삼성·SK 반도체 초격차, ‘과학’에 답 있다… 과학계 혁신연구 보니

연구 쏟아지는데…상품화 먼 길
'테스트베드' 정부 전폭지원 필수

8인치 반도체 웨이퍼. /제공=DB하이텍 .

삼성전자와 SK하이닉스의 소위 기술 '초격차'를 실현할 수 있게 하는 과학계의 획기적 연구가 쏟아지고 있다. 신개념 반도체 제어 소자 집적 기술을 개발하고 새로운 전극 소재를 발견하는 등 기존의 한계를 넘어서는 상승의 기초과학이다. 삼성전자가 GAA 신기술을 접목한 3나노 공정의 반도체를 세계 최초로 내놓고 세계 1위 파운드리업체 TSMC 맹추격에 나설 수 있었던 바탕의 힘이기도 하다. 다만 이론과 원천기술이 실제 제품에 접목 돼 양산으로 이어지기까지 시행착오 등 높은 투자 리스크는 감내해야 할 과제다. 전문가들은 대학과 연구기관이 선행연구 이후 실증까지 이어질 수 있도록 값비싼 장비를 지원하는 등의 '테스트베드' 구성에 정부와 기업의 전폭 지원이 필요하다고 조언한다.

26일 기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장 연구팀이 27개 원자로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체 구조를 규명했다고 밝혔다. 차세대 디스플레이, 광촉매 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 중요한 기초연구 결과다. 현택환 단장은 "수십 년간 베일에 싸여있던 반도체 나노클러스터의 구조를 밝혔다"며 "앞으로 색다른 특성을 가진 나노입자들을 제조하는데 사용될 것"이라고 말했다.

최근 지스트(광주과학기술원)도 '퀀텀 방열' 기법을 제시하면서 반도체 패키징의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받는다. 조영달 교수는 "첨단산업에서 열 제거는 반도체 시스템의 효율 및 수명 연장의 핵심 요소"라며 "퀀텀 방열 개념으로 향후 실리콘 등의 광범위한 활용이 기대된다"고 전했다. 지스트 홍성민 연구진도 시스템 반도체 분야에서 회로 설계에 필수적인 트랜지스터 컴팩트 모델의 최대 오차를 6% 이하로 낮추는데 성공하며 설계의 정확성을 높일 수 있는 연구결과를 내놨다.

카이스트(한국과학기술원)는 최근 전석우·신종화 공동연구팀이 3차원 노광 공정(빛을 이용해 실리콘 웨이퍼에 전자회로를 새기는 공정)을 개발했다고 공개했다. 기존 한 층씩 쌓아올리는 반복 공정 대신 수십 층 이상의 복잡한 3차원 나노구조를 한 번의 공정으로 제작하는 이 방법은 생산 속도의 비약적 향상과 비용 대폭 절감을 동시에 달성하는 기술이다. 최근 UNIST(울산과학기술원) 김명수 교수팀은 2차원 반도체물질로 만든 초고속 저전력 아날로그 스위치를 개발해 전기전자공학과 권위지인 네이처 일렉트로닉스에 실리기도 했다. '2차원 반도체물질로 만든 전자소자 중 첫 상용화 가능성이 높은 사례'로 소개됐다.

KIST(한국과학기술연구원) 역시 초박막 전극 신소재 개발에 성공하며 차세대 반도체 활용에 한 걸음 다가섰다. 황도경 박사는 "기존 실리콘 반도체 소자의 미세화·고집적화로 인해 발생하는 기술적 한계로 실용화가 어려웠던 인공지능시스템 등 차세대 시스템 기술의 산업화를 앞당기는데 기여할 것"이라고 전했다.

다만 과학계에서 연구해 낸 원천기술을 활용해 상품화 하고 양산까지 이어가는 건 쉽지 않다는 게 산업계 반응이다. 기업에서 높은 실패 리스크를 알면서도 확신을 갖고 끌고가야만 할 뿐 아니라 워낙 기초 과학이라, 확실한 원천 기술을 발표하지 않는 한 비전을 제시하는 수준에 그치는 일이 잦다는 시각이다. 강성철 한국반도체디스플레이학회 선임연구위원은 "선행연구 다음의 실증이 이뤄져야 하는데 반도체 장비가 워낙 고가이기 때문에 대학 등에서 수행하기가 어렵다"고 진단했다.

강 연구위원은 "마침 정부가 반도체 초강국 전략을 발표하며 학계를 지원하겠다고 하니, 산학연 합동으로 연구 인프라를 깔 수 있는 기회라고 본다"면서 "정부와 기업이 유망 연구에 꾸준히 투자하고 학계와 끊임 없이 소통해야 미래산업에 써먹을 수 있는 기초 연구와 원천기술 확보에서 유리한 고지에 설 수 있다"고 했다.