편집장 서문

2020년, 우리는 전 세계적인 코로나19 팬데믹을 함께 경험했습니다. 약 200만 명에 달하는 사람들이 조용히 세상을 떠났습니다. 생명을 존중하고, 과학을 존중하며, 전염병 퇴치를 위해 힘을 합치는 것이 국제적인 합의가 되었습니다. 우한의 봉쇄, 양쯔강의 홍수, 호주의 산불, 아프리카의 메뚜기 떼 창궐, 그리고 나고르노-카라바흐 지역의 격렬한 내전 발발은 모두 우리의 기억 속에 생생합니다. 2020년은 그야말로 대재앙의 해였다고 할 수 있습니다. 하지만 이것이 전부는 아닙니다. 2020년에는 아시아 태평양 15개국이 역내 자유무역협정(RCEP)을 체결하여 세계 경제에 대한 신뢰를 높였고, 스페이스X는 최초의 유인 우주 비행에 성공했으며, 창어 5호 임무는 완벽한 성공을 거두었습니다. 세계 경제가 심각한 타격을 입은 시기에 중국은 주요 경제국 중 유일하게 플러스 성장을 달성했습니다. 경제 회복의 원동력으로서 반도체 산업은 2020년에도 그 책임을 다하며 눈부신 성과를 거두었습니다. 5G 시대에 5nm 5G 칩이 본격적으로 출시되었고, 애플은 TSMC의 5nm 공정을 사용한 11.8억 개의 트랜지스터를 집적한 A14 바이오닉을 선보였습니다. 이후 화웨이와 삼성도 각각 키린 9000 시리즈와 엑시온 1080을 출시했습니다. 클라우드 기반 EDA 기술의 탐구와 구현이 활발해지면서 EDA 소프트웨어 업체, IC 설계 회사, 파운드리 간의 협력이 촉진되었습니다. 이를 통해 EDA 툴 사용 요구에 맞춘 대규모 자동 지능형 컴퓨팅 파워 스케줄링과 방대한 클라우드 자원을 활용한 탄력적인 컴퓨팅 파워 지원이 가능해졌습니다. 이는 칩 연구 개발 주기와 수율을 직접적으로 향상시키고 칩 설계 비용을 절감하는 데 기여했습니다. 3D 첨단 패키징 기술 또한 꾸준히 발전하여 무어의 법칙 한계를 뛰어넘었습니다. 집적도, 성능, 전력 소비 등 여러 면에서 분명한 장점을 가지고 있습니다. 삼성은 올해 자사의 새로운 X-Cube3D 패키징 기술이 상용화 준비를 마쳤다고 발표했습니다. 물론 반도체 분야의 떠오르는 스타인 3세대 반도체와 기타 화합물 반도체 역시 많은 주목을 받으며 여러 가지 혁신적인 성과를 보여주고 있습니다. 아래 벨기에 반도체 기업 시소이드(Cissoid)의 놀라운 전망을 살펴보세요!

    "복합 반도체"에서 시소이드 중국 지사장 뤄닝성 박사와의 단독 인터뷰를 진행했습니다.          

뤄닝성 박사는 현재 벨기에 시소이드(Cissoid) 사의 중국 총괄 책임자입니다. 이전에는 유럽과 미국의 여러 반도체 회사에서 반도체 시장 및 사업 관리 업무를 담당했으며, 주로 중국 및 아시아 태평양 시장과 사업을 총괄했습니다. 그가 근무했던 회사로는 미국의 시냅틱스(Synaptics, NASDAQ: SYNA), 실리콘 데이터(Silicon Data), 영국의 피코칩(PicoChip), 그리고 미국의 이노베이티브 마이크로 테크놀로지(Innovative Micro Technology) 등이 있습니다. 그는 중국과학원 상하이 기술물리연구소에서 박사 학위를 취득했으며, 이후 유럽과 미국에서 방문학자로 오랜 기간 재료물리학 연구를 수행했습니다. 독일 괴팅겐의 막스 플랑크 유체역학 연구소에서 고체 표면 물리학 연구를, 미국 루이빌 대학교 물리학과에서 반도체 나노재료 연구를 진행했습니다.

