화합물 반도체 현황과 국내 R&D 정책 이슈

1. 시장 전망

시장조사기관 Yole group[9]에 따르면, 화합물 반도체 디바이스 시장은 2024년 약 121억 달러에서 2030년 254억 달러로 성장할 전망이며, 연평균성장률 13%로 전체 반도체 산업(2024-2030 CAGR 7%)보다 빠른 성장을 보일 것으로 예측된다. 시장 확대는 전기차, 통신 인프라, 모바일 기기 등 고전력‧고주파‧광 응용 수요 증가에 기인한다.

2. 글로벌 산업 현황

화합물 반도체 산업은 소재, 웨이퍼, 디바이스, 패키징, 모듈에 이르는 가치사슬을 수직계열화하는 추세이며, 특히 SiC와 GaN 분야에서 대규모 투자 경쟁이 본격화되고 있다. 미국‧EU 등 글로벌 주요 기업들은 전력 및 포토닉스 시장을 중심으로 M&A를 통한 수직계열화 등 시장선점을 위한 기술저변 확대에 나서고 있다.

한편 화합물 반도체 산업은 응용 분야 및 소재별로 다양한 세부시장과 핵심 플레이어가 존재한다는 점에서, 소수 선두기업이 시장을 독과점하는 실리콘 기반 시장과는 다른 양상을 보인다.

전력 반도체 분야에서 SiC는 고전압‧고온 환경에서 안정적 특성으로 전기차 인버터, 산업용 전력 장치에 활용되며(표 1), 미국 울프스피드, 코히런트(투식스), 중국 SICC 등이 생태계에 참여하고 있다. 전력 GaN은 고주파 스위칭이 가능해 고속충전기, AI 서버 전원장치 등에 적용되며, 영국 IQE가 대표적이다.

RF‧무선통신 분야는 GaAs와 GaN 기반 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 기술이 5G‧6G 기지국과 모바일 RF 프론트엔드에 채택되고 있다. GaN-on-Si는 기지국 파워앰프에, GaAs는 모바일 LNA와 스위치에 사용된다. 통신 GaAs‧GaN 주요 기업은 미국 울프스피드, 코히런트, AXT, 영국 IQE, 일본 스미토모, 대만 윈세미, 독일 Freiberger 등이다.

포토닉스(광응용) 분야는 GaAs, InP 기반 레이저와 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)이 3D 센싱, LiDAR, 광통신에서 핵심 역할을 한다. InP는 광통신 모듈에, VCSEL은 AR/VR과 얼굴인식 센서 등에 활용된다. 주요 플레이어는 미국 코히런트, AXT, 영국 IQE, 일본 스미토모, 대만 윈세미, VPEC, Freiberger 등이다.

3. 국내 산업 현황 및 진단

국내 화합물 반도체 생태계는 에피웨이퍼, 설계, 생산 분야로 크게 나누어 볼 수 있다(표 2).

에피웨이퍼 분야에서는 소재별로 소수의 전문 기업들이 생산을 담당하고 있다. SiC 소재는 SK실트론과 쎄닉이, GaN은 아이브이웍스가, InP와 GaAs는 큐에스아이가 각각 생산하고 있어 소재별로 특화된 시장 구조를 형성하고 있다.

설계 분야에서는 다수의 중소‧중견기업들이 소자별, 활용 분야별로 설계하고 국내외 화합물 파운드리를 통해 생산하고 있다. 하지만 국내 생산 인프라가 부족한 상황이어서 이들 기업은 대부분 윈세미(대만), TSMC(대만), 엑스-팹(미국), 울프스피드(미국) 등 해외 화합물 반도체 파운드리에 의존하여 제품을 생산하고 있다.

생산 분야에서는 소수의 국내 IDM(Integrated Device Manufacturer) 기업들이 자사 제품의 설계와 생산을 담당하는 동시에, 파운드리 서비스를 통해 연관 소재나 활용 분야의 팹리스 기업들로부터 주문을 받아 위탁생산을 진행하고 있다. 현재 큐에스아이(포토닉스 InP&GaAs), 웨이비스(RF GaN), 시지트로닉스(전력 GaN), 파워마스터(전력 SiC), SK파워텍(전력 SiC) 등이 파운드리 서비스를 제공하고 있으며, 삼성전자(GaN), DB하이텍(GaN, SiC), SK키파운드리(GaN)는 파운드리 서비스를 준비 중이다.

