• 상업적 현실과 군사적 수요로 탄생한 반도체

• 실리콘밸리에 ‘테크(Tech) 기업’이 몰린 이유

• 1950년대 진공관 쓰는 미그-25…미국과 소련의 차이

• 고압력·온도 견디고 방사선까지…화합물반도체의 위력

• 5세대 스텔스 전투기 F-35, 세계 최강이 된 비결

• “국가안보 문제”…韓 반도체 정책이 가야 할 길

제2차 세계대전 이후 미국은 수십 년간 ‘기술공화국’으로 군림해 왔다. 시대가 요구하는 강력한 기술을 국가적 과제에 적용하려는 다국적 인재들의 열망을 연구개발(R&D)과 전략적 분야에 대담한 공공투자로 뒷받침한 결과다. 트랜지스터부터 집적회로, 그리고 개인용 컴퓨터가 미국에서 고안된 것은 결코 우연이 아니다. 이는 전후 이어진 냉전과 탈식민지화의 혼란을 피해 세계의 ‘두뇌들’이 미국으로 모여들면서 가능했다. 이들 중에는 진공관을 대체한 트랜지스터 상용화의 숨은 주역인 한국인 강대원(1931~1992)과 이집트계 미국인 모하메드 아탈리가 있었다. 

트랜지스터의 발명자는 존 바딘과 월터 브래튼이지만, 트랜지스터의 대량생산은 이들이 공동연구로 트랜지스터 구조를 고안했기에 가능했다. 현재 컴퓨터와 휴대전화 등에서 널리 쓰이는 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU), D램 등은 모두 이들이 발명한 CMOS 공정(Complementary MOS)으로 제작되고 있다. 

여기에 전자업계 총아였던 ‘페어차일드 반도체’에 뒤늦게 합류한 헝가리계 이민자 안드라스 그로프(앤디 그로브)는 고든 무어, 로버트 노이스와 함께 ‘인텔’의 창립 멤버이자 CEO로서 전자업계 신화의 주역이 됐다. 1950년대 국방 분야의 스타 과학자였던 존 폰 노이만도 전쟁과 대량학살의 비극을 피해 미국의 두뇌가 되기 위해 대서양을 건넜다.

실리콘밸리에 ‘테크(Tech) 기업’이 몰린 이유

이들이 일군 반도체산업은 ‘실리콘밸리’에서 만개했다. 실리콘(Si·규소)’과 샌프란시스코 샌타클래라 ‘계곡(Valley)’의 조어인 실리콘밸리는 오늘날까지도 미국의 혁신을 상징한다. 실리콘은 반도체 소자가 만들어지는 웨이퍼의 주원료로 원자번호 14번이다. 물론 트랜지스터의 탄생과 집적회로는 뉴저지에 자리한 AT&T 벨 연구소와 텍사스의 TI(텍사스인스트루먼츠)에서 발명됐다. 



샌프란시스코만(灣)을 중심으로 형성된 혁신 클러스터, 실리콘밸리는 오래전부터 미국 군사무기 생산과 국가안보의 중심이었다. 이는 국방 관련 신기술 수요자인 정부가 실리콘밸리 ‘테크(Tech) 기업’들의 거의 유일한 고객이었다는 점에서 알 수 있다. 

하루 한 척의 선박, 5분마다 한 대의 항공기를 만들어내며 연합군을 승리로 이끈 제2차 세계대전 이후 캘리포니아주 샌타클래라 카운티는 미 해군의 탄도미사일 전량을 조달했다. 따라서 ‘록히드 미사일 앤드 스페이스’ ‘웨스팅하우스’ ‘포드 항공우주’ ‘유나이티드테크놀로지스’와 같은 국방기업은 1980~90년대 실리콘밸리 최대 고용주로 성장할 수 있었다. 미사일, 군사로켓, 정찰위성 등의 전략물자 개발과 생산에 몰두해  현재까지도 록히드마틴의 매출 중 97%는 정부 조달에서 나온다.