Q 2021년이 다가오고 있습니다. 새해를 맞아 복합 반도체 산업의 발전과 변화를 어떻게 전망하시나요? 2020년에 대한 결론과 통찰은 무엇인가요? A 테슬라에 이어 2020년에는 BYD가 중국에서 SiC MOSFET을 탑재한 전기차를 공식 출시하면서 주요 전기차 제조업체들도 전기차에 SiC를 적용하는 데 더욱 주목하고 있습니다. OBC, DC-DC 컨버터, 충전기 등에는 비교적 저가형 SiC MOSFET을 사용할 수 있어 효율을 높이고 부피와 무게를 줄이면서도 비용을 낮출 수 있습니다. 하지만 모터 구동 분야에서는 최대한의 효율과 최소한의 열손실을 추구하기 위해 고성능 SiC MOSFET(내부 저항이 비교적 작은 제품)이 사용되는 경향이 있습니다. 전기차 모터 분야에서는 기존 IGBT를 SiC MOSFET으로 대체하면 차량 전체의 에너지 효율이 5~10% 향상된다는 것이 업계에서 일반적으로 확인되었습니다. 이는 동일한 배터리 팩 조건에서 주행 거리를 5~10% 늘릴 수 있다는 의미로, 매우 매력적입니다. 올해 발생한 대규모 공급 부족 사태가 이를 예고하듯, 2021년은 전기차 분야에서 SiC의 활용이 폭발적으로 증가하는 해가 될 것입니다. 또한, GaN 역시 최근 급속도로 발전하여 모바일 기기용 고속 충전기 분야에서 주로 사용되고 있습니다. 소비자 가전 분야에도 적용될 가능성이 높아 수요가 매우 높기 때문에 GaN 출하량은 곧 SiC를 몇 배나 넘어설 것으로 예상됩니다.

Q 5G, 신에너지 자동차, 빅데이터, AI, IoT 등 기술 분야의 급속한 발전은 복합 반도체에 많은 기회를 가져다줄 것입니다. 복합 반도체가 직면한 과제와 기회는 무엇이라고 생각하십니까? 복합 반도체(SiC 및 GaN)는 기존 실리콘 소자를 대체하고자 하는 새로운 반도체 소자이기 때문에 가장 큰 과제는 비용 관리입니다. 이는 생산 수율과 생산 규모 관리에 달려 있습니다. 수율을 지속적으로 개선하고 생산 규모를 확대해야만 비용을 점진적으로 절감하고 시장에서 널리 활용될 수 있습니다. 이러한 과제는 동시에 기회이기도 하며, 다양한 복합 반도체 제조업체들이 시장 점유율을 확보하고 경쟁할 수 있는 중요한 무대가 될 것입니다.

질문: 탄화규소(SiC)는 특히 전력 전자 및 마이크로파 무선 주파수 장치 분야에서 발전 가능성이 매우 높은 소재로, 현재 큰 주목을 받고 있습니다. 귀사는 탄화규소 시장의 발전 전망을 어떻게 보고 계십니까? 탄화규소 소재의 고도화 및 발전을 어떻게 촉진할 계획이십니까? 답변:

SiC 전력 반도체 소자와 같은 3세대 반도체가 더욱 성숙해지고 보편화됨에 따라, 초기에는 기존 Si 소자를 단순히 대체하는 수준에 그치겠지만, 후기에는 성능상의 우위를 적극적으로 활용하여 기존 Si 소자로는 접근할 수 없었던 다양한 신규 응용 분야를 창출할 것입니다. 예를 들어, SiC의 고유한 고온 저항성은 Cissoid 고온 반도체 소자와 매우 잘 어울리며, 이는 전력 시스템 설계 방식을 크게 변화시키고 설계 엔지니어에게 새롭고 광범위한 확장 가능성을 제공할 것입니다. 이러한 미래의 고온, 고출력 밀도 응용 분야에는 고집적 전기 자동차 파워트레인, 다중 전기 및 완전 전기 항공기, 심지어 전기 항공기, 이동식 에너지 ​​저장 충전소 및 보조 배터리, 그리고 액체 냉각이 매우 제한적인 다양한 전력 응용 분야 등이 포함됩니다. 

