국내 반도체 첨단패키징 R&D 정책방향: 산학연 전문가 조사를 중심으로

가. 시장 전망

첨단패키징이 글로벌 패키징 시장의 성장을 주도할 것으로 예상된다. 시장조사 전문기관인 Yole Intelligence(2023)에 의하면, 첨단패키징의 글로벌 시장 규모는 43억 달러(’22년)에서 연평균 10.6% 성장을 통해 786억 달러(’28년)로 크게 확대될 것으로 전망된다. 전체 패키징 시장에서 첨단패키징이 차지하는 비중은 2022년 약 47%에서 2025년 기타 패키징 시장을 추월하여 2028년에 이르면 약 55%로 전체 시장의 과반을 차지할 전망이다[1].

용도별 첨단패키징에 대한 수요는 모바일‧소비자용이 대부분의 시장을 차지하는 가운데 향후 통신‧인프라용의 빠른 성장(2022-2028 CAGR 17%)과 함께 자동차 부문에서도 첨단패키징에 대한 수요가 소폭 증가할 것으로 기대된다[1].

나. 경쟁 현황

첨단패키징 시장에서 우리 기업이 차지하는 비중은 미국, 대만, 중국 등 주요 경쟁국 대비 규모가 작다. 주요국은 OSAT과 파운드리 생태계가 잘 구축되어 있지만, 우리는 주요 플레이어가 삼성전자 1개 기업으로 제한적이어서다.

글로벌 첨단패키징 Top 10 기업을 살펴보면, 대만의 ASE, TSMC, 미국의 Intel, Amkor, 중국의 JECE, TFME, 한국의 삼성전자 등이 치열한 경쟁을 하는 가운데, 매출 측면에서는 ASE(대만)가 119.5억 달러로 투자액에서는 Intel(미국)이 35억 달러로 1위를 차지하며 시장을 선도하고 있다. 국내 기업으로는 유일하게 삼성전자만이 Top 10에 포함되어 있어 삼성전자 외 국내 타 업체의 선전이 절실하다(그림 2)[1].

그림 2

글로벌 Top 10 패키징 기업 순위

출처 Reproduced with permission from [1].

국가별 매출액 및 투자액을 글로벌 Top 10 기준으로 살펴보면(그림 3)[1] 대만, 미국, 중국이 글로벌 시장점유율의 2/3 이상을 차지하며 매출액과 투자 규모 측면에서 앞서 나가고 있다. 이에 반해 한국은 글로벌 선도국인 대만 대비 매출액과 투자액이 약 20% 수준으로, 첨단패키징 분야에서 경쟁력을 갖추기 위해서는 적극적인 투자와 지원이 필요한 상황이다.

그림 3

국가별 첨단패키징 매출액 및 투자액 현황 (단위: 백만 달러)

출처 Reproduced with permission from [1].

가. R&D 정책 동향

미국, 대만, 중국, 한국 등 주요국은 반도체 산업의 새로운 경쟁원천으로 부상하고 있는 첨단패키징 기술역량 확보를 위해 정책적 지원을 강화하고 있다.

미국은 반도체지원법(’22.8) 후속 조치로 민관협력체인 “국립반도체기술센터(NSTC)”를 공식적으로 출범(’24.2), 첨단패키징을 포함해 반도체 R&D에 총 50억 달러(약 6조 6천억 원)를 지원할 예정이다[8,9]. 미국 상무부는 국가 “첨단패키징 제조 프로그램(NAPMP: National Advanced Packaging Manufacturing Program)(’23.11)”을 발표, 이를 통해 미국에서 제조된 반도체 칩이 미국 내에서 패키징되는 자생력 강화와 함께 첨단패키징 분야에서 미국 리더십을 확립하기 위해 약 30억 달러의 R&D 비용을 투자한다[10].