인터넷과 위성항법시스템(GPS)이 애초에 군사 목적으로 개발된 것과 달리, 반도체는 상업적 현실에서 탄생했다. 그러나 수요는 군사적 요구에 바탕을 두고 있었다. 그리고 산업 기업과 군사 기관의 긴밀한 협력이 이 기술 혁신을 이끌었다. 그 결과 TI의 잭 킬비와 페어차일드 반도체의 로버트 노이스는 개별 트랜지스터의 집합체인 집적회로 개발을 주도했고, 마이크로 일렉트로닉스(Microelectronics·초소형 전자공학) 시대를 열었다. 

캘리포니아주 마운틴뷰에 설립된 페어차일드 반도체는 1950년대 후반부터 미 중앙정보국(CIA)이 사용한 스파이 위성에 정찰 장비를 납품했는데, 인류의 위대한 도약과 더불어 소련과의 우주 경쟁을 승리로 이끌었던 ‘아폴로 계획’에도 참여해 달 탐사선 유도 컴퓨터의 핵심 칩(Chip)을 공급하기도 했다. 1960년대 페어차일드 반도체사 매출의 80%가 펜타곤(미 국방부)에서 창출됐고, 이는 결국 인텔의 창립으로 이어졌다. 국방에 스며든 마이크로 칩은 서서히 그러나 확실하게 전장(戰場)의 양상을 비트(bit)와 바이트(byte) 경쟁으로 변모시켰다. 마이크로 칩의 진공관 대체는 기술혁신을 불러왔다.

스패로(Sparrow)의 명중률, ICBM 동시 타격

미국이 베트남전에서 사용한 레이시온사의 중거리 공대공미사일 ‘스패로(Sparrow) 3’의 초기 명중률은 9.2% 정도로 추정된다. 반능동유도방식을 채택하고 있는 해당 미사일을 목표물로 제대로 유도하기 위해서 진공관이 사용됐다. 레이더 탐지기나 전자장치에서 신호를 처리하고 증폭하는 데 필요한 진공관은 미사일의 비행경로를 수정하고 표적에 명중시키는 데 필수적이었다. 문제는 베트남의 고온다습한 환경을 감안할 때 이 장치는 너무 민감하다는 것. 부피도 컸다. 10%가 채 되지 않는 명중률은 유의미한 유도 기능이 작동한다고 보기 어려운 수치였다. 결국 이 미사일에 페어차일드 반도체의 미사일 유도 기능이 더해지면서 획기적 개선을 이뤘고, 발사된 미사일의 98%가 목표물을 정확히 타격했다.

냉전 초기 펜타곤의 지상 최대 임무는 소련의 대륙간탄도미사일(ICBM)로부터 미국을 방어하는 것이었다. 이를 위해 요격미사일 기술 향상과 조기경보 시스템 기술발전에 미국의 과학기술이 가진 모든 역량을 쏟아붓고 있었다. 핵무기를 탑재한 ICBM 공격은 미국의 ‘절멸’과 동의어였고, 펜타곤은 이에 대한 군사 태세를 강화하기 위해 모든 대안을 연구해야만 했다. 이 문제가 가진 가장 큰 비극이자 아이러니 중 하나는 한 발의 ICBM으로부터 미국을 방어하는 것은 그다지 어렵지 않다는 점이었다. 당시 미군의 탄도탄 요격 미사일인 나이키제우스가 ‘표적(ICBM)’을 파괴할 수 있다는 것은 의심할 여지가 없었다. 문제는 ICBM 숫자였다. 나이키제우스의 결정적인 한계는 소련과의 총력전에서 예상되는 ‘동시 다발적 표적 공격’에 대응할 수 없다는 점이었다. 반도체는 이러한 문제 해결의 핵심이었다. 1980년대에 목표만 설정되면 스스로 진로를 계산할 수 있던 미국의 미사일은 소련의 ICBM 대부분을 무력화하거나 파괴할 수 있을 정도로 발전했다. 반도체는 분명 군사적 균형을 형성하고 기술의 미래를 특징짓고 있었다. 