전기차의 파워트레인(모터, 전자 제어 장치, 변속기)은 3-in-1 형태로 발전하고 있지만, 현재는 구조적으로 단순히 쌓아 올린 형태에 그쳐 통합성이 떨어집니다. 구조적으로 볼 때, 향후 파워트레인의 심층 통합은 필연적인 방향입니다. 심층 통합을 통해 부피와 무게를 약 3분의 1, 내부 소비 전력을 약 3분의 1로 줄이고, 총비용을 2~4배까지 절감할 수 있기 때문입니다. 특히 전자 제어 장치가 모터와 긴밀하게 통합됨에 따라 출력 밀도가 크게 향상될 것입니다. 하지만 고온 문제는 피할 수 없는 가장 큰 과제입니다.

기존 항공기에서 꼬리 방향타, 날개, 랜딩 기어 등을 제어하는 ​​기계적 동작은 고전적인 유압 시스템에 의존합니다. 액체인 유압유는 환경의 영향을 크게 받으며 유지보수 비용이 높습니다. 최근에는 부분 또는 완전 전동화 추세가 나타나고 있으며, 이는 다중 전기 항공기 및 완전 전기 항공기의 개념으로 이어지고 있습니다. 항공기에서 유압 회로 대신 전기 모터를 사용하여 기계적 동작을 구현하면 신뢰성이 높고 유지보수가 용이하며, 이중화 백업 설계가 용이합니다. 그러나 가장 큰 난제는 항공기의 모터와 전자 제어 장치에 수냉식 냉각 장치를 설치할 수 없고, 강제 공랭식 또는 자연 냉각에만 의존해야 한다는 점입니다. 따라서 다중 전기 항공기, 완전 전기 항공기 또는 전기 항공기의 전자 제어 설계를 구현하기 위해서는 고온 문제를 해결하는 것이 가장 중요한 기술적 과제입니다. 

또한, 특히 전기 자동차의 대중화가 확대됨에 따라, 반이동식 에너지 ​​저장 충전소와 완전 이동식 파워뱅크는 특정 상황에서 고정식 충전의 공백을 효과적으로 메울 수 있는 다양한 응용 시나리오가 존재합니다. 그러나 이러한 유형의 이동식 충전 애플리케이션에서 수냉식 냉각 방식은 무게와 부피 증가라는 부담을 줄 뿐만 아니라, 저장된 전력을 소모한다는 점에서 더욱 심각한 문제입니다. 따라서 전자 제어 시스템에는 자연 냉각 방식이 최적의 방법이지만, 전자 제어 시스템의 열 관리 문제를 적절히 해결해야 합니다.

위에서 언급한 세 가지 대표적인 고온 응용 분야 외에도, 액체 냉각이 매우 제한적인 많은 특수 산업 분야에서 전자 제어 시스템은 동일한 고온 문제에 직면하게 됩니다. 고온 전기 제어 기술은 이러한 고온 응용 분야를 구현하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 그 핵심 구현 기술은 SiC 전력 소자의 고온 패키징 기술과 이에 상응하는 고온 구동 회로 기술입니다.