대만은 시스템 반도체 제조 강국으로 지속적인 글로벌 선도의 경쟁력 유지와 자국의 반도체 설계-제작-패키징 전반에 걸친 통합 연구를 위해 대만 반도체연구소(TSRI: Taiwan Semiconductor Research Institute)를 2019년 설립하였다[11,12]. 대만 정부는 반도체 패키징 생태계 강화를 목적으로 3D 적층, 이종접합 등 첨단패키징 기술 발전을 위해 팹리스 기업에게 제품 초기 검증과 양산을 지원한다[13].

중국은 “신시기 집적회로 산업 및 소프트웨어 산업 고품질 발전 촉진에 관한 정책(’20)”을 통해 반도체 설계, 장비, 제조, 패키징, 테스트 기업 등을 지원하며, 국가 전략의 핵심 상품으로 반도체 소재, 제조, 장비, 패키징을 포함하고 있다[14]. 또한, 칩렛(Chiplet) 기술 표준화 연맹(’22.12)을 발족, 첨단패키징 기술 확보에 대한 대규모 투자 확대를 추진하고 있다.

한국은 “반도체 미래기술 로드맵(’23.04)”을 통해 첨단패키징 기술을 포함한 미래 반도체 중점 R&D 및 지원 방향을 제시하고 있다. 첨단패키징 초격차 기술 선점을 위해 정부는 “첨단전략산업 초격차 기술개발 반도체” 사업을 통해 해외 선도업체/연구기관 간의 공동연구 방식으로 첨단패키징 분야 원천 기술개발에 ’24년부터 3년간 394억 원을 지원할 예정이다[15].

나. 기술개발 동향

ASE, Amkor, Intel, TSMC 등 미국과 대만의 핵심 기업들이 반도체 패키징 기술을 선도하고 있는 가운데 추격자로서 한국은 첨단패키징 분야에서의 기술경쟁력 확보를 위해 삼성전자, SK하이닉스 등과 OSAT³⁾ 등 전문기업을 중심으로 기술개발 투자를 강화하고 있다(표 1)[2,7,12,16-18].

다. 기술경쟁력

Intel과 TSMC가 첨단패키징 공정기술개발을 선도하는 가운데, 한국의 첨단패키징 기술 수준은 최고기술보유국 대비 약 66%로 3.4년의 기술 격차를 보이고 있어 향후 기술역량 확보를 위한 정부의 적극적인 R&D 투자가 필요하다(표 2)[6]. 첨단패키징 핵심기술인 이종집적 패키지, 3D 패키지, FO-WLP 등에서 기술선진국과의 격차를 줄이는 것이 급선무로 이를 위해서는 패키징 관련 핵심 장비 및 원천기술 국산화가 요구된다.

본 연구는 국내 반도체 첨단패키징의 국가 경쟁력 제고와 국내 생태계 강화를 위한 R&D 정책 수요 발굴을 위해 전문가 조사를 실시하였다. 전문가 조사는 반도체 분야 산학연 전문가 56인을 대상으로 2023년 하반기에 서면 인터뷰를 요청하여 15인으로부터 응답을 받았다.

설문조사에 응답한 전문가 구성은 학계(40.0%), 연구계(33.3%), 산업계(26.7%)이며, 전공‧업무 분야는 연구‧기술개발(73.7%), 경영‧전략‧정책 분야 26.7%로 나타났으며, 응답자 대부분이 10년 이상의 반도체 관련 업무 경력을 가지고 있다(표 3).

서면 인터뷰의 주요 내용은 ① 반도체 패키징 R&D 정책 우선순위 평가, ② 반도체 R&D 정책 중요도-만족도 차이(Gap) 평가, ③ 반도체 패키징 정책 당면과제 및 향후방향으로 구성하였다.

정부의 첨단패키징 R&D 정책에 대한 항목은 최근 정부의 관련 정책 현황(반도체 미래기술 로드맵, K-반도체 전략)을 바탕으로, ‘기초‧원천 연구개발(R&D)’, ‘인력양성’, ‘인프라 조성’, ‘국제협력’의 4가지 대항목으로 구분하였다(표 4).

