신소재경제신문

더보기인터뷰
HOME > 기사쓰기
[기획]N₂O(아산화질소) 시장 진단
2013년 반도체 시장이 침체를 보이던 시절 국내 N₂O 시장은 연간 약 1만톤의 생산물량에도 공급과잉 양상을 보였다. 일부 언론에서는 과잉공급을 예상하기도 했으며, 무리한 투자는 경영 상황을 악화시킬 것이라는 보도도 있었다. 반면에 2017년 현재 N₂O 시장은 4년전 상황과는 180도 다른 상황을 연출하고 있다. 4차 산업혁명의 물결 속에 반도체 초미세화와 플렉시블 OLED의 수요 증가 등 전방산업의 호황에 힘입어 소위 없어서 못 파는 물건이 됐다. 이런 가운데 앞으로의 수요는 더욱 늘어날 것으로 전망되며, 생산 업체들마다 증설에 나서고 있다. 이에 본지는 국내 N₂O 시장을 살펴보는 자리를 마련했다.

반도체·OLED 호황, N₂O 수요 블랙홀 ‘품귀’



■ 공정 횟수 증가로 N₂O 사용량 폭발적 증가

N₂O(아산화질소)는 약간 달콤한 냄새와 맛이 나는 기체로 웃음가스라 불리며, 마취에 많이 사용되는 의료용 가스다.

지구 온난화의 주범으로 지목돼 그 사용량을 점차 줄이고 있으며, 교토의정서에 의해 제한되고 있는 6대 온실가스 중 하나다.

최근에는 ‘해피벌룬’, ‘마약풍선’으로 무분별하게 유통되며, 정부로부터 환각물질로 지정돼 N₂O를 환각 목적으로 판매, 흡입하는 경우에는 3년 이하의 징역 또는 5,000만원 이하의 벌금에 처해진다.

반도체·디스플레이 산업에서는 에피택시(epitaxy)공정에 사용된다.

에피택시 공정이란 단결정실리콘 위에 각종 반도체 관련 재료들을 올려놓기 위해 일종의 얇은 필름으로 실리콘의 표면을 덮는 코팅공정으로 특수가스를 이용해 화학적으로 코팅물질을 증착시킨다고 해 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정으로 알려져 있다.

반도체 공정에는 기본적으로 가스와 케미칼 등 다양한 종류의 소재를 사용한다. 공정은 업체마다 차이가 있어 사용되는 소재의 종류 및 사용량도 다르다.

다만 최근의 미세공정화 및 3D낸드 적층고도화는 공정 수 증가라는 공통점이 있으며, 이는 소재의 사용량 증가로 이어진다.

최근 반도체 업계는 미세공정화가 한계에 봉착하면서 2D 낸드는 추가적인 공정개발에 어려움을 겪고 있는 반면에 3D낸드에 대한 공격적인 투자를 진행하고 있다. 또한 3D낸드가격이 2D낸드 보다 더 저렴해 질 것으로 예측되며, 앞으로의 공정도 3D낸드 위주로 전환되고 있는 추세다.

3D낸드는 2D낸드가 평면으로 배열하던 것을 CVD 공정을 통해 ONO 구조를 형성하는 것이다. 원기둥 모양의 트렌지스터를 수직으로 쌓아 올린 후에 쌓은 기둥들을 배열하는 형태다. 원통 모양의 트랜지스터를 수직으로 쌓아 올리기 때문에 증착 공정의 횟수 증가가 불가피하다.

ONO 구조에서 O는 절연(Oxide) 막질을 N은 질화물(Nitride) 막질을 의미한다. 이중 O 막질 형성을 위해서는 N₂O와 SiH₄(또는 Si₂H₆) 가스가 필요하다. 두 물질이 화학반응을 통해 SiO₂라는 막질을 형성하게 된다.

이에 증착 공정의 횟수가 증가할 때마다 사용되는 소재의 양의 그와 비례해 증가하게 된다.

이에 3D낸드 제조에 있어 N₂O의 사용도 폭발적으로 증가하고 있다.

디스플레이 업계도 LCD에서 OLED로 재편되며, N₂O의 수요 증가에 큰 비중을 차지하고 있다.

OLED는 TFT 소자 기술로 전자 이동도가 높은 LTPS 또는 Metal Oxide를 사용한다. a-Si TFT는 마스크 공정 수가 4∼5회인데 비해 Oxide TFT는 6∼9회, LTPS TFT는 8∼14회로 높아진다.