다음으로, 국내 화합물 반도체 산업 및 기술 역량을 살펴보겠다. 산업 역량 측면에서 보면, 화합물 전력반도체 시장에서 우리나라의 점유율은 2% 내외로, 유럽(54%), 미국(28%), 일본(13%) 등 주요 생산국과 비교할 때 매우 미흡한 수준이다. 국내에는 SK 파워텍과 에이프로세미콘(전력), RFHIC(통신), SK 실트론과 아이브이웍스(에피웨이퍼), QSI(LED) 등의 기업이 있으나, 대부분 매출이 중소 또는 중견 규모에 머물러 있다.

기술 역량 측면에서도 우리나라는 최고 기술 보유국인 유럽과 미국 대비 기술적으로 열위에 있다. 2023년 화합물 전력반도체 고도화 기술개발사업 예비타당성 조사보고서[10]에 따르면, 현재 주목받는 SiC(70~82%)와 GaN(68~78%)뿐만 아니라 차세대 소재인 AlN(Aluminum Nitride, 75%), Ga₂O₃(Gallium Oxide, 76%)도 해외 최고 수준 대비 큰 격차가 존재한다.

이러한 현황을 토대로, 다음과 같이 세 가지 문제점을 진단해 볼 수 있다. 첫째, 국내 화합물 반도체 산업의 해외 의존성이 매우 높다. 에피소재 및 생산 대부분을 해외기업에 의존하고 있어 공급망 및 가격안정성이 취약하며, 이는 국내 화합물 반도체 산업의 지속가능성을 저해하는 요인이다. 둘째, 산업의 영세성 문제이다. 국내 화합물반도체 산업은 중소‧중견기업 중심으로 산업생태계가 형성되어 있어 산업 및 기술경쟁력 제고에 한계가 있다. 셋째, 분야의 편중 문제이다. 국내 화합물반도체는 전력 반도체에 편중되어 있어 산업의 다양성이 저해되고 시장확장에 제한이 있다. 정부 R&D 투자도 전력 및 RF(통신) 분야에 편중되어 있어, 다양한 응용 분야에서 발생하는 화합물 반도체 수요에 대응이 부족하다.

1. 응용 분야별 현황

최근 5년간(2019~2023) 화합물 반도체 관련 정부 R&D 과제는 총 211개, 총 1,202억 원이 투입되었다(표 4). 응용 분야별로는 전력 분야가 92건(43%)으로 가장 많고, 공통(소재‧소자‧공정‧장비) 61건(29%), 포토닉스 30건(14%) 순으로 많았다. 연구비는 전력(469억 원), 인프라(229억 원), 공통(181억 원), 통신(167억 원), 포토닉스(133억 원) 순으로 집행되었으며, 과제당 평균연구비는 인프라(29억 원)와 통신(14억 원) 분야가 상대적으로 높았다. 전력 분야는 R&D 자금이 집중되어 있으나 과제 단가는 낮았다.

2. 연구개발 단계별 현황

연구개발 단계에서는 개발연구가 105건(49.8%)으로 가장 많고, 기초연구 67건(31.8%), 응용연구 6건(2.8%), 기타(장비‧인프라 구축 등) 30건(14.2%)이었다. 연구비 기준으로 개발연구가 전체의 과반 이상인 609억 원(58.9%)을 차지하며, 기타 387억 원(32.2%), 기초연구 157억 원(13.1%), 응용연구 48억 원(4.1%)이 뒤를 잇는다(표 5).

3. 정부부처별 현황

과제 수 기준으로 과학기술정보통신부가 93건(44%)으로 가장 많으며, 중소벤처기업부 62건(29%), 산업통상자원부 42건(20%) 순이다(표 6). 연구비 기준으로는 과기부가 640억 원, 산업부 398억 원, 중기부 147억 원 순이다. 과기부는 통신‧포토닉스‧인프라, 산업부는 전력, 중기부는 전력 및 공통 분야에 집중되어 있다.

4. 수행주체별 현황

수행주체는 중소기업이 100건(47.4%)으로 가장 많고, 대학 61건(28.9%), 출연연 25건(11.8%), 협회, 재단 등 기타기관 24건(11.4%), 대기업 1건(0.5%) 순이다(표 7). 총 연구비 기준으로는 중소기업이 460억 원(32.3%)으로 가장 많으며, 기타기관 305억 원(25.4%), 출연연 238억 원(19.8%), 대학 188억 원(15.6%) 순이다. 기타기관의 평균연구비는 13억 원으로 가장 많고, 중소기업(5억 원), 대학(3억 원)은 가장 적은 수준이다. 중소기업은 전력, 통신, 공통 분야를 중심으로 활발하게 과제를 수행하고 있으며, 출연연과 대학은 포토닉스‧인프라 분야에서 강점을 보이고 있다.

