자동차를 위해 개발된 기술들이 소비가전 시장으로 흘러들기 시작했다. 자동차 메이커인 도요타도 자사의 기술을 소비가전 제품에 접목시키는 다양한 시도를 통해 새로운 기능을 제공하는 제품 개발에 앞장서고 있다. 도요타는 자동차 시장에서 확보한 신뢰도와 강력한 브랜드 인지도가 소비가전 시장에서도 유효할 것으로 기대하고 있다.
2003년 일본의 도요타 자동차(Toyota Motor)는 업계 선두인 미국 제너럴 모터스(General Motors)에 이어 전세계 자동차 판매량에서 미국 포드 자동차(Ford Motor)를 제치고 2위에 올라섰다.
이러한 이윤 창출의 일등공신은 가솔린 자동차 뿐만 아니라 근시일 내에 빠른 성장이 기대되는 프리우스(Prius) 같은 하이브리드형 자동차이다. 2003년 9월에 출시된 도요타의 신모델인 프리우스는 출시 초기부터 많은 주목을 받으며 첫달에만 목표의 6배인 약 1만7천5백대가 판매되었다. 미국에서도 인기가 높아 2004년 판매목표를 3만6천대에서 4만7천대로 30% 상향 조정했다.
프리우스로 자신감을 갖게 된 도요타 자동차는 두번째, 세번째 하이브리드 자동차인 ‘렉서스 RX 400h(Lexus RX 400h)’와 ‘하이랜더 하이브리드(Highlander Hybrid)’ 모델을 발표했으며, 올 연말에 출시할 예정이다.
발전하는 도요타의 전자제품
‘휠 위의 전자 컨트롤’로 묘사되는 하이브리드 자동차는 가솔린 자동차 시장을 뒤엎을 수 있는 파워를 갖고 있다. 도요타 해외 고객서비스 지원센터 ITS 기획 및 전자 엔지니어링 I, II, III부의 히로노부 오노(Hironobu Ono) 부장은 “현재 자동차 기본 가격의 47% 가량을 전자 시스템이 차지하고 있다.”고 말한다.
업계의 관심이 인기 있는 프리우스 모델에 집중되어 있지만 사실 도요타는 다른 차량에서도 전자 시스템 비중을 높이고 있다. 예를 들어 도요타 가솔린 자동차에 사용되는 전자제품 비중은 꾸준히 증가하고 있으며, 이는 기본 차량 가격의 15%에 달한다. 오노 부장에 따르면 2003년 12월말에 새로이 출시된 ‘크라운(Crown)’에는 50개의 마이크로프로세서가 사용됐다고 한다. 크라운의 주요 전자부품에는 근거리 적외선 나이트 비전 시스템, 엔진 구동 버튼, 지향성 헤드라이트, 후방 모니터 등이 포함된다!
도요타가 보다 많은 전자제품을 자동차에 탑재하기 시작하면서 전자부품 제조업체들은 도요타를 주요 고객으로 인식하기 시작했다. 여기서 잠깐 모든 업체의 수익은 가솔린 자동차에서 나오고 자동차의 기본 가격에서 전자제품이 차지하는 비중은 15%라고 가정해보자. 2004년 2월 발표된 공식 추산에 따르면 2003년 가솔린 자동차의 전체 수익은 약 8조8천억달러였고 이것의 15%면 1조3천2백억달러의 시장인 셈이다.
도요타가 자사의 하이브리드 및 가솔린 자동차 내부에 사용되는 전자제품을 계속 늘려 나간다면 부품 공급업체에게 주요 고객으로서 도요타의 중요성은 더욱 증가할 것이다. 하지만 불행하게도 전자부품 개발과 생산을 담당하는 도요타의 자회사 ‘도요타 전기(Toyota Electric)’가 강력한 경쟁자로 급부상하기 시작했다.