각 대항목의 하위 소항목으로는 ▲기초‧원천 연구개발(R&D) 항목에 △민관 협력 R&D, △신규사업 투자 강화, △공공 R&D 상용화 촉진, ▲인력양성 항목에는 △학사인력 양성, △석‧박사 인력양성, △실무인력 양성, ▲인프라 조성 항목에는 △연구‧실증 테스트베드 구축, △교육‧연구 인프라 구축, ▲국제협력 항목에는 △국제공동연구 강화, △국제 정보교류‧네트워킹, △해외 연구거점 구축‧활성화를 포함하였다.

가. 정책 우선순위 및 니즈(중요도-만족도 차이) 평가

표 4의 항목에 대하여, 첨단패키징 육성을 위해 우선 추진해야 할 항목의 순위를 산학연 전문가에게 질의한 결과, ‘기초‧원천 연구개발’이 가장 높게 나타났으며, 다음이 ‘인프라 조성’, ‘인력양성’, ‘국제협력’ 순으로 나타났다(그림 4).

그림 4

정책 우선순위(대항목 기준)

다음으로 정책 중요도-만족도 차이(이후 ‘정책 니즈’)⁴⁾ 분석 결과, ‘인프라 조성’이 33.5점으로 가장 높고, 그 뒤를 이어 ‘인력양성’ 27.8점, ‘기초‧원천 연구개발’ 25.1점, ‘국제협력’ 5.1점 순으로 나타났다(표 5).

소항목 기준으로 정책 니즈를 분석한 결과 ‘석‧박사 인력양성’, ‘연구‧실증 테스트베드 구축’, ‘교육‧연구 인프라 구축’의 경우 상대적으로 정책 중요도는 높으나 만족도가 낮게 나타나, 정책 니즈가 높은 것으로 분석됐다(그림 5의 원 강조된 영역 참조).

그림 5

정책 니즈 평가(소항목 기준)

종합하면, 국내 첨단패키징을 육성하기 위해서는 기초‧원천 R&D의 우선순위가 가장 높고 중요하겠으나, 국내 첨단패키징 R&D 기반을 견고히 다지기 위한 수단으로써 교육 및 연구 인프라, 실증 테스트베드 구축, 석‧박사 인력양성에 대한 정책적 지원이 요구되는 것으로 볼 수 있다.

나. 산학연 전문가 인식 차이

상기 분석 결과에 대하여, 산학연 전문가의 인식 차이가 있는지 확인해보았다. 산학연 전문가 모두 ‘기초‧원천 연구개발’이 1순위이나, 2순위의 경우 연구계는 ‘인프라 조성’을, 학계는 ‘인력양성’ 정책을 중요하게 보는 것으로 나타났으며,⁵⁾ ‘국제협력’은 상대적으로 타 정책 항목에 비해 우선순위에서 밀리는 것으로 나타났다.

정책 니즈 분석 결과에서 산학연 인식 차이를 살펴보면, 산학연 전문가 간 현격한 차이는 나타나지 않았다(그림 6). 다만, 산업계는 ‘인프라 조성(33.8점)’과 ‘인력양성(25.5점)’, 연구계는 ‘인프라 조성(44.6점)’ 그리고 학계는 ‘인력양성(35.8점)’과 ‘연구 개발(31.5점)’ 등에서 정책 니즈가 높은 것으로 분석되었다. 소항목에서는 산업계의 경우 연구-실증 테스트베드 구축(38.8점)과 석‧박사 인력양성(31.3점)에 대한 정책 니즈가 높았다. 학계는 석‧박사 인력 양성(42.5점), 민관협력 R&D(31.7점) 순으로 정책 니즈가 높았다. 연구계는 연구‧실증테스트베드 구축(43.8점), 교육‧연구인프라 구축(37.5점)에서 정부의 정책지원을 우선적으로 요구하였다.

