• 국내 최대 규모 화합물반도체 팹 보유

• 반도체 제작 전반 가능한 시설 완비

• 2024년 한 해에만 515개 기관 2022명 이용

• 연구·개발 지원은 물론 시제품도 생산

• 자체 기술개발, 연구 인력 양성도 힘써

• 연구·개발 노하우 공유할 협의회도 발족

• 지자체와 협력해 연구·개발 시설 늘릴 계획

“화합물반도체는 대한민국 발전을 위해 반드시 육성해야 하는 전략적 자산이다.” 윤의준 한국공학한림원 회장은 5월 20일 서울 강남구 그랜드 인터컨티넨탈 파르나스에서 열린 ‘화합물반도체기술협의회(이하 CSTA)’ 발족식 축사에서 이같이 말했다. 축사보다는 시대적 선언에 가까운 말이었다. 

화합물반도체는 현재 반도체 시장의 주류인 실리콘 단일소재 반도체와는 달리 여러 가지 원소를 섞어 만드는 반도체를 말한다. 각 원소의 특성 때문에 단일소재 반도체에 비해 고열·고전압에 강해 차세대 전력 및 통신용 반도체로 각광받는다. 우주·국방 분야에서도 많이 쓰이는 만큼 ‘전략 물자’로 불리기도 한다. 일부 화합물반도체는 빛을 내기도 한다. 이를 이용해 전기신호 대신 빛으로 작동하는 광(光)반도체 개발도 진행되고 있다. 윤 회장의 축사처럼 기술을 넘어 국가전략과 맞닿은 산업이다. 

국내 화합물반도체 연구·개발의 중심에는 한국나노기술원(이하 나노기술원)이 있다. 과학기술정보통신부가 경기도의 후원으로 2003년에 설립한 기관이다. 원래 이름은 ‘나노소자특화팹센터’였지만 2012년 나노기술원으로 이름을 바꿨다. 과거 이름에 ‘특화팹센터’라는 단어가 들어간 만큼 반도체 생산 공장인 ‘Fab(Fabrication의 약어·이하 팹)’을 갖추고 있다. 총 5만1570㎡로 국내 화합물반도체 팹 중에는 최대 규모다. 이 팹을 중심으로 한국 화합물반도체의 연구·개발이 진행되고 있다. 

무균 수술실보다 깨끗한 반도체 팹

우리나라 화합물반도체 연구·개발의 최전선을 들여다보기 위해 ‘신동아’는 8월 19일 경기 수원에 위치한 나노기술원을 찾았다. 오전 10시, 이른 시간인데도 내부는 북적였다. 지나는 사람의 면면은 연구시설이라기보다는 대학 캠퍼스 같았다. 각양각색의 캐주얼한 옷을 입은 사람들이 연구시설 여기저기 포진해 있었다. 복장의 공통점을 굳이 찾자면 ‘편안함’이었다. 일반 기업처럼 정장을 갖춰 입은 사람은 거의 없었다.

팹에 들어서며 그 이유를 알게 됐다. 팹 안에서 일하는 사람들은 모두 방진복을 입고 있었다. 평상복에 두꺼운 방진복을 겹쳐 입다 보니 복장에 제한이 없었던 것. 팹에서 중요시하는 일 가운데 하나가 먼지를 차단하는 것이다. ㎚(10억분의 1m) 단위의 공정이 진행되는 곳에서 먼지 유입은 치명적이다. 



방진복 이외 장갑만 4겹을 겹쳐 착용하고, 모자는 2겹을 쓰는 데다 마스크도 필수다. 상하의 일체형 방진복까지 입고 나면 눈을 제외한 모든 부분이 가려진다. 장민철 나노기술원 공정기술실장은 “매번 눈만 보다 보니 팹 안에서는 반갑게 인사하던 사이더라도 밖에서 방진복을 벗고 만나면 못 알아보는 경우도 있다”며 웃었다. 

기자도 팹에 들어가기 위해 방진복을 입었다. 나노기술원을 찾은 8월 말은 실외 온도가 30℃를 넘는 무더운 날씨였다. 두꺼운 방진복을 옷 위에 껴입으니 숨을 쉬기 어려울 정도였다. 이후 문을 열고 ‘에어 샤워’라 불리는 밀폐 공간에 들어섰다. 사방에서 시원한 바람이 몰아쳐 먼지를 털어낸다. 숨이 막히도록 갑갑한 방진복을 입은 채, 머리카락 한 올조차 허용되지 않는 무결점의 세계로 막 입장하는 순간이었다.