특별히 도요타 자동차의 전자제품을 다루고 있는 도요타 전기는 시장에 전자부품 및 소프트웨어 뿐만 아니라 지적 재산권이나 생산기술, 개발방법을 포함한 다양한 전문기술을 판매하고 있으며, 이들 모두는 말 그대로 도요타의 잘 알려진 고품질, 신뢰도, 높고 강력한 브랜드 이름에 힘입은 제품들이다.
출시되는 제품들은 업계 고객들에게도 영향을 미치고 있다. 예전에 일반적인 추세는 전자기술이 소비가전 제품에서 자동차 시장으로 흘러들어오는 것이었지만 이런 추세는 빠르게 변하고 있다. 현재 도요타에서 개발한 유, 무형의 기술들은 도요타나 그룹 계열사에서 소비가전 제조업체로 흘러가고 있다. 언젠가는 인텔 인사이드처럼 ‘도요타 인사이드’라고 적힌 디지털 제품이 소비가전 시장에 넘쳐나는 날이 올 수도 있을 것이다.
고객에서 라이벌로
도요타는 일본 아이치현 도요타시의 히로세 공장을 중심으로 자동차에 보다 많은 전자제품을 탑재해나갈 계획이다. 이 공장에서는 이미 자체 개발한 IC와 전력 반도체, 다이오드를 포함해 프리우스용의 다양한 부품들을 양산하고 있다. 공장 본사에서는 자사의 저가형 ‘비츠(Vitz)’ 모델에 사용될 리튬이온 충전지를 생산하기 시작했다.
이처럼 도요타는 다양한 전자부품 공급업체로 발전해 나가고 있으며, 향후 생산 가능한 부품 범위를 더욱 늘려나갈 예정이다. 오노는 “내부적으로 개발할 것인지 아웃소싱할 것인지에 대해 아직 결정을 내리지는 못했지만 레이더와 다른 센서를 결합하는 센서 혼합 기술을 개발할 것”이라고 설명했다.
도요타가 센서 부품을 자체적으로 생산하기 시작하면 전자 제조업체들에게 도요타는 고객에서 라이벌로 바뀌게 될 것이다. 자사의 센서 부품을 도요타에 계속 판매하기 위해서 이들은 도요타가 직접 만든 제품과 경쟁하여 이겨야 한다.
전자 제조업체들은 당연히 장기적인 성장 안정세를 예측하며 자동차 시장에 많은 관심을 가지고 있다. 일본 크레딧 스위스 퍼스트 보스톤(Credit Suisse First Boston) 시큐리티 연구부의 토모히코 미야자키(Tomohiko Miyazaki) 부사장 겸 분석가는 “2010년에는 자동차 반도체 시장규모가 PC 시장 규모와 비슷해 질 것이라는 의견이 상당히 설득력을 얻고 있다.”고 말한다.(그림 1)
도요타 자동차가 자사의 전자부품을 다른 자동차 제조업체 뿐만 아니라 소비가전 제조업체들에게 판매하기 시작한다면 이는 폭발적인 시장 경쟁을 촉발시켜 전자 제조업체들이 엄청난 위협에 직면할 수 있음을 의미한다.
도요타와의 경쟁
모터, 모터구동 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistors), 리튬이온 재충전 배터리이들 제품들은 주요 전자 제조업체들의 제품들이 아니라 도요타 자동차가 내부적으로 생산하는 전자부품 목록이다.
자동차의 핵심 기술은 전통적으로 동력전달장치였다. 자동차에서 전자제품들이 점점 더 중요해지고 하이브리드 자동차 시대가 온다고 하더라도 이 사실은 크게 변하지 않을 것이다. 하지만 앞으로는 모터나 인버터, 재충전 배터리와 같은 품목을 포함하여 구성 부품들이 전자제품으로 옮겨갈 것이다.
일본 오토모티브 시스템 히타치(Automotive Systems Hitachi) 시스템 및 제품 개발부의 아키오 무코(Akio Mukoh) 기술 이사 겸 부사장은 “전자 제조업체들은 시장을 매우 긍정적으로 열망하고 있다.”면서 “하이브리드 자동차 시장은 2008년도에 5백만대 수준으로 발전할 것이며, 우리는 이 중 30%를 점유할 수 있을 것으로 예상한다”고 밝혔다.
