질화갈륨(GaN) 반도체는 차세대 반도체 핵심 소재 및 소자로 많은 관심을 받고 있다. 기존 실리콘, 탄화규소 및 갈륨비소 반도체가 보여주는 한계를 극복할 수 있는 하나의 대안으로 인정받고 있기 때문이다. 특히 고출력, 고전압, 고효율의 특성을 가지고 있으며, 실리콘 등 반도체 소자와 비교해도 10배 이상의 신호처리 속도와 고속 동작에서 발생하는 열에 강함을 보여주고 있다.

이렇듯 질화갈륨 반도체 소자는 장거리 표적탐지용 레이더의 핵심 부품으로, 5G 이동통신 등 주요 부품으로도 사용될 수 있다. 최근 세계 1위 파운드리업체인 대만 TSMC가 ST마이크로일렉트릭스와 협력해 질화갈륨 반도체 양산 파운드리를 준비하는, 발 빠른 움직임을 보인다. 두 회사는 질화갈륨 반도체 소자가 우수한 열 특성으로 전기차에 적용할 수 있는 차세대 반도체로 판단하고 올해 말까지 질화갈륨 반도체 시제품을 생산할 계획이라 한다. 우리 정부도 836억원을 투입해 오는 2023년까지 파워반도체 상용화 사업을 진행하기로 했지만 이 사업에는 질화갈륨 반도체 분야는 포함되지 않아 큰 아쉬움이 남는다.

질화갈륨 반도체는 전기자동차용 전력소자 외에도 군용 고출력 레이더와 같은 군수·방산 분야와 민간 선박·위성 통신 분야에서 기대를 크게 모으고 있다. 그러나 군수·방산 분야는 제3국으로의 기술과 제품 유출을 법으로 규제 또는 통제하고 있어 기술 도입이나 제품 수급이 매우 어려운 분야다. 지난해 발생한 일본의 수출 규제에서 알 수 있듯이 핵심 기술을 보유하지 않으면 어려움이 뒤따른다.

질화갈륨과 관련되는 핵심 기술은 자국 내 자체 기술을 보유하는 것이 매우 중요하다. CES 2020 전시회에서 확인했듯이 5G 통신기술은 제4차 산업혁명 시대의 중요 핵심 기술로 자리 잡았고, 스마트 시티, 디지털 헬스케어 및 스마트 모빌리티 분야와 접목되는 핵심 기술임은 부인할 수 없는 사실이다. 이러한 5G 통신 분야에서 질화갈륨 반도체 기술은 매우 중요한 핵심 소자 및 부품의 사양을 결정하는 중추적 역할을 하고 있으며, 질화갈륨을 이용한 발광다이오드(LED) 소자가 널리 사용되고 있는 것도 현실이다.

산업적 측면에서도 질화갈륨 반도체 소재와 기판, 소자 제작 공정, 패키징, 그리고 시스템 분야가 서로 톱니바퀴와 같이 맞물려 있다. 지난 1990년 초반부터 소재 및 소자, 시스템 등 각 분야에 대해 연구·개발을 수행해왔지만 차세대 반도체의 위상을 고려하면 투자와 지원이 많이 부족한 편이다. 개별 과제 사업은 여러 차례 수행됐지만 산업 분야 전반을 아우르는 반도체 컨트롤타워를 통한 총괄적 사업 추진의 부재는 질화갈륨 반도체의 발전과 활성화에 항상 병목으로 작용하고 있다. 질화갈륨 반도체의 활성화를 위한 선순환을 이끌 수 있는 정부의 지원과 투자 그리고 산업계의 개발 의지가 바탕이 된다면 질화갈륨 반도체 산업은 새로운 성장동력으로서 4차 산업혁명의 중요한 고리를 이루게 될 것이다.

이러한 연결의 중심에 정부 출연 연구원이 자리를 잡고, 정부와 각 민간 기업 및 연구소와 연계해 질화갈륨 반도체 산업 활성화를 위해 협력해야 한다. 이를 통해 새로운 혁신 성장동력이 될 차세대 반도체인 질화갈륨 반도체와 관련 산업이 활성화될 수 있고, 우리나라의 관련 산업이 4차 산업혁명 시대에서 앞서 나아가는 길이라 생각한다. 강성원 ETRI ICT창의연구소장