현대 사회에서 반도체는 가장 중요한 기술 중 하나로, 우리 일상생활에서부터 산업 분야까지 다양한 영역에서 활용되고 있는데요. 스마트폰, 자동차, 컴퓨터, 가전제품 등 생활 속에서 대부분 전자기기는 반도체 없이 동작할 수 없죠? 이처럼 반도체는 우리의 삶을 편리하게 만들어 주는 핵심 기술이며, 미래 사회에서도 변함없을 것으로 보입니다. 최근 자율주행차를 비롯해 인공지능, 5G 통신 등 첨단기술의 발전에 따라 반도체 산업의 중요성이 더욱 주목받고 있습니다. 2024년 현재, 한국은 세계에서 초일류 반도체 제조강국으로서의 위치를 확고히 유지할 것으로 전망되고 있는데요. 미래의 핵심산업인 경기도의 반도체에 대해 살펴보고, 경기도가 추진 중인 관련 사업을 살펴봤습니다.

산업통상자원부가 지난 2021년 경기도를 ‘반도체 분야’ 소부장 특화단지로 지정하면서 경기도가 세계 최고 수준의 반도체 산업 공공 인프라를 구축하는 등 반도체 산업 육성을 위해 박차를 가하고 있는데요. 이 같은 기능을 담당하는 곳이 바로 차세대융합기술연구원입니다. 차세대융합기술연구원은 경기도와 서울대가 협력하여 설립한 국내 최초이자 유일한 관-학 융합기술 전문 연구기관입니다. 변창우(차세대융합기술연구원·공학박사) 경기도 반도체혁신센터 반도체분석개발팀장을 만나 경기도 반도체 산업의 전망과 차세대융합기술연구원에 구축된 반도체 공공 인프라에 대해 이야기를 들어봤습니다. 차세대융합기술연구원에 반도체 소부장 기술개발 공공플랫폼 구축‥기술개발 패스트트렉(Fast Track)으로 소부장 중소기업 부가가치 기회 높여

변창우 팀장은 “차세대융합기술연구원에는 반도체 공공플랫폼으로 반도체 수요-공급기업 공동 기술개발을 담당하는 장비공동개발지대와 분석 및 평가 인증을 담당하는 내재화변경인증센터로 이루어져 있다. 지난 2021년 2월 경기도가 정부의 반도체 소부장 특화단지로 지정됐는데, 산업 분야별 전국에서 5개 분야가 지정됐다”라고 설명한 후, “2021년 5월 맞춤형 지원사업을 의결하여 분야별로 기업들이 생산하는 소재, 부품, 장비(이하 소부장) 품목들을 국산화할 수 있게 하는 플랫폼을 마련하라는 게 핵심 주문이었다”라고 소개했습니다. 변창우 팀장에 따르면, 한국이 소재, 부품, 기술개발에 힘쓰기 시작한 것은 2000년대 초부터였다. 이 분야가 많은 시간이 지났음에도 실효성이 낮았다고 평가받는 이유는 국내 소부장 기업들이 아무리 기술개발을 해도 써 주는 수요기업이 없었기 때문이라고 합니다. 변 팀장은 “(중소기업에서 개발된 소재 등의 부품을) 써주는 수요기업이 있어야 국산화율이라는 게 높아지는데, 이것을 정부가 일본 반도체 수출 규제 사건을 통해 알게 된 것이다”라면서 “2019년 7월 (한국을 상대로 한) 일본의 수출 규제가 터지고 난 후, 생각이 바뀐 것이다. 이때 핵심 소재 3가지(불산, 폴리이미드, 포토레지스트)가 안 들어오니깐 ‘앵커기업’이라고 불리는 대기업들도 타격을 입었고, 긴급한 상황에 앵커기업 주도적 국산화 기술개발이 단시간에 이루어지는 기적을 보고 국산화된 핵심 소부장 품목이 있으면 써주는 곳이 있어야 한다고 느낀 것”이라고 설명했습니다. 특히 변 팀장은 “(정부가)소부장 특화단지라는 법적 근거를 가진 상생협력 산업단지를 지정할 때 앵커기업을 활용하여 소부장 핵심품목 국산화를 높이고자 하였고, SK하이닉스가 용인 원삼에 반도체클러스터 일반산업단지를 구축할 때, 특화단지로 지정받으면서 앵커기업으로 지정했다”라고 덧붙였습니다.