클린룸 내부에 발을 들이자 공기가 달라졌다. 내부 온도는 서늘하고, 공기는 차분했다. 관계자 설명에 따르면 팹의 내부는 사계절 내내 온도는 21~23℃, 습도는 40% 내외로 유지된다. 반도체 제조 공정은 온도와 습도에 민감하다. 조금이라도 온도와 습도가 높아지면 정전기 발생 위험이 높아지고, 민감한 전자부품이 손상될 가능성도 있다.

팹 내부는 먼지가 극도로 제한돼 있다. 먼지가 없다는 의미에서 팹 내부를 ‘클린룸’이라 한다. 클린룸의 청결도는 가로, 세로, 높이가 약 30㎝인 1입방피트 공간에 먼지가 얼마나 있느냐에 따라 구분한다. 가정집이나 사무실은 보통 1입방피트에 300만 개가량의 먼지가 있다. 병원 무균 수술실은 1입방피트에 먼지가 10개 정도다. 팹 내부 클린룸도 많아야 10개, 가장 미세한 공정 라인은 단 1개 수준이다. 팹 바닥은 성긴 망처럼 구멍이 뚫려 있다. 이 구멍 사이로 공기가 드나들며 팹 내부의 깨끗한 환경을 유지한다. 먼지도 없고 기온도 낮은데 위아래로 바람까지 불어오니 답답함은 금방 잦아들었다. 

연구·개발 지원부터 인력교육까지 담당

이 팹은 한국 화합물반도체 연구·개발의 산실이다.나노기술원은 화합물반도체 학계 연구자들이 팹을 사용해 연구할 수 있도록 돕는다. 2024년 한 해에만 515개 기관 2022명이 이 시설을 이용했다. 이 과정에서 523명의 연구 인력을 양성했다. 팹 구축이 힘든 기업에 시설을 빌려주기도 한다. 팹에는 기업이 임차해 쓰는 공간도 있다. 나노기술원을 찾아간 날에도 이 공간에는 몇몇 기업이 입주해 있었다. 

기업 입주 공간을 지나니 연구·개발 시설이 나왔다. 반도체 관련 연구를 하는 학생이나 전문 연구자들이 여기서 반도체를 만들고 있었다. 반도체는 △웨이퍼 제조 △산화 공정 △포토 공정(빛으로 회로 패턴을 웨이퍼에 새기는 과정) △식각 공정(회로 패턴을 따라 웨이퍼의 물질을 제거하는 과정) △증착 공정 △도핑 공정(반도체에 전기적 특성을 주기 위해 불순물 주입) △금속 배선 공정 △웨이퍼 자동 선별(EDS) 공정 △패키징 등 9가지 공정을 거쳐서 완제품이 된다. 나노기술원의 팹은 화합물반도체 생산공정의 대부분을 소화할 수 있다. 연구자나 학생이 팹에서 화합물반도체 공정의 전반을 실습해 볼 수 있는 구조다. 

화합물반도체 생산 실습은 한국 화합물반도체 인력 양성에 반드시 필요한 과정이다. 강혜민 한국에너지공과대 교수는 “반도체는 기초과학이 아니라 공학”이라며 “대학에서 논문과 이론으로만 지식을 습득하기보다는 산업체와 긴밀히 협력해 연구할 수 있는 기회가 늘어야 한다”고 지적했다. 그만큼 학생이나 연구자가 화합물반도체 제작을 실습할 기회가 많지 않다는 이야기다. 그래서인지 실습 중인 학생들은 기자가 가까이 가는 것도 모른 채 마치 도자기를 빚는 장인처럼 제작 실습에 몰두하고 있었다. 연구원 중 한 명은 “팹에는 시계가 없는데 일부 학생은 반도체 제작에 너무 집중한 나머지 팹을 나갈 때까지 시계가 없다는 사실을 알아채지 못하는 경우도 많다”고 말했다. 

나노기술원의 팹은 화합물반도체 생산도 함께하고 있다. 장 실장은 “웨이퍼를 들여오면 팹 내부에서 완제품까지 내놓을 수 있는 구조”라며 “연구용 시설은 물론 반도체 양산이 가능한 장비도 갖추고 있다”고 설명했다. 나노기술원은 기업의 시제품 개발 외주 작업도 받고 있다. 기자가 팹을 찾은 날도 나노기술원의 반도체 연구원이 팹 곳곳에서 시제품 제작에 열을 올리고 있었다. 