종합하여 보면, 정부 R&D는 화합물 반도체 대표 응용 분야별로 고르게 투자되고 있으나 인프라 및 통신 분야 외에는 소규모로 파편화되어 있고, 원천 기술 투자가 부족한 것으로 판단된다.

1. 조사 개요 및 내용

본 조사는 R&D 정책의 관점에서 국내 화합물 반도체 산업의 현황을 정성적으로 진단하고자 유관학회 분과장 및 연구개발 책임자/실무자를 대상으로 시행되었다. 총 35명의 전문가를 대상으로 설문지를 배포하였으며, 이 중 총 22명이 응답하였다(응답률 약 63%). 응답자는 산업계 4명(18.0%), 학계 9명(41.0%), 연구계 9명(41.0%)으로 구성되었다(표 8).

설문 항목은 장애요인(15개 항목), 기회요인(6개 항목), R&D 방향성(10개 항목), 산업 활성화 방안(9개 항목)의 총 4개 범주로 구성하였다(표 9). 각 항목은 기존 문헌 검토 및 연구진의 브레인스토밍 회의를 통해 도출되었다. 설문조사는 전문가들에게 전체 항목 중 1순위부터 3순위까지를 선택하게 하고, 선택한 1~3위 항목에 대한 선택 이유 및 극복/해결 방안에 대한 의견을 묻는 개방형 질문으로 구성하였다. 분석에서는 항목별 1~3순위 가중치를 고려한 응답 빈도 합산점수를 기준으로 최종 순위를 평가하였다.

2. 분석 결과

2.1 국내 화합물 반도체 산업발전 장애요인

전문가 설문조사 결과, 국내 화합물 반도체 산업의 성장을 저해하는 주요 장애요인으로는 첫째, 정부 및 민간의 R&D 투자 부족이 가장 심각하게 지적되었다(표 10). 화합물 반도체는 다양한 응용 분야에 활용되나, 시장 규모가 작고 소량다품종 위주라는 특성으로 인해 연구개발 유인이 낮으며, 이로 인해 영세하고 단기성과 중심의 R&D 환경이 고착화되고 있다는 인식이 강하다. 또한, 정부의 투자 역시 소규모에 머무르며 대규모 연구장비 및 인프라 구축이 부족해, 국내 기술 수준이 글로벌 대비 낮은 수준에 머물고 있는 상황이라는 의견이 많았다.

둘째, 장기 원천기술 개발의 부재도 주요 장애요인으로 꼽혔다. 현재 국내 연구는 당장 산업 현장에서 활용 가능한 응용기술에 집중되어 있으며, 이를 뒷받침할 기초‧원천기술은 부족한 상태라는 진단이다. 과제 간 연계가 부재하고, 부처별로 분절된 연구개발이 이루어지면서 장기 기술축적과 인력 양성이 체계적으로 이루어지지 않고 있다는 것이다.

셋째, 에피소재를 비롯한 핵심 소재의 공급망 해외 의존도 역시 구조적 취약점으로 나타났다. 에피 성장은 화합물 반도체의 연구 및 산업화에서 가장 중요한 공정임에도 불구하고, 국내에는 이를 안정적으로 수행할 수 있는 고품질 에피공정 기반 인프라와 숙련된 전문 인력이 부족하다. 특히 대면적‧고품질 에피층 성장 기술의 확보가 지연되고 있으며, 이로 인해 소재 및 응용소자의 개발이 지속적으로 해외 수급에 의존하고 있는 실정이다.

2.2 국내 화합물 반도체 산업발전 기회요인

전문가들은 국내 화합물 반도체 산업의 미래 성장 가능성을 뒷받침하는 주요 기회요인으로 △소재별 다양한 산업 수요 증대, △안보 자산으로서의 전략적 중요성, △차세대 반도체 기술로서의 고유 특성 부각을 지목하였다(표 11).

첫째, 화합물 반도체는 고성능‧고부가가치 소자를 요구하는 전기차, 우주‧항공, 국방, 차세대 통신 등 다양한 첨단 산업에 응용될 수 있으며, 실리콘 소자 대비 시장 독과점이 낮고 응용 서비스 확장 가능성이 높아 중소‧중견기업 중심의 산업 구조에서 유리한 경쟁 여건을 갖는다.