차세대융합기술연구원 반도체 공공플랫폼 구축과 관련, 변 팀장은 “반도체 관련 소부장 품목 등을 양산에 적용하려면 일정 수준 이상의 기술 및 품질확보가 되어야 하는데, 앵커기업이 모든 품목을 평가하기에는 한계가 있어, 특화단지 맞춤형 지원사업을 통해 기술개발을 직접지원하는 소부장 요소기술 테스트베드라는 걸 차세대융합기술연구원에 구축하게 됐다. 소재, 부품, 기술개발이나 R&D를 하게 되면, 결과물에 대해 품질 및 신뢰성, 공정능력을 파악해야 하는데, 그런 것을 차세대융합기술연구원에서 분석·평가하게 된 것이다”라고 답했습니다. 이에 변 팀장은 “세계 최고 수준의 사양인 분석 장비를 공공기관이 가지고 있는 건 경기도가 유일하다. 차세대융합기술연구원은 반도체산업의 공공플랫폼으로 기술개발을 지원하는 매개체 역할을 한다”라면서 “테스트베드가 소재, 부품, 장비들의 기술개발 하는 기업에 더 고도화된 분석을 지원되면, 앵커기업이 이것을 쓸 수 있는 근거를 갖게 되는 것이다”라고 강조했습니다. 경기도 반도체 소부장 요소기술 테스트베드 구축 배경은? 경기도에 따르면, 반도체 수요기업은 검증된 해외 소부장 공급기업에 대한 선호도가 높고, 국내 중소·중견 소부장 기업은 수요기업을 통한 제품 성능검증이 쉽지 않음에 따라 국내 판매 및 수출 판로 개척 등 시장진입이 어렵다고 합니다. 이에 변 팀장은 “반도체 기업은 제품의 신뢰성 확보를 위해 막대한 성능평가 비용이 필요함에 따라 민간기업에서 반도체 제품의 성능평가 비용을 감당하기에 한계가 존재한다”라면서 “공공에서의 다양한 반도체 장비에 대한 적극적인 성능평가를 통해 국내 제품의 신뢰도 향상 및 사업화에 대한 정책적인 지원이 필요하다”라고 강조했습니다. 특히 변 팀장은 “국내 소부장 산업은 연쇄적 수요-공급의 구조를 가지고 있는데, 국내 소부장 기업들이 개발한 소부장 품목들의 부가가치를 높이기 위한 요소기술 실증 테스트베드의 필요성이 증가하고 있어 테스트베드 확보가 시급하다”라고 설명한 후, “국내 소부장 공급기업이 생산하는 핵심 품목의 신뢰성을 평가하는 표준 인프라를 마련하는 것이 중요하다. 여기에 수요기업이 해당 평가 결과를 활용하는 체계를 구축하여 기술개발 리드타임을 축소하고, 유니콘기업을 배출할 수 있는 방안이 요구된다”라고 테스트베드 사업의 추진 배경을 설명했습니다. 차세대융합기술연구원 내 반도체 공공인프라 현황은? 차세대융합기술연구원의 반도체기술센터 테스트베드 내 ‘장비공동개발지대’와 ‘내재화변경인증센터’가 마련됐는데요. 이를 자세히 살펴보면 다음과 같습니다. ① 장비공동개발지대 : G-SPEC, 클린룸, 사무실, 공용공간 등 (E동 1~2층 / 규모 : 1,120평). ② 내재화변경인증센터 : 전자현미경실, X선 분석실 등 (B~C동 지하 1층, E동 / 규모 : 113평). 그중 경기도반도체기술센터(E동)에 위치한 반도체장비공동개발지대의 총 규모는 3,711㎡(약1,120평)로, 1층(1,861㎡)과 2층(1,850㎡) 등으로 구성됐습니다. ① 1층: 신뢰성평가실I(신뢰성 평가장비, 창고 등), 신뢰성평가실II(신뢰성 평가장비 등), 이미징실(X선 CT 측정 등), 분광실(반도체 소재/구조 분광분석 등), 전자파 차폐실(반도체 소자 전자파 측정 등), 제어/스캐닝실(반도체 소재 측정, 창고 등) 등 ② 2층: 혁신센터 사무실(혁신센터 구성원 사무실), 인력개발센터 강의실(인력개발 강의, 회의실 등), 클린룸 실습실(중형 클린룸 모듈 1개, 전실 등), 전기 및 공조실(테스트베드 전기실, 공조실) 등 ■ 내재화변경인증센터: X선 분석실 및 전자현미경실 내재화변경인증센터 중 대형장비는 활용 목적 및 환경 여건에 따라 공간 분리를 통해 별도 공간에 X선 분석실, 전자현미경실로 구성됐습니다. ● X선 분석실 X-선 분석실은 C동 지하에 위치하며 XRD, XPS 두 기기를 활용하여 파우더, 박막 등 시료의 결정구조와 화학결합 상태의 분석이 가능합니다. 온도변화에 따른 구조의 변이도 분석이 가능하여 반도체 및 에너지 소재의 결정구조, 화학구조에 대한 정보를 분석하는 것이 목적입니다. 먼저, X-선 분석실의 경우 XRD라고 부르는 X-선 회절분석기(Bruker사, D8 Discover)가 있는데 X-선의 회절 현상을 이용해 분석시료의 결정구조와 박막 두께 분석이 가능한 장비입니다. 현재 보유 중인 장비는 영하 190도에서 영상 600도까지 온도설정이 가능하여 온도에 따른 물질의 실시간 구조변화까지 측정이 가능합니다. 다른 장비는 XPS라고 불리는 X-선 광전자 분광분석기(Kratos사, AXIS Supra+)로 X-선의 광전 효과를 이용해 분석시료의 원소조성, 화학결합상태 분석이 가능합니다. 이 또한 800도까지 온도분석이 가능해서 X-선 분석실의 장비들로 반도체 소재, 에너지 소재 등 다양한 시료의 온도별 원소의 화학적 결합구조 변화 등에 대한 세부적인 분석도 가능합니다.