이는 증착-PR코팅-노광-현상-식각-박리-세정 등으로 이어지는 반복 공정의 횟수가 늘어남을 뜻한다. 이에 증착 과정에서 CVD 공정의 횟수도 같은 비율로 늘어나며, N₂O의 사용량도 증가하게 된다.
일반 낸드 공정보다 3D낸드에서 CVD 생산공정의 횟수가 증가하게 된다.(자료 : 인텔, 유안타증권)
3D낸드에서 CVD 공정 비용과 에칭 공정의 비용이 증가한다.(자료 : AMAT, 유안타증권)
■ 국내 1만9,354톤 규모

2017년도 8월 현재 고순도 N₂O의 총 생산규모는 1만9,354톤으로 파악되고 있다.

국내에서 N₂O를 가장 많이 생산하는 기업은 린데다. 린데는 연간 고순도 3,000톤, 저순도 2,600톤으로 총 5,600톤의 N₂O를 생산하고 있다. 충남 아산 외국인 산업단지에 공장을 갖추고 있으며, 생산시설을 비롯해 충전, 정제, 저장 설비 등을 구축하고 있다.

원익머트리얼즈는 연간 총 4,784톤을 생산하고 있다. 1공장에서는 정제방식으로 1,202톤을 생산하고 있고, 2공장에서는 합성방식으로 3,582톤을 생산하고 있다. 지난 2016년대비 약 78톤 가량 증가했다.

대성산업가스는 연간 총 2,500톤을 생산하고 있다. 충남 공주 검상산업단지에 위치한 공주특수가스 공장 내에 제조시설이 있으며, 저순도·고순도 제품을 모두 생산하고 있다. 중국, 대만 등 해외수출도 진행하고 있다.

버슘머트리얼즈는 시화공장에서 연간 총 1,500톤의 N₂O를 생산하고 있다.

단일가스켐은 연산 1,500톤을 생산하며 전통적인 수요처였던 의료용 품목과 대만·중국시장에 반도체용 제품을 수출하며 고순도 및 저순도 제품 판매에 모두 뛰어난 실적을 거두고 있다.

■ 메이커 증설 러시, 2만5,000톤 눈앞

N₂O는 올해 2만톤을 돌파해 2만5,000톤을 바라보고 있다. 메이커들이 증설을 진행하고 있거나, 계획 중이기 때문이다.

린데는 현재 생산능력의 2배 정도로 증설을 검토하고 있는 것으로 전해졌다.

원익머트리얼즈도 증설 중이다. 관계자에 따르면 증설 규모는 1,800톤에 이르는 것으로 알려졌다.

대성산업가스도 증설을 계획 중인 것으로 파악되고 있다.

또한 하나머트리얼즈도 N₂O 생산을 위해 신규 시설을 준비하고 있다.

메이커들이 증설을 완료하면 2만톤을 돌파해 2만5,000톤 수준에 이를 것으로 전망되고 있다.
N₂O 국내 생산 현황(단위 : 톤/年)


생산공장 풀가동에도 공급물량 모자라

3D낸드·OLED 수요 폭발, 수요 지속 ↑



■ 물량 부족 현상 심각단계

현장에서는 N₂O의 부족 현상이 심각해지고 있다.

최근 발표한 원익머트리얼즈의 공시자료에 따르면 올해 상반기 N₂O의 생산실적은 2,324톤에 달하며, 가동율은 97.16%에 이른다. 연간 생산량의 49%에 해당하는 수치며, 이는 공장을 풀가동했다는 이야기다.

기타 업체도 사정은 다르지 않다. N₂O를 공급하는 영업담당자들 입에서는 “물건이 없다”라는 말부터 나오는 실정이다.

현재는 업체가 비축해 놓고 있는 재고가 일부 남아있기 때문에 공급 중단이라는 최악의 문제는 발생하지 않지만, 증설이 원활이 이어지지 않으면 N₂O 공급에도 빨간불이 켜지며, 반도체 업계에도 악영향을 미칠 것으로 전망된다.

이런 가운데 업계가 물량 부족을 이유로 N₂O 가격을 올리기는 수요 공급 업체의 특수관계상 어려울 것으로 업계는 보고 있다.

이에 수요를 맞추기 위해 N₂O 메이커들의 투자가 요구되며, 생산량 증설에 따라 관련 수익이 증가할 것으로 보고 있다.

■ 반도체·OLED 성장은 지금부터 시작, N₂O 시장 전망도 밝아

4차 산업혁명의 물결 속에 반도체와 디스플레이 수요는 급증할 것으로 보인다.

특히 스마트폰을 중심으로 발전할 IoT, 빅데이터, 클라우드는 스마트폰의 수요 증가와 함께 시스템 반도체 및 저장용 반도체에 대한 수요 증가를 요구하고 있다.