하지만 이는 도요타의 자체 제품과 성공적으로 경쟁할 수 있어야 가능한 얘기이다. 도요타의 오노 부장에 의하면 “전자 제조업체들에게 하이브리드 자동차용 핵심 부품을 제공해 달라고 요청할 어떤 의사도 없다.”고 한다.
전자 제조업체가 가격과 기능 면에서 도요타의 내부 제품과 성공적으로 경쟁할 수 있는 부품을 개발하지 못한다면 그 업체는 도요타에게 아무 것도 판매할 수 없을 것이다. 필요한 사양을 정확히 반영하여 도요타의 자체 생산 제품보다 우수한 부품을 제공하는 업체만이 ‘휠 위의 전자 컨트롤’의 혜택을 누릴 수 있을 것이다.
이러한 계속되는 경쟁은 가장 우수한 부품을 개발하는 발전적인 과정이 될 것이다. 비교 우위를 갖는 제품은 자동차 업계 뿐만 아니라 소비가전 및 산업용 장비에도 널리 채택될 수 있는 엄청난 가능성을 갖게 된다.
IGBT 설계
이미 도요타와 전자 제조업체 사이에는 하이브리드 자동차용 부품 분야에서 엄청난 개발 경쟁이 시작되었다.(그림 2) 예를 들어 도요타는 이미 모터 뿐만 아니라 내부 보호회로를 갖춘 IGBT를 사용하여 인버터용 IPM(Intelligent Power Module)을 생산하고 있다. 이미 생산을 시작했다는 것은 이 분야에서 경험을 많이 축적했음을 의미한다.
모터에서는 일본의 히타치와 도시바 같은 업체들이 도요타로의 제품 공급을 염두에 두고 제품 개발을 추진하고 있으며, 일본의 미쯔비시 전기(Mitsubishi Electric)과 후지 일렉트릭 그룹(Fuji Electric Group) 같은 업체들은 도요타를 겨냥해 IGBT와 IPM을 개발하고 있다.
미쯔비시 전기는 하이브리드 자동차용 IPM 시장 일부를 점유한 첫번째 회사이다. 현재 하이브리드 자동차용 IPM 시장의 약 70%는 도요타가 생산한 제품이 차지하고 있으며, 나머지 30%는 미쯔비시 전기의 제품이 사용된다.
미쯔비시 전기는 수 년 동안 산업용 IGBT 분야를 주도했으며, 1세대 도요타 프리우스에 사용된 IPM을 개발, 공급하기 위해 산업용으로 개발된 기술을 응용하였다. 미쯔비시는 도요타 및 다른 자동차 제조업체의 작고 가벼운 저가 제품에 대한 엄청난 수요를 인식하여 IGBT 개발에 우선순위를 두었다. 그 결과 사출성형으로 생산된 새로운 제품이 2004년 1월에 출시되었다. 미쯔비시는 2005년 1월에 양산을 시작할 예정이다.
새로운 IGBT의 2가지 주요 특징은 패키지 크기를 약 20% 줄였고 (64×56×7.5mm) 무게는 3분의 1 수준인 100g으로 줄였다는 것이다.(그림 3) 미쯔비시는 칩을 감싸도록 사출성형을 사용하여 보다 작고 가볍게 제품을 제조할 수 있었다. 기존의 방법은 도시락 통 크기만한 컨테이너에 칩을 가득 맞춰 넣고 이를 연결한 후 여기에 실리콘 젤을 채우는 방식이었다. 파워 디바이스 웍스(Power Device Works) 전력 반도체 사업부의 마사유키 카타오카(Masayuki Kataoka) 과장에 의하면 미쯔비시의 이전 제조방식은 ‘한번에 하나씩 거의 수작업 수준’으로 제조되었다고 한다. 이렇게 제조된 제품은 상대적으로 크고 무겁다.