1950년대 진공관 쓰는 미그-25…미국과 소련의 차이

1970년부터 1980년대까지 미국 군사장비 대부분은 반도체 집적회로를 탑재하고 있었다. 미국은 무기체계에 두뇌를 장착시킴으로써 군사력의 미래에 발 빠르게 적응해가고 있던 반면, 소련은 여전히 물량 중심의 사고방식에 머물렀다. 냉전시기 소련은 분명 자유 진영을 위협하는 전례 없는 군사력 증강에 착수했다. 크렘린은 국내총생산(GDP)의 17~25%의 규모를 붉은 군대에 투입하며 서유럽과 중동을 통제했고, 미국을 견제했다. 그러나 방향성에서 심각한 오류를 범했다. 국민을 빈곤으로 내몰고, 연방을 불안정하게 만드는 위험을 감수하면서까지 막대한 자본을 국방에 투하한 것. 그럼에도 그들의 무기는 똑똑해지지 못했다. 1976년 9월 소련에서 탈출한 한 망명 조종사가 일본으로 몰고 온 미그-25는 당시 세계에서 가장 빠른 전투기였다. 하지만 전자기술 측면에서는 여전히 1950년대 수준에 머물고 있었다. 

인텔은 1969년 세계 최초 메모리 반도체인 SRAM ‘i3101’을 발표했고, 이듬해 세계 최초의 DRAM을 출시했으며, 1971년에는 세계 최초의 싱글 마이크로 칩 프로세서 ‘i4004’를 발표했다. 미국이 데이터 저장과 논리연산에 반도체 집적회로를 도입한 지 한참 지났음에도 소련의 최신예 전투기에는 진공관과 구식의 메모리 장치가 사용되고 있었다. 

펜타곤은 냉전시대 전반에 걸쳐 전자공학 기술을 군용 시스템에 적용하는 상쇄전략(offset strategy)에 전념했다. 소련을 비롯해 바르샤바조약기구(동구권의 집단방위조약 기구) 국가들의 재래식 방위 지표는 미국을 압도했을지 모르지만, 미국의 군사기술 혁명이 가져온 정밀 무기체계의 질적 우위는 이를 상쇄시키고도 남았다. 

제2차 세계대전 이후 미 국방부가 지원한 수많은 기술 프로젝트 중 트랜지스터보다 더 중요한 것은 없었다. 펜타곤은 실리콘밸리의 든든한 후원자를 자처하며 냉전의 칩을 육성했다. 그러나 오늘날 군용 무기체계에 사용되는 반도체는 실리콘 칩만으로 이루어지지 않는다. 핵 미사일의 방사선을 견디며 칩이 작동되기 위해서는 실리콘 이외의 소재가 필요하다. 우주항공용 칩에도 같은 논리가 적용된다. 또한 항공기 레이더나 무기 시스템이 전파방해로 인해 작동이 중단되지 않기 위해서도 마찬가지 해결책이 필요하다.

물론 실리콘 집적회로를 무선 방출과 방사선으로부터 보호하는 외부적 조치를 취할 수도 있다. 이는 납과 강철 등의 소재를 사용해 외부 덮개를 만들어주는 ‘차폐기술’ 적용으로 구현될 수 있다. 그러나 무기의 중량과 부피를 증가시키는 또 다른 문제를 야기한다. 결국 고온, 고전압에 견디고 고주파 신호를 증폭할 수 있는 트랜지스터에 대한 군사적 요구 사항은 실리콘 트랜지스터를 포함한 특정 유형의 고성능 장치, 화합물반도체 개발을 촉진했다. 