SiC 소재와 그 소자 구조는 본질적으로 고온 저항성을 지니고 있으며, 진공 상태에서는 400~600°C의 온도까지 견딜 수 있습니다. 실제 응용 분야에서는 공기 노출로 인한 산화를 방지하기 위해 SiC 소자를 패키징해야 하며, 고온을 견뎌야 하는 경우 고온 내성 패키지를 사용해야 합니다. 현재 업계 최고 표준은 접합 온도 150°C이며, 175°C 수준의 패키지 개발이 이제 막 시작되고 있습니다. 200°C 이상의 고온을 견뎌야 하는 패키지는 패키징 소재 및 공정에 대한 요구 사항이 매우 엄격하며, 베어칩의 특성에 맞춰 열전도율 및 방열 성능 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작해야 합니다.

SiC 전력 소자 및 모듈의 응용은 드라이버 회로 및 해당 칩과 불가분한 관계에 있습니다. 그러나 대부분의 드라이버 회로 칩은 일반 실리콘 소자로 고온을 견디지 못합니다. 175°C와 같은 고온에서 1,000시간 동안 작동할 수 있는 칩은 드뭅니다. 게다가 고온 내성은 문제의 일부일 뿐입니다. 더 심각한 문제는 고온에서의 소자 성능의 일관성입니다. 일반 실리콘 소자는 70°C 이상에서 성능이 급격히 저하되므로 고온 환경에서 사용할 수 없습니다. 시소이드는 20년 이상의 혁신적인 연구 개발 및 응용 테스트를 거쳐 SOI 특수 실리콘 소자를 개발하여 175°C의 고온 내성을 달성했으며, 15년 동안 연속 작동이 가능합니다. 또한 전 온도 범위에서 탁월한 성능 일관성을 보여주며, SiC 고온 응용 분야의 핵심 기반을 마련했습니다.

Q: 중국의 복합 반도체 산업이 국제적인 경험을 어떻게 배우고 산업 발전을 가속화해야 하는지에 대한 견해를 공유해 주십시오. A: 중국은 복합 반도체 분야에서 후발 주자였고 해외에 비해 뒤처져 있지만, 이 분야는 중국에서 빠르게 발전할 수 있는 매우 적합한 분야입니다. 그 이유는 크게 세 가지입니다. 첫째, 복합 반도체 공정은 기본적으로 마이크론 수준입니다. 재료부터 장비까지 국내 산업 사슬이 완벽하게 구축되어 있어 정밀 나노 규모 제조 장비(특히 포토리소그래피 장비) 수입에 대한 제약이 적습니다. 둘째, 복합 반도체 소자 구조는 비교적 단순하여 고도의 EDA(전자 설계 자동화) 지원이 필요하지 않습니다. 따라서 수입 의존으로 인한 심각한 제약에서 벗어날 수 있습니다. 셋째, 중국은 방대하고 거대한 응용 시장을 보유하고 있습니다. 따라서 복합 반도체는 중국 반도체 산업 전반의 발전을 위한 중요한 돌파구 중 하나가 될 것으로 예상됩니다. 최근 중국은 반도체 제조 산업에 큰 중요성을 부여하고 많은 투자를 해왔으며, 수십 개의 웨이퍼 팹을 신설, 확장 또는 건설했습니다. 특히 최근 들어 업계 일각에서는 마이크로 전자 시스템 가공을 독립적인 전문 분야로 인정해야 한다는 의견이 나오고 있는데, 이는 매우 바람직한 현상입니다. 그러나 국내 웨이퍼 제조 공장들을 살펴보면, 모두 새로운 공장과 설비를 갖추고 막대한 투자를 하고 있음에도 불구하고, 공정 개발 분야의 인재와 유지 보수 과정에서 필요한 인재 양성 시스템이 가장 부족한 실정입니다. 선반, 밀링, 용접과 같은 전통적인 기계 가공 분야에서는 복리후생과 보조금이 연계된 다단계 숙련공 제도를 통해 해당 직종의 발전을 촉진하고 유지하고 있습니다. 이처럼 중요한 마이크로 전자 시스템 가공 산업에서도 이와 유사한 포괄적인 인재 양성 시스템이 필요합니다.