정부 차원 투자로 원천기술 확보해야

▲ ▲차세대 반도체 소재-기술격차 및 기술수준. ▲차세대 반도체 소재-기술격차 및 기술수준

■해외동향
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
GaN 소재의 경우 미국에서 1980년대 후반 미 국방부(DoD) 중심으로 많은 연구개발 프로그램이 추진됐으며 Nitronex·RFMD·TriQuint·Cree 등의 회사에서 일부 결과물에 대한 상용화를 발표했다.

일본의 GaN 기술은 통산산업성 연구자금을 이용해 신에너지 산업기술 총합개발기구(NEDO) 주관으로 개발됐다. NEDO의 GaN 기술은 고출력·고주파수 전자소자를 개발하는 데 목적이 있다. NEC·토요다 고세이·후루카와 전기를 비롯한 산업계, 리츠메이칸 대학 및 AIST 연구소들이 NEDO 프로젝트에 참여했다.

유럽연합은 EU Framework Program 7을 통해 ‘MORGaN(강한 질화갈륨 소재)’이라고 명명된 프로젝트(연구비 3년간 920만유로)를 통해 GaN 소재기술을 개발하고 있다. MORGaN 프로젝트의 목적은 고온·고전압 상황과 같은 극한 상황에서도 전자소자 및 센서가 동작할 수 있는 새로운 물질을 개발하는 것이다. MORGaN 프로젝트의 컨소시엄은 11개 국가(영국프랑스·독일·스웨덴·폴란드·체코·슬로바키아·헝가리·오스트리아·그리스·스위스)의 13개 연구소, 6개 중소기업, 2개 공업시험소 및 2개의 대기업으로 구성됐다. 대표적인 멤버는 독일의 Aixtron, 프랑스 국립중앙연구소, 영국 글래스고 대학 등이다.

SiC 소재의 경우 1990년대 후반 및 2000년대 초반에 미국의 NASA 및 국방부, 일본의 NEDO, 유럽의 Siemens·ABB사를 중심으로 소재 및 소자개발 연구가 본격화 됐다. 대표적인 프로젝트로는 미국의 방위고등연구계획국(DARPA), 일본의 Hard Electronics 프로젝트, 유럽의 JESICA 프로그램 등이 있었다. DARPA 프로젝트는 Westinghouse·Northrop-Grumman·Motorola·GE·Cree·Advanced Technology Materials Inc. 등의 기업들이 참여해 주로 국방관련 기술 개발에 주력했다.

최근에는 프랑스를 중심으로 G2REC(Grand Gap Rectifier) 및 MANSIC(Multidisciplinart Academic-industrial-industrial Network through the Heteropolytyp Growth of 3C-SiC) 프로그램이 2007년부터 시작돼 주로 3C-SiC 소재 중심으로 연구되고 있으며, STMicroelectronics·SITRONIX·NOVASIC 및 유럽 내 많은 대학 등이 참여하고 있다.

일본은 이전의 hard Electronics 프로그램 후속으로 NEDO 지원의 ‘R&D on Combustion Control Systems for Energy Conservation' 프로젝트가 2010년 4월 새로 출범했다. 이에는 다수의 반도체 생산업체를 위시해 신일본제철과 토요다 자동차가 주축이 돼 SiC 소재의 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 초고품질 단결정 성장을 목표로 하고 있다.

■국내동향
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국의 경우 우주·군사 등 첨단 분야에서 경쟁력 우위를 지키기 위해 국가 차원에서 20여년 간의 지속적인 투자를 단행한 반면, 한국의 경우 단발적인 연구개발과제 현태로 진행됐다. 1999년 차세대 신기술 개발사업의 일환으로 SiC 전력반도체 기술개발이 시작된 이후, 2000년대 중반에는 지식경제부의 지원 하에 연구소와 학교를 중심으로 고주파 분야로의 활용을 위한 GaN 전력반도체 개발과제가 추진되고 있다. 최근에는 자동차 분야에의 적용을 위한 ‘친환경 자동차용 SiC 기반 전력변환소자 개발’ 과제가 추진 중이나 아직까지 소재보다는 소자화에 치중돼 있다. 반면 최근에 대기업 연구소를 중심으로 기존 실리콘 전력반도체를 대체하기 위한 가전용 및 산업용 SiC·GaN 전력반도체 연구개발이 추진되고 있다. 2010년 시장 선점 10대 핵심소재(WPM) 사업에 SiC 소재가 채택됨으로써 본격적인 소재연구의 길이 열렸다.

■국내외 주요 기업의 생산 활동
RF(Radio Frequency)용 GaN 전력증폭기는 미국 RFMD·Cree·Nitronex에서 현재 양산 중이다. 반면 GaN 전력반도체는 2010년에서야 미국 IR에서 전 세계 최초로 DC-DC 컨버터 현태로 출시했다. GaN 전자소자 관련 국내 기업 상황은 RFHIC가 GaN 전력 증폭기를 패키지해 발표한 적이 있을 뿐 전무하다.