화합물반도체는 실리콘반도체와 달리 정형화된 생산방식이 확립돼 있지 않다. 화합물반도체 자체가 두 가지 이상의 원소를 결합해 만드는 반도체인 만큼 생김새도 다양하기 때문이다. 최근에는 전력반도체에 대한 관심이 커지며 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 화합물반도체가 각광받고 있다. 이날 팹에서는 주로 GaN을 다루는 것을 볼 수 있었다. 

GaN도 그 용도에 따라 만드는 방식이 다양하다. GaN을 사용한 화합물반도체는 전력반도체 외에도 발광다이오드(LED), 통신용 전력 증폭 반도체(PA)로도 쓰인다. 전력반도체나 통신용 PA 반도체는 실리콘 웨이퍼 위에 GaN을 올려 반도체를 만든다. 고성능 전력반도체의 경우 SiC로 만든 웨이퍼 위에 GaN을 올려 만들기도 한다. 

LED 등 빛을 다루는 반도체는 실리콘이 아니라 사파이어 웨이퍼를 사용한다. 나노기술원의 팹은 대부분의 공정이 가능하다. 이날 팹에서도 광반도체와 전력반도체의 시제품을 만드는 과정을 각각 볼 수 있었다. 장 실장은 “화합물반도체의 특성상 실리콘반도체보다는 주문생산 방식의 파운드리 반도체에 가깝다”며 “그때그때 다른 방식으로 (반도체를) 만들다 보니 다양한 시제품을 다뤄보는 것만으로도 화합물반도체 생산기술 향상에 도움이 된다”고 설명했다. 

나노기술원은 그간 쌓은 연구 실적을 바탕으로 직접 기술개발에 나서기도 한다. 반도체 개발에 어려움을 겪는 기업을 대상으로 기술 분야 컨설팅 업무도 맡고 있다. 2024년 약 1만4000건의 공정 및 7400건의 분석 서비스를 실행했을 정도. 개발한 기술이전 건수도 같은 기간 43건에 달한다. 이곳에서 일하는 인력 대부분이 화합물반도체 관련 기술 전문 인력이라 가능한 성과다. 이 인력들은 후학 양성에도 나선다. 나노기술원의 사무동 1층에는 강의실이 있다. 이곳에서 학생들이 연구·개발 인력의 강의를 듣는다. 

물은 반도체공장 필수품

팹 바닥을 자세히 보면 여러 개의 관이 지나는 것을 볼 수 있다. 반도체 공정에 필요한 화학약품과 가스, 물을 공급하는 관이다. 이 관은 팹 지하에서 만난다. 지하에 내려가 위를 올려다보니 굵고 얇은 관이 핏줄처럼 팹 여기저기로 이어지고 있었다. 지하 한편에는 액체나 기체를 관 내부로 옮기는 펌프가 늘어서 있다. 통상 공장에서는 유압을 이용한 펌프를 쓴다. 하지만 반도체 팹에서는 유압펌프를 쓰는 일이 드물다. 다양한 화학약품을 다루다 보니 폭발 위험이 있기 때문이다. 유압펌프 대신에 ‘드라이 펌프’라 불리는 펌프를 사용한다. 이름에서 짐작할 수 있듯 기름이나 물 없이 기체를 직접 흡입·압축해 배출하는 진공 펌프다. 

지하실 구석에는 거대한 물탱크도 있었다. 반도체 공정에는 물이 반드시 필요하다. 고압의 물을 이용해 재료를 가공하기도 하고, 고순도의 물로 회로를 세척하기도 한다. 물론 이 과정에서 회로에 이물질이 들어가서는 안 된다. 불순물이 회로에 들어가면 전기 흐름에 영향을 미친다. 불량품이 생길 가능성이 높아진다는 의미다. 이물질 유입을 막기 위해 공정에 쓰이는 물은 수소와 산소 외에는 아무것도 들어 있지 않은 순수한 물이다. 물속의 이온, 미립자, 염소, 이산화규소 등 아무것도 들어 있지 않도록 고도로 정제해 만든다. 이를 ‘초순수(UPW·Ultra Pure Water)’라 한다. 