① X-선 회절분석기(XRD): X선 회절 현상을 이용하여 물질의 결정상 분석, 미지시료의 정성분석, 결정화도, 격자변형 분석.



② 고성능 X-선 광전자 분광분석기(XPS): X선을 조사하여 광전효과에 의해 방출된 내각전자의 운동에너지를 측정하여 원소조성 및 화학결합 상태 정보 분석. ● 전자현미경실 전자현미경실은 주사전자현미경실과 투과전자현미경실로 구분되어 B동 지하 1층에 위치하고 있습니다. FIB-SEM 2기, TEM 1기(FIB, FE-SEM 각 1기씩 설치 예정) 등을 활용하고 있으며, 시료의 표면, 단면, 내부의 이미지 분석과 원소 성분, 결정구조의 분석에 활용하고 있습니다. 주사전자현미경실은 현재 이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM, Thermoscientific사, Helios 5 UC, Scios 2) 2대가 운영 중입니다. 1나노미터 수준의 분해 능력의 전자빔을 이용하여 시료의 표면을 관찰하고, 이온빔을 이용하여 시료의 단면을 가공해 내부구조까지 관찰이 가능합니다. 특히, 단면을 실시간으로 잘라내어 3차원 구조로 재구성하는 기능이 있어 반도체를 포함한 다양한 소재의 내부구조와 원소 성분의 분포를 시각화하는 분석에 유용하게 쓰이고 있습니다. 최근 수차보정투과전자현미경(Cs-TEM, Thermofisher사, Spectra300)이 도입되었는데요. 이 장비는 원자 수준의 분해 능력을 가진 전자빔을 활용한 장비로서 소재의 형상, 결정구조, 화학구조, 결함 등을 분석하여 원자 수준의 정보 제공이 가능합니다. TEM의 시료는 100나노미터 이하의 얇은 두께로 준비해야 하며, 앞서 언급한 FIB-SEM을 활용하여 원하는 국소 부위를 선택적으로 가공‧분석하는 연계 분석이 가능합니다. 또한, 전자현미경실은 대면적 이온빔 가공이 가능한 플라즈마이온빔(P-FIB), 이미지 분석을 위한 주사전자현미경(FE_SEM) 각 1대를 도입 준비 중으로 다양한 분석 수요에 대응하기 위한 노력을 하고 있습니다.



① 이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM): 전자빔을 활용하여 시료의 표면을 분석하며 이온빔으로 선택 영역을 가공한 단면 분석 및 TEM 시료 제작.