둘째, 미‧중 기술패권 경쟁과 주요국의 기술 무기화 흐름 속에서 화합물 반도체는 전략적 안보 자산으로 간주되고 있으며, 국산화를 통해 독자적 기술 확보가 절실한 분야로 인식되고 있다.

셋째, GaN‧SiC 기반 와이드밴드갭(WBG) 반도체는 내고전압, 내고온, 고속 특성 등 기존 실리콘 반도체로는 대응이 어려운 영역에서 탁월한 물리적 성능을 제공함으로써 차세대 반도체의 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 메모리 및 시스템 반도체의 초고속 정보처리를 위한 기반 소재로의 활용 가능성도 제기되며, 향후 고부가가치 반도체 구현에 결정적 역할을 수행할 것으로 전망된다. 이러한 기술적‧전략적 요인은 국내 산업에 새로운 기회의 창을 제공하고 있다.

2.3 국내 화합물 반도체 R&D 방향

전문가들은 국내 화합물 반도체 기술의 자립성과 경쟁력 강화를 위한 중점적인 R&D 전략 방향을 다음과 같이 지목하였다(표 12).

첫째, 다양한 소재에 범용적으로 사용 가능한 핵심기술 개발이 필요하다. 이는 후발국인 우리나라가 기술 추격을 위해 선택할 수 있는 효율적인 전략으로, 특히 고품질 대면적 에피 성장기술과 다양한 부품군(전력, 광소자, 센서 등)에 적용 가능한 공정 기술의 확보가 중요한 과제로 제시되었다. 이를 통해 범용 기술을 내재화하고, 산업 전반의 기술 확산과 응용 확대를 동시에 추진할 수 있을 것으로 기대된다.

둘째, 국방‧우주‧양자 등 국가 전략 분야에 적합한 차세대 화합물 소재의 원천기술을 확보하기 위한 선제적 투자 필요성이 강조되었다. 특히 Ga₂O₃, AlN과 같은 소재는 미래 전략자산으로 분류되며, 조기 확보를 통해 국가 기술 주권 및 수출 통제 대응력을 강화할 수 있을 것이다.

셋째, 산학연 공동연구 기반의 장기 민관협력형 대형 R&D 사업 추진이 필요하다는 의견이 다수 제시되었다. 단기 성과 중심의 파편화된 소형 과제로는 기술 연계성과 연속성이 확보되지 않으며, 기초―응용―양산 단계로 이어지는 체계적 기술 개발이 어렵기 때문이다. 이에 따라, 10년 이상 장기 추진이 가능한 대형 공동과제를 통해 대학‧연구기관의 기초역량과 기업의 사업화 역량이 결합된 협업 생태계를 구축해야 한다는 것이 중론이다. 이러한 방향은 결과적으로 국내 R&D 역량의 축적과 지속가능한 산업기술 경쟁력 확보로 이어질 것으로 평가된다.

2.4 산업 활성화 방향

전문가들은 국내 화합물 반도체 산업의 지속 성장을 위해 다음의 세 가지 산업 활성화 방향을 우선순위로 지목하였다(표 13).

첫째, 중소‧스타트업의 공용 팹(Fab) 활용 기반 인프라 강화가 시급하다고 보았다. 고가의 제조 장비를 자체 보유하기 어려운 기업들이 제품 개발 및 사업화를 추진할 수 있도록, 연구용 장비와 양산 인프라를 동시에 갖춘 전문 파운드리 기업의 육성이 필요하며, 지역 기반 R&D 허브 조성을 통해 유연한 접근성과 사업화 역량 확대를 도모해야 한다.

둘째, 산학연 협업을 통한 기술‧지식 공유 체계의 제도화가 강조되었다. 기술력과 연구 인력의 산재로 인해 산업과의 연계성이 떨어지는 구조를 보완하기 위해, 개방형 혁신 모델 기반의 협력 시스템을 구축하고, 공동연구 및 상호 인력 활용을 활성화해야 한다는 의견이 많았다.

셋째, 산업 전체를 조망할 수 있는 컨트롤타워 마련이 필요하다. 통합된 지원체계가 부재한 상황에서, 기술개발 로드맵 수립과 기업 지원, 인재양성까지 아우르는 중장기 전략기구를 통해 산업정책의 일관성과 실행력을 확보할 수 있어야 한다는 것이다.