장 실장은 “대형 팹을 지을 때는 입지가 중요한데 물과 가깝고 진동이 없어야 한다”며 “초순수는 물을 이용해 만들기 때문에 수자원이 풍부한 곳에 위치하는 편이 좋고, 세밀한 작업이 많아 진동의 영향을 덜 받는 곳이 필요하다”고 말했다. 그만큼 팹을 지을 곳을 찾는 일도 쉽지 않다는 의미다. 화합물반도체 업계 관계자는 “새로 팹을 지을 만한 곳을 찾아도 인력을 구하는 일이 쉽지 않다”며 “그나마 나노기술개발원의 팹이 있어 중소기업도 화합물반도체 연구·개발에 나설 수 있는 환경”이라고 설명했다. 

웨이퍼 국산화 및 지자체 협력도 강화

나노기술원은 이외에도 화합물반도체 산업 발전을 위해 다양한 활동을 하고 있다. 지난해 5월에는 ‘우주국방용 전략소자를 위한 화합물반도체 인프라 고도화 기술개발사업’ 수주에 성공했다. 과기부가 300억 원의 예산을 지원하는 사업이다. 사업의 일환으로 나노기술원은 2028년 12월까지 화합물반도체 자생적 생태계 구축에 나선다. 5월 20일에는 서울 강남구 그랜드 인터컨티넨탈 파르나스에서 ‘화합물반도체기술협의회(이하 CSTA)’ 발족식을 열었다. 

해당 사업 담당자인 고유민 CS소자개발실장은 “국내에도 다양한 화합물반도체 기업이 있지만 이들을 묶어낼 공동체가 없어 그간 연구·개발 노하우 공유가 어려운 실정이었다”며 “한정된 자원에서 최대의 효율을 이끌어내기 위해서는 화합물반도체 관련 산업계는 물론 학계와 연구계의 협력도 절실하다”고 말했다.

나노기술원은 웨이퍼 국산화에도 나서고 있다. 화합물반도체 중 일부는 일반 웨이퍼가 아닌 ‘에피웨이퍼’를 사용해 제작한다. 에피웨이퍼는 일반 웨이퍼 위에 추가 박막 가공을 거쳐 만든다. 일반 웨이퍼 위에 만든 반도체보다 빠르게 작동하고 고출력·고전압에서 작동이 가능하며 고주파 변환 효율도 높다. 나노기술원은 2023년 6인치 GaN(질화갈륨) 전력반도체 에피웨이퍼 생산시설을 갖췄다.그간 국내에서는 생산이 불가능해 전량 수입하는 재료였다.

최근에는 8인치 에피웨이퍼 생산에도 도전하고 있다. 웨이퍼가 클수록 한 번에 더 많은 반도체를 생산할 수 있다. 화합물반도체는 용도와 기능에 맞게 매번 설계를 바꿔야 한다. 그렇기 때문에 웨이퍼의 크기가 생산량에 큰 영향을 미친다. 세계 각국은 웨이퍼 크기를 키우기 위해 노력하고 있다. 문제는 웨이퍼가 커질수록 만들기 어려워진다는 점이다. 화합물반도체용 웨이퍼 생산업체 관계자는 “웨이퍼가 커질 때마다 (에피웨이퍼) 생산 난도는 기하급수적으로 올라간다”며 “아직 8인치 에피웨이퍼를 제대로 만드는 기업은 해외에도 많지 않다”고 설명했다. 

나노기술원은 지방자치단체와 협력도 늘려나가고 있다. 2월 21일 평택시와 첨단 반도체산업 생태계 육성을 위한 업무협약을 체결했다. 화합물반도체를 포함한 다양한 첨단 반도체 개발을 함께 한다는 것이 협약의 골자다. 협약에 따라 평택시 관내 반도체 소부장(소재·부품·장비) 기업은 나노기술원이 보유하고 있는 시설과 장비 및 인력을 활용할 수 있다. 이를 기반으로 각 회사와 나노기술원이 협력해 연구개발 및 신기술 사업화에 나설 계획이다. 

나노기술원이 운영하는 반도체 공정·장비 교육에 평택 지역 기업 재직자는 물론 구직자도 참여할 수 있다.두 기관은 다양한 협력을 이어나가며 궁극적으로는 나노기술원의 소부장 시험장 및 지역 센터를 평택에 구축하는 것을 추진하기로 했다. 정장선 평택시장은 협약식에서 “반도체 소부장 기업들의 R&D 과제 지원 및 실무 인력 양성 사업 등을 한국나노기술원과 적극 협력해 추진할 것”이라 밝혔다.