① 수차보정 투과전자현미경(Cs-TEM): 300kV 전압으로 가속된 전자빔을 활용해 시료의 투과된 이미지를 분석하며 원소의 조성과 결합 상태, 결정의 구조까지 높은 분해 능력으로 이미지 분석 가능. ■ 반도체기술센터 시설 경기도반도체기술센터는 공동개발지대, 내재화인증변경센터, 반도체인력개발센터(G-SPEC) 등으로 구성됐습니다. ① 공동개발지대 : 수요-공급기업과 연구기관이 공동으로 기술개발을 수행할 수 있는 클린룸과 유·무기 소재 제조용 습식 실험실 등의 기반 시설입니다. 특히 공급기업이 보유하기 어려운 인프라를 구축하고 필요로 하는 기업들이 활용할 수 있도록 제공하는 공간입니다. 특히 공동으로 반도체 소부장 분야에 대해 수요기업이 원하는 방향으로 기술개발을 하는 것이 주된 목적의 공간이라고 합니다. (E동 1층 공간) ② 내재화인증변경센터 : 반도체 소재 및 부품에 대해 분석, 평가, 실증을 위한 분석, 평가 장비를 운용하고 수요기업과의 협업을 통해 성능인증을 위한 기반 시설 공간입니다. 특히 국내 최고 사양의 최첨단 분석·평가 장비 23종이 구축될 공간입니다. ③ 반도체인력개발센터(G-SPEC): 반도체 산업 전문인력 양성을 통해 중·장기적으로 도내 반도체기업의 기술 경쟁력 강화 및 인력공급망 안정화 도모를 위한 인력양성 공간입니다. ■ 세계 최고 수준, 투과전자현미경(TEM)은? 투과전자현미경(TEM)은 반도체 산업에서 소자의 구조, 특성, 품질 등을 이해하고 개선하는 데 쓰이는 필수 분석 장비입니다. 과거부터 반도체 기술의 개발 및 혁신을 위한 핵심 역할을 하고 있으며 TEM의 분석 장비 기술력도 함께 성장하고 있습니다. 차세대융합기술연구원에 도입한 TEM은 현재 최고 수준의 기술인 300kV의 가속전압으로 0.06nm의 이미지 해상도를 구현할 수 있어 원자 수준의 이미지를 확보할 수 있습니다. 또한, 원소분석이 가능한 고가의 EDS, EELS 분석기를 부착하여 반도체 분석의 최적 시스템을 구성합니다. 유사 사양 국내 3번째로 수도권역에서는 최초로 도입돼 관심을 끕니다. 최신 TEM은 50억 원 수준의 장비 가격과 10억 정도의 구축 비용 및 공간이 필요하여 삼성전자, SK하이닉스 등 대형기업 위주로 보유하고 있습니다. 보통 대학과 연구기관에서는 20~30억 원 수준의 연구 목적 TEM이 구축되어 있는데요. 이마저 중·소기업들에게 접근이 어렵다고 합니다. 이에 차세대융합기술연구원은 특화단지 테스트베드에 참여하는 공급기업에게 우선적으로 분석지원을 할 계획이며 후속 사업의 선행연구 개발에 활용할 계획입니다. 이에 기구축한 반도체 분석 장비와 연계하여 원스탑 분석지원 서비스를 제공할 방침입니다. 도는 TEM을 통해 특화단지 기업지원 시스템 확보와 경기도 반도체 산업 역량 향상을 위한 강화에 도움이 될 것으로 보입니다. 특히 도내 반도체 산업 발전에 핵심적인 역할 및 다른 분야의 산업기술 개발에도 확장될 것으로 기대됩니다. 이전 기사 보기 [미래 핵심산업, 경기의 반도체] ① 반도체 기업지원‥경기도반도체기술센터가 책임집니다! [미래 핵심산업, 경기의 반도체] ②기술개발‥경기도 반도체 기술개발사업 수행기업 성과 ‘쑥쑥’ #경기 #경기도 #경기뉴스광장 #Gyeonggi #Gyeonggido #경기도_반도체산업과 #미래_핵심산업 #경기도_반도체 #기업지원 #경기도반도체기술센터 #차세대융합기술연구원 #X선 분석실 #전자현미경실 #반도체기술센터 #경기도반도체기술센터 #공동개발지대 #내재화인증변경센터 #반도체인력개발센터(G-SPEC) #경기도반도체혁신센터 #융기원