사출성형 방식을 사용하면 여러 개의 제품을 동시에 제조할 수 있어 패키지 비용을 기존 방식보다 5분의 1 수준으로 줄일 수 있다고 카타오카는 말한다.
또한 성형은 온도 변화에 따른 디바이스의 내구성을 향상시킬 수 있다. 미쯔비시 전기는 이를 자동차에 적합한 핵심 특성으로 말한다. 카타오카는 미쯔비시가 캡슐화 수지를 향상시켜 내구성을 높이도록 수지의 열 팽창 계수를 라지에이터와 같이 맞췄다고 말한다. 일반적으로 칩이 캡슐화되면 열 팽창 계수의 차이로 인해 뒤틀림 현상이 나타난다. 계속된 온도 차이에서 발생된 압력이 인터페이스의 결합을 망가뜨려 제품의 내구성을 낮추는 것이다.
하지만 새 제품은 40~+125℃의 온도에서 기존 모델의 10배인 1,000번의 온도 테스트 사이클 이후에도 성능이 전혀 저하되지 않았다. 파워 사이클(전원을 켠 상태에서 실온과 +100℃ 사이의 사이클) 특성도 향상되어 미쯔비시는 일반적인 경우의 3배인 15,000 사이클 이상을 보증한다.
자동차에서 소비자용 제품까지
미쯔비시 전기 같은 몇몇 전자 제조업체들이 도요타 모터의 IGBT와 경쟁하기 위해 기술을 개발하고 있다면 산요 전기(Sanyo Electric)는 원래 자동차용으로 개발된 기술을 소비자용 전자제품에 적용하고 있다. 이러한 기술은 가격과 신뢰도가 이미 검증되었으며, 자동차 업계를 주요 목표로 하고 있다.
문제의 제품은 그라운드 트렌치 금속 산화 반도체 기반 바이폴라 모드 전계 효과 트랜지스터, 즉 GTBT 불리는 매우 낮은 온저항을 갖는 파워 트랜지스터이다. 휴대폰과 다른 소비자용 제품의 스위칭 디바이스용으로 2003년 말부터 매달 3백만개가 생산되고 있다. 이 파워 반도체의 기본 특허는 일본의 닛산 자동차(Nissan Motor)가 보유하고 있다. 닛산 자동차 연구센터내 전자 및 정보통신 연구실의 테루요시 미하라(Teruyoshi Mihara) 소장은 “자동차 시장은 수요량이 적은 대신 신뢰도는 최소 10년 이상 보증되어야 한다.”면서 “우리는 필요한 양산 기술을 확보하고 있으며, 소비가전 제품에 적용될 수 있도록 산요 전기와 기술 라이센스 계약을 체결하였다. 또한 이 자체가 검증되면 이를 자동차용 애플리케이션에 사용할 계획”이라고 설명했다.
산요가 현재 양산하고 있는 스위칭 디바이스는 600V에서 0.2μ Ω×mm2로 업계에서 저항 값이 가장 작다. 이것은 기존 600V MOSFET에 비해 100배 작은 값이며, IGBT나 다른 바이폴라 디바이스에 비해 10배 이상 작은 것이다. 저항이 작으면 스위칭시 손실이 최소화되어 전력 소비량을 줄일 수 있다. 또한 전류 이득이 1,000 이상으로 표준 바이폴라 트랜지스터보다 30배 이상 커서 저전력 구동이 가능하다.
리튬이온 배터리
IGBT 개발 경쟁과 마찬가지로 도요타 자동차는 재충전 배터리 분야에서도 선두를 달리고 있다. 현재 하이브리드 자동차에서 가장 많이 사용되는 재충전 배터리는 NiMH 배터리이며, 시장은 일본의 도요타와 마쯔시타 전기 인더스트리얼의 합작벤처인 일본 파나소닉 EV 에너지(Panasonic EV Energy)가 거의 독점하고 있다.