현재 국내에서는 네오세미테크가 2인치 및 3인치 단결정 SiC 웨이퍼를 개발하고 있으며 2010년 이후 포스코·LG이노텍 등이 단결정 및 에피박막을 개발할 예정이다. 1990년대 이후 미국의 Cree를 중심으로 단결정웨이퍼 및 소자들이 개발되고 있으나 본격적인 양산은 시작되지 않았다. 2009년 들어 태양광발전용 인버터용 전력변환소자로 채택되기 시작해 점차 양산화의 길에 들어서고 있다. 특히 2015년~2020년 정도로 예상되는 전기자동차 양산화 시점에 맞춰 SiC 기반 전력소자의 개발에 박차를 가하고 있으며 도요타가 선두를 달리고 있다.

시장 초기 단계로 진입장벽 낮아

국내 반도체 기술 응용…시장 리드 가능

▲ ▲GaN 소재 국내외 시장 규모. ▲GaN 소재 국내외 시장 규모

■시장규모 및 전망
LED 및 레이저 다이오드를 제외한 GaN 국내외 시장은 RF 전력증폭기 분야 및 전력반도체 분야로 이루어진다. GaN 전력반도체 시장은 2007년에 500만달러이며 2012년 2억6,400만달러에 도달할 것으로 예상돼 6년동안 50배 이상 성장될 것으로 예상된다. 2011년 GaN 전력반도체 시장은 172백만달러로 GaN RF 전력증폭기 시장 규모, 130만달러를 추월할 것으로 예상된다. 또한 국내시장은 전체 시장의 10%로 추정된다.

SiC 소재의 경우 시장 발전 속도가 느렸으나 2010년 이후 태양광발전용 인버터에 채용 및 전기자동차용 인버터에 채용을 기반으로 연 평균 35% 이상의 성장률을 기록해 2020년 이후에는 1조원 이상의 시장을 형성할 것으로 예측되고 있다.

■연구개발 과제
◇ZnO 소재
LED 소자화 연구에서는 ZnO 단결정 성장기술, 비극성 ZnO 성장기술, p-type ZnO의 구현기술, 전기활성층 개발, 고품질 ZnO 에피박막 성장기술 등이며 투명박막 트랜지서트를 위한 기초연구로는 구조 및 신물질 개념 도입이 필요하다.

◇GaN 소재
고품질 에픽택시 기술 관련으로는 LED용 박막과 차별화된 전자소자에 적합한 저결함 고품질 박막 성장 기술의 개발, 달결정 기판제작 기술에선 기판으로 사용할 GaN 웨이퍼의 저비용 생산 기술 개발이 중요한 과제다.

◇SiC 소재
대구경 단결정 성장 기술에서는 승화법 및 여러방법을 적용해 6인치급 웨이퍼 생산기술과 CMP 등 Epi-raedy 웨이퍼 제조를 위한 가공기술, 고품질 에피택시 기술 분야에선 제어 에피택시 기술, 표면 결함 억제 기술, 도밍 균일도 제억 기술, 고온에피택시 장치 제작 기술 등이 주요 연구개발 과제다.

▲ ▲차세대 반도체 소재-국내 선도 연구기관. ▲차세대 반도체 소재-국내 선도 연구기관

■정부 및 기업의 대응 방안
◇정부차원 장기적인 전략수립 및 투자
차세대 반도체 소재의 경우 시장 형성 단계로서 민간기업의 자발적 참여가 어렵다. GaN의 경우 미국·일본 등에서는 기술개발관련 총괄지휘센터가 있고, SiC 연구의 경우에는 일본은 AIST가 중심이 돼 관련기업들이 연구원을 장기적으로 파견해 공동개발을 진행하고 있으며 개발된 내용에 대해 공유하는 제도가 마련돼 있다. 따라서 정부차원의 장기적인 전략 수립 및 투자가 필요하다.

◇원천특허 및 기술의 확보
좋은 특성과 향후 거대한 시장의 가능성에도 불구하고 기술개발의 역사가 짧아 선진국들의 기술장벽이 높지 않다. 따라서 신구조·신물질 개념 등의 원천기술 및 특허를 확보하면 세계 차세대 반도체 소재기술을 주도할 가능성이 크다.

◇소재기반 기술 확보 우선
기존의 실리콘 반도체 산업을 이어갈 가능성이 가장 큰 소재들이다. 아직은 차세대 반도체 소자로서는 완전한 제품군을 이루지 못하고 있다. 따라서 세계 최고 수준인 국내의 반도체 산업 기반을 활용하기 위해서는 소재를 기반으로 한 기술의 확보가 가장 중용하며 우선적으로 추진돼야 한다.

◇기존 실리콘 기반 반도체 업체들의 관심 유도
차세대 반도체란 기존의 실리콘 반도체를 대체하거나 일부 기능적으로 구현하기 힘든 영역의 반도체 소자로의 응용을 주력하는 업체들이 단순한 경쟁재로서 인식할 것이 아니라 추후 우리산업의 주요 먹거리 산업이 될 것이라는 인식 하에 지금부터 주도적으로 차세대 반도체에 대한 연구 개발에 참여하는 것이 중요하다.