고압력·온도 견디고 방사선까지…화합물반도체의 위력

오늘날 반도체는 주로 실리콘(Si) 기반으로 제작되지만, 초기 트랜지스터 소자는 게르마늄(Ge)으로 개발됐다. IBM은 한때 Ge트랜지스터 3000개를 사용한 최초의 트랜지스터 컴퓨터(IBM 608)를 출시하기도 했다. 그러나 Ge은 높은 가격과 낮은 내압(전압을 견딜 수 있는 정도), 내온도(온도 안정성) 특성 때문에 머지않아 Si으로 대체된다. 전압과 온도 특성에 있어 약 2배 이상의 성능 차이를 보이며, 지각 내 30% 남짓 존재하는 풍부한 원소인 Si 기반의 반도체는 제조 장비의 고정밀화, 소자 구조 및 공정 최적화 등 다양한 기술발전으로 진화를 거듭해 일상 속 전기기기의 소형화 및 고성능화에 크게 기여해 왔다.

동시에 Ge이 Si으로 대체된 것과 같은 이유로 화합물반도체를 이용한 소자의 개발과 실용화가 진행돼 왔다. 화합물반도체란 주기율표상에서 2가지 이상의 다른 그룹에 속하는 화학원소로 구성된 반도체로, 상용화 진척도가 가장 높은 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)이 대표적이다. 이들은 기본적으로 실리콘 소재와 비교했을 때 더 높은 온도(약 1000도)와 전압(약 10배)에서 안정적 동작이 가능하고, 트랜지스터의 기능 중 하나인 전력 증폭 성능이 우수(약 1000배)하다. 미국의 제널럴 일렉트릭(GE)사의 엔지니어였던 자요트 발리거는 이러한 화합물 소재의 주된 응용 분야인 전력반도체(전자기기의 전력을 제어하는 소자)로서의 성능을 평가하는 성능지수(BFOM·Baliga’s Figure of Merit)를 제안했다. 이 성능지수가 높을수록 반도체 소재로서 우수한 특성을 가진다고 간주할 수 있는데, Si 대비 SiC는 440배, GaN은 1130배에 달한다. 가격과 양산, 미세공정 기술 같은 측면에서 Si 반도체의 완전한 대체제로 자리 잡기에는 아직 한계가 있으나, 전력제어 및 국방, 항공우주 용도의 특수 목적 소자에는 현재도 활발하게 사용된다.

SiC는 발전소, 에너지 분배 장치, 전기자동차 등 높은 전압과 전류로 동작하는 시스템에서 주된 전자 소자로 사용된다. GaN은 재료의 특성상 SiC보다 더 높은 동작주파수를 가진다. 동작주파수가 높을수록 소자는 더 빨리 켜지고(on) 꺼질(off) 수 있으며, 더 많은 정보를 단위 시간당 전송할 수 있게 해준다. 이는 높은 전력으로 빠른 스위칭(on/off)을 수행해야 하는 인덕터, 전원, USB 전력제어 등 각종 전자부품 소자의 소형화에 적합하다. 높은 출력으로 실시간 고대역폭 정보 전송이 필요한 고성능 레이더의 핵심 소자인 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC)를 비롯해 전송 및 수신 모듈(TRM), 고체 상태 전력 증폭기(SSPA) 등과 같은 무기체계에 응용되고 있다.

5세대 스텔스 전투기 F-35, 세계 최강이 된 비결

오늘날 인도태평양과 유럽에서 제공권 우위를 확보하기 위한 핵심 무기체계는 5세대 스텔스 다목적전투기 F-35로, 현재 전 세계에 1000기 정도가 보급돼 있다. 2006년 개발이 완료된 F-35는 초기 10년 동안 한해 30여 대 생산 수준을 넘기기 어려웠다. 고성능 레이다, 통신기기, 전자시스템 등 고도의 기술력을 요하는 복잡한 시스템을 갖추고 있기 때문에 안정된 양산에만 15년이 소요됐다. F-35에 들어가는 해당 소자들은 화합물반도체로 이루어져 있다. 