도요타 자동차의 개발 노력은 NiMH 후속으로 선보이게 될 리튬이온 충전지에서도 계속되고 있다. 하이브리드 자동차가 아닌 2003년 2월형 도요타 비츠에도 자동차의 백업 전원 소스로 리튬이온 충전지가 탑재되었다. 도요타는 양산에 필요한 전문 기술과 경험을 꾸준히 축적하고 있다. 일본 노무라 연구소(Nomura Research Institute) 제조부문 컨설팅 유닛의 토모히데 카자마(Tomohide Kazama) 컨설턴트는 현재 생산량은 200대(800셀)에 불과하지만 “리튬이온 충전지의 양산 경험이 있는 제조업체가 거의 전무한 관계로 도요타가 생산기술과 실제 경험 모두에서 분명한 선두를 유지할 것”이라고 전망했다.
하지만 한 배터리 제조업체의 엔지니어는 “리튬이온 충전지는 최근에 개발되었으며, 개선의 여지가 많다.”고 지적하고 있다. 많은 제조업체들은 보다 좋은 리튬이온 충전지를 제조하여 일반인에게 어필할 수 있는 가능성이 많다고 판단하고 있으며, 대부분이 이 같은 생각에 동의하고 있다.
결과적으로 하이브리드 자동차 용으로 이러한 배터리를 개발하는 노력들은 자동차 제조업체 뿐만 아니라 리튬이온 충전지에 관련된 모든 업체들에 의해 가속화되고 있다. 일본 NEC 라밀리온 에너지(NEC Lamilion Energy), 산요 전기, 신코베 전기 머시너리(Shin-Kobe Electric Machinery) 등의 업체 사이에서 엄청난 경쟁이 진행되고 있다.
하이브리드 버스 배터리
전자 제조업체들이 2006년, 2007년경 리튬이온 충전지의 상용화를 준비하면서 재팬 스토리지 배터리(Japan Storage Battery)는 한 걸음 먼저 앞서가고 있다. 스토리지 배터리는 2004년 2월 일본의 미쯔비시 푸조 트럭&버스(Mitsubishi Fuso Truck & Bus)에서 출시된 에어로 논스텝 HEV 하이브리드 버스에 사용된 리튬이온 충전지를 공급한 업체이다.
스토리지 배터리 제품은 300,000km 주행과 맞먹는 충전/방전 사이클 후에도 용량의 90%를 보유한다. 연간 하이브리드 버스의 판매 목표량은 약 50대에 불과하지만 연간 8,500 셀을 필요로 한다.(대략 매달 700셀) 그렇다고 하더라도 스토리지 배터리는 경쟁사들에 비해 양산에 대한 경험과 전문 기술에서 뛰어난 장점을 갖는다.
자동차 업계의 저가 요구에 맞춰 스토리지 배터리는 “자동차와 산업용 장비시장을 목표로 리튬이온 충전지에서 가능한 한 일반적인 부품을 많이 사용해 비용을 대폭 감소시킬 계획”이라고 밝혔다. 스토리지 배터리는 이미 산업용 장비로 11.4V, 15.2V, 26.6V 사양의 40Ah, 80Ah 용량을 갖는 모델을 판매하고 있다. 셀 크기와 재료, 제조라인은 자동차 시장용 전지에 사용되는 것과 같다.
도요타 인사이드!
도요타 자동차에서 개발된 하드웨어, 소프트웨어, 지적 재산권, 생산 기술 및 유/무형 기술은 디지털 및 다른 가정용 제품의 핵심 기술에 쉽게 접목될 수 있다. 자동차 업계에서는 전통적으로 소비가전 제품에서 개발된 전자기술을 사용했지만 최근에는 자동차 업계에서 전자 제조업체에 새로운 기술을 공급하기 시작했다. 보다 넓게 보면 여기에는 다른 자동차 제조업체들이 도요타 자동차의 기술을 사용하는 것도 포함된다.
인텔이 제조한 CPU를 사용하는 PC에 ‘인텔 인사이드’ 스티커가 붙어있는 것처럼 ‘도요타 인사이드’ 스티커가 모든 소비자 디지털 제품에 부착될 수도 있을 것이다.