소재 및 제조 장치에 여전히 강점이 있고 그것을 잘 살리면 모어 댄 무어의 기술 혁신을 선도할 수 있을지도 모른다고 평가했다.

 

5G, 자율주행, AI 등 미래사회를 뒷받침하는 새로운 기술들에는 새로운 반도체가 필요할 전망이다. 일본은 지난 25년간 반도체산업에서 지속적인 패배를 했지만 그들이 가지고 있는 기술 잠재력을 살려 다시 한번 시장의 주도권을 잡아 부활을 할 수 있을지 그 귀추가 주목 된다. 그리고 이런 변화에 우리 반도체산업 소부장 기업들은 새롭게 재편되는 공급망 속에 안착될 수 있도록 기회를 노리는 한편, 적극적인 투자를 통해 기술경쟁에서 밀리지 않는 모습을 보여야할 것이다.