그림 6

산학연 전문가 정책 니즈 차이(대항목 기준)

다. 첨단패키징 분야에서의 국제협력

정책 우선순위 및 정책 니즈 분석 결과에서, ‘국제 협력’이 후순위인 것은 글로벌 첨단패키징 시장에서 우리나라가 대만, 미국 등 선도국가 및 기업과 경쟁을 하기 위해서는 국내 생태계 조성 및 강화가 우선 요구되며, 이를 위한 기초‧원천 기술 및 전문인력 확보, 관련 인프라 활성화가 국제협력 대비 상대적으로 시급하다는 전문가들의 공감대에 기인한 것으로 여겨진다. 첨단패키징 분야 관련 국제협력 정책 만족도는 상대적으로 높은 편이지만, 다른 분야에 앞서 중점 추진해야 할 필요성을 느끼지는 않는 것이다.

이는 반도체 설계, 제조공정과 긴밀히 연결되어야 하는 첨단패키징의 특성으로 인해 미국, 대만 등 국가에 비해 뒤처진 국내 기술역량(대기업 외 중소기업 및 대학, 연구기관의 역량)을 확보하기 위해서는 현 상황에서 상대적으로 국제협력보다는 국내에서의 전공정-후공정 협력이 우선시되는 상황으로 인식한 것으로 판단된다.

전문가 인터뷰 결과에 의하면, “국내 중소‧중견 기업, 대학, 연구기관과 대기업 간의 밀도 높은 산학연 협력을 통해 국내 첨단패키징 연구생태계의 기술력을 글로벌 수준으로 격상시키는 것이 필요”, “공공 R&D가 산업을 충족하기 위해서는 높은 수준의 R&D 인력이 필요하나, 패키징 산업 R&D 투자 부족으로 석‧박사 인력뿐만 아니라 전공 교수조차 부족”, “석‧박사 인력양성과 함께 학계 및 연구계에서 첨단패키징 시제품을 제작해 볼 수 있는 연구‧실증 인프라 구축이 함께 병행되어야 함” 등에 대한 의견이 많았다.

이러한 점에서 볼 때 첨단패키징 분야에 국제협력 정책이 불필요하다기보다는, 우선 연구개발 투자를 강화하고 그 실효성을 증폭시키기 위한 인력양성과 인프라 환경이 어느 정도 선행될 필요가 있다는 것으로 해석함이 타당할 것이다. 또한 국제협력 정책에서는, 글로벌 파트너와의 지속적인 정보교류 및 네트워킹, 국제 공동연구를 병행 및 확대함으로써 협력 파트너와의 윈윈(Win-win) 관계를 모색해나가는 전략이 필요할 것이다.

라. 당면과제 및 정책방향 제언

본 연구는 전문가들에게 첨단패키징 R&D 정책 항목에 대한 우선순위 평가를 요청한 후에, 1순위 및 2순위로 평가한 2가지 항목에 대하여 현 정책의 당면과제와, 이를 해결하기 위한 정책 방향에 대한 자문을 구하였다. 이를 위한 서면 인터뷰에서 전문가들이 제공한 의견의 핵심 내용은 다음과 같다(표 6).

첫째, 첨단패키징 R&D의 가장 큰 당면과제는 “대학 및 연구소 R&D와 산업 요구에서의 괴리 발생”, “대기업 vs 중소‧중견기업, 연구소, 학교 간의 기술 격차가 매우 크다”는 것이었다. 더불어 “첨단패키징 분야에 대한 체계적이고 지속적인 R&D 투자가 부족”하고 이로 인해 관련 분야 인재 양성에도 차질이 크다는 점이 지적되었다.

첨단패키징 전문가들은 이를 해결하기 위해서 “5년 후 기술 수준을 목표로 한 대기업 리딩형 첨단패키징 공동 연구개발 과제 창출”, “산업에서 원천기술 아이템을 제안하고 대학 및 연구소와 협력하여 개발 및 보급”되어야 한다는 대안을 제시했다. 또한 “산학연 R&D와 산업시스템이 유기적으로 결합되고 통합된 자국 중심의 기술생태계 육성”을 향후 첨단패키징 R&D 정책 방향으로 제시하였다.