또한 드론, 자율주행차, VR 등 무선 네트워킹이 증가도 관련 반도체 수요를 폭증 시키고 있다.

이에 반도체 시장에 있어서 주요 메이커들이 투자에 나서고 있으며, 특히 3D 낸드에 대한 투자는 공격적이다.

현재 48단 3D낸드 양산에 유일하게 성공한 삼성전자는 세계 최고, 최대의 생산 능력을 확보하는 한편, 기술 리더십 강화를 통해 주력 사업의 경쟁력을 강화하고 있다.

올해 시설투자 계획은 아직 확정되지 않았으나, 반도체와 디스플레이를 중심으로 지난해 대비 투자가 대폭 증가할 것으로 예상된다.

반도체 중 메모리의 경우 3D낸드 수요 증가 대응을 위해 평택 단지의 생산량 확대와 평면 낸드를 3D낸드로 전환하는 투자가 이뤄질 것으로 보인다.

시스템 LSI는 D램을 생산하는 화성 11라인 일부를 이미지센서 생산 라인으로 전환하는 투자가 진행된다. 파운드리는 10나노 신규 라인 증설이 진행 중이다.

SK하이닉스도 D램과 낸드플래시 생산력 증대를 위해 청주 공장과 우시 공장의 클린룸을 당초 계획보다 앞당긴 내년 4분기까지 구축하기로 했다.

현재 청주 M12공장에서 3D 낸드를 양산이 진행 중이며, 올해 말 M14 2층에서 3D낸드 양산도 시작할 계획이다.

디스플레이용 시장도 꾸준한 성장이 지속될 것으로 보인다.

IHS에 따르면 OLED 소재는 2017년에 전년대비 43% 증가, 2018년에는 전년대비 28% 증가, 2019년에는 전년대비 22% 증가할 것으로 전망됐다.

특히 글로벌 OLED 패널 생산능력은 중소형의 경우 2017년에 월 47만장, 2018년 월 71만장, 2019년 월 91만1,000장으로 꾸준히 증가할 것으로 예측됐고, 대형 OLED의 경우도 2017년에는 월 5만6,000장, 2018년에는 월 7만8,000장, 2019년에는 월 8만6,000장 등으로 확대될 것으로 추정됐다.

이러한 긍정적 전망을 뒷받침 하듯이 실제로 FMM(Fine Metal Mask)-type이 주로 적용되는 중소형 OLED 패널의 경우 출하량이 2016년 1분기 9,056만대에서 2017년 1분기 1만659만대로 증가 추세에 있고, WOLED(White OLED)-type이 주로 적용되는 대형 OLED 패널 출하량 역시 2016년 1분기 15만대에서 2017년 1분기 29만대로 증가했다.

이와 함께 업체들의 투자도 공격적이다.

삼성디스플레이는 6세대 신규 OLED 라인에 월 18만장에서 최대 25만장에 이르는 OLED 공장 건설을 할 것으로 알려졌다. 올 하반기에 착공해, 2019년에는 양산을 시작할 것으로 전해지고 있다.

또한 A1공장은 현재 월 5만6,000장 수준을 향후에도 유지할 것으로 보이며, A2공장은 현재 월 18만장에서 향후 월 20만장 수준으로 향상시킬 계획이다. A3공장은 현재 월 7만5,000장 수준에서 향후 월 13만5,000장 수준으로 향상시킬 계획이다.

LG디스플레이도 대형 OLED와 중소형 플라스틱 OLED(POLED) 중심으로 2020년까지 국내에 15조원을 투자한다는 계획이다.

POLED에 대해서는 이번 월 3만장 규모의 POLED 추가 투자와 현재 셋업 진행 중인 E5, E6와 함께 POLED 라인에 총 10조원 규모의 투자를 진행한다.

이를 통해 LG디스플레이는 구미와 파주에 6세대 기준으로 월 6만5,000장 규모의 POLED 생산능력을 갖추게 된다. 이는 6인치 스마트폰 기준 연 1억2,000만대 생산 규모다.

스마트폰용 POLED 시장은 2017년 1억2,000만대 규모에서 2020년에는 3억7,000만대 규모로 급성장할 것으로 예상되며, 플렉시블 OLED 시장도 2020년 약 3억8,964만대로 연평균 63.2% 급성장 할 것으로 전망되고 있다.

이러한 전방산업의 성장과 더불어 N₂O 시장도 향후 안정적으로 성장할 것으로 업계는 보고 있다.
대성산업가스 공주 N₂O 공장
린데 아산 N₂O 공장
원익머트리얼즈 오창 본사

기자 프로필 사진
배종인 기자 (jib@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
프로필은 기사 하단에 위의 사진과 함께 제공됩니다.

관련기사