F-35의 레이더에서 GaAs칩은 고속 신호 전환을 가능하게 하는 핵심 부품으로, 장거리 목표물 탐지에 필수적이다. GaN 소자는 제트기의 전자전 시스템에 사용돼 적의 레이더를 방해하거나 접근하는 미사일을 오도하는 고출력 신호를 생성한다. 보안 및 스텔스 친화적 네트워크인 다기능 고급 데이터링크(MADL)는 항공기, 위성, 지상 통제소 간 실시간 고대역폭 연결을 유지하기 위해 Ga 기반의 증폭기에 의존한다. 

노스롭 그루먼사가 F-35에 장착되는 것을 전제로 개발한 AESA(능동형 전자주사식 위상배열) 레이더 AN/APG-81은 수천 개의 작은 모듈이 극한의 정밀도로 신호를 송수신하는 시스템으로, 고주파 환경에서 Si보다 우수한 성능을 발휘하는 GaAs 반도체에 의존하고 있다. 

Ga 기반 반도체 덕분에 전투기 크기의 목표물을 150마일 이상 거리에서 추적, 지형도를 작성하고, 스텔스 드론을 탐지하며, 적 레이더 시스템을 방해하거나 기만할 수 있다. 그뿐만 아니라 F-35의 바라쿠다 전자전 시스템(ASQ-239)은 고출력 신호를 생성해 적의 센서를 무력화하는 GaN 반도체가 탑재돼 있고, 이 기능은 근처를 비행하는 모든 우방국 항공기를 보호한다. Ga 기반 증폭기를 사용하는 MADL(다기능 고급 데이터링크) 시스템은 다수의 F-35를 ‘전투 클라우드’로 연결해 목표물 데이터와 임무 업데이트를 실시간으로 공유하는데, 이는 고위협 전장 환경에서 전술 구사 및 교전의 상호 협동을 가능케 해 전투기의 전술적 우위를 가져다준다. 

“반도체는 국가안보의 문제”

“우리가 필요로 하는 반도체에 대해 완전한 공급망 통제가 필요하다. 이것은 국가안보의 문제다.” 

2025년 4월 9일, 미 하원 에너지 및 상업의원회 청문회 증인으로 나선 에릭 슈미트 전 구글 CEO이자 회장은 반도체, 인프라 및 에너지산업에 관한 국가의 적극적인 정책 개입을 촉구하며 이렇게 발언했다. 그는 트럼프 1기에 추진된 인공지능 국가안보위원회(NSCAI) 의장으로서 “미국은 대만과 한국에 대한 지나친 의존으로 인해 자국 기업과 군대의 원동력이었던 최첨단 마이크로 일렉트로닉스를 잃을 위기에 처해 있다”고 진단한 바 있다. 슈미트 의장의 문제 제기 이후 글로벌 기술 경쟁 환경은 한국의 반도체산업에 결코 우호적이지 않은 방향으로 흘러갔다. 

청문회 이후 7월 23일, 백악관은 미국의 ‘AI Action Plan’을 발표한다. 마이클 크라치오스 백악관 과학기술정책국장, 마크 루비오 국무장관 겸 국가안보보좌관 대행, 데이비드 색스 백악관 AI·가상화폐 차르가 이 계획의 중요성을 공개적으로 언급했다. 이제 미국의 AI 행동계획은 국가안보 목적의 기술혁신과 이에 관한 통제를 정조준하고 있다. 만약 지금 우리의 반도체 정책에 결여돼 있는 무언가가 있다고 한다면 바로 화합물반도체일 것이다. 이것은 대한민국 국가안보의 문제다. 

이현익

● 연세대학교 전기전자공학과 학사/석사, 고려대학교 기술경영전문대학원 박사

● 現 과학기술정책연구원 부연구위원

● 現 혁신클러스터학회 / 기술경영경제학회 이사, 한국기술혁신학회 편집위원, 학술위원회 부위원장

● 前 한국과학기술기획평가원 부연구위원

● 前 두산에너빌리티(舊 두산중공업) 기술연구원 주임