둘째, 인력양성의 경우 첨단패키징 분야에 대한 체계적‧지속적인 R&D 투자 미비로 인한 대학 전공교수 및 연구실 부족을 주요 당면과제로 제시하였다. 이와 관련하여, 첨단패키징 고급 전문인력 양성 사업과 이를 위한 제반 인프라 또한 미흡한 것으로 지적되었다.

이에 대한 해결 방향으로, 전문가들은 “첨단패키징 석‧박사급 전문인력 양성을 위한 사업 및 교육 프로그램”을 확대하고 “첨단패키징 전공 교수 채용 확대 및 산학연 연구 프로젝트 활성화”가 필요하다고 하였다. 더불어 인력양성 제반 인프라 문제를 해결하기 위한 방안으로는 “산학연 인프라 협력 기반의 공동연구 모델 도입을 통한 고급인력 양성”을 제안하였다.

셋째, 첨단패키징 관련 인프라 조성에서는 “잘 대응하고 있는 대기업 이외 첨단패키징 생태계 참여 주체의 연구 및 평가 인프라 접근성이 미흡”한 상황이며, “기존에 구축된 후공정 인프라가 낙후”된 점이 당면과제로 지적되었다. 더불어 “전‧후공정이 연계된 산학연 협력기반 부재”와 “특화단지 및 인프라 구축사업에서 첨단패키징에 대한 관심이 부족”하다는 의견이 있었다.

이에 따라 “다양한 형태의 패키지 시제품 제작이 가능한 전주기(설계, 소재, 공정, 장비) 인프라” 및 “첨단패키징 기술의 표준개발 및 품질검증을 위한 테스트베드”가 첨단패키징 인프라 정책에서 특히 필요하다는 제언이 많았다. 또한 “노후화된 후공정 장비들을 개보수하는 별도 사업을 통해 국내 첨단패키징 연구를 지원할 수 있는 모델이 필요”하며, “대규모 투자가 어려운 대학 및 중소‧중견기업들의 주요 공정 및 시제품 제작이 가능한 후공정 인프라 지원 및 장비 운영 인력 육성”이 필요하다고 하였다. 나아가, 산학연 협력 기반 조성을 위해서는 “파운드리-패키지로 이어지는 통합형 칩 제조 산업으로의 전환이 필요”하고, “산학연관 협력 컨소시엄을 통한 기술개발 및 산업생태계 육성 동시 추진”이라는 다소 추상적이지만 통찰력 있는 방향을 제시해주었다.

마지막으로, 첨단패키징 분야에 관한 국제협력의 경우, 아직까지는 국내 생태계 구축이 미진한 상황이므로 국내 대학, 기업, 연구소, 정부 등 생태계 참여자 간 제휴‧협력을 통한 국내 산업 육성이 먼저 고려되어야 한다는 인식이 확인되었다. 그럼에도 불구하고, 국제협력에 대한 조언을 제공한 몇몇 전문가는 반도체 국제공동연구 중 첨단패키징의 비중이 적다는 점을 당면과제로 꼽았다.

이에 일부 전문가는 첨단패키징 국제협력에 대한 향후 정책방향으로, “자국 반도체 산업의 경쟁력 강화를 도모하면서 국제적 협력을 통해 기술적 혁신의 도입을 앞당기는 것이 중요”하며 이를 위해 “(해외)지역거점의 국가연구소들을 확충하고 해외 기구, 국내 대학 및 연구소들과의 연계”가 필요하다고 제언하였다. 또한 전문가 인터뷰 내용과는 별개로, 개별 미세공정 기술로 진화해온 전공정(파운드리)과 달리 패키징은 UCIe 컨소시엄 등 표준화의 길로 접어들고 있으므로 우리나라도 이에 적극 대응하기 위해 관련 분야 국제협력이 요구될 것으로 보인다.