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어느덧 한 해의 반이 지났다. 2021년 상반기는 반도체 시장의 기초적인 구조가 흔들렸다. 코로나19, 반도체 슈퍼사이클, 차량용 반도체 수급난, 선도 기업의 공격적인 투자와 지원 정책 등 굵직한 이슈는 지금도 유효하다.(HelloT) 이를 두고 전문가들은 반도체 수요에 대한 성장세가 장기간 계속될 것이라는 전망과 함께, 일각에서는 향후 10년간 반도체 업계의 호황기가 지속될 거라는 파격적인 관측도 내놨다.
특히 강세가 두드러지는 것은 GaN, SiC와 같은 화합물 반도체 기반의 3세대 전력반도체다. 반도체 굴기 가속페달을 밟고 있는 중국을 살펴보면, 최근 몇 년간 중국의 3세대 반도체 연계 기업은 100곳 이상 늘어났다. 그러자 자연스럽게 3세대 반도체에 대한 투자 열기도 뜨거워졌다. 중국 증권 매체 증권시보(證券時報)와 증시 정보 플랫폼 수쥐바오(數據寶)에 따르면 올해 6월 들어 3세대 반도체 산업 체인과 관련된 대표 종목들이 15.56%의 평균 상승폭을 보였다고 한다. 그뿐만 아니라, 증권기관이 올해와 내년의 순이익 증가율 전망치를 예측한 결과 18개 이상의 3세대 반도체 섹터 종목이 30%를 넘길 것으로 나타났다.
글로벌 시장조사업체 옴디아(Omdia)가 발표한 자료에 따르면, 특히 ‘전력’ 부문의 매출 급성장이 예측된다. 전 세계 GaN 및 SiC 전력반도체 매출은 2018년 5억 7100만 달러에서 EV/HEV, Power, Power supply, PV 인버터 등의 수요로 향후 2029년에는 50억 달러를 돌파할 것으로 나타났다. 이에 아이브이웍스도 업계 흐름에 앞서서 GaN 전력반도체 분야에서의 굵직한 타이틀을 선보이기 위해 질적 역량 강화에 나섰다. 2021년 상반기 아이브이웍스의 굵직한 성과를 되짚어본다.
아이브이웍스는 지난겨울 정부로부터 소재·부품·장비 전문 기업 인증을 두 차례나 받으며 자사 기술의 사회적 파급효과와 부가가치 창출에 대한 가치를 인정받았다. 이는 곧 아이브이웍스의 GaN 에피웨이퍼가 다양한 산업 간에 연관 효과가 크고, 만약 수급이 원활하지 못할 경우 주력산업(여기서는 반도체에 해당) 등의 생산에 차질을 초래할 수 있음을 의미한다. 특히, 아이브이웍스는 대한민국에서 유일하게 GaN 에피웨이퍼 생산 기술을 보유하고 있어, 그동안 전량 해외 수입에 의존해왔던 것과 달리 소재 국산화에 기여했다는 평을 받고 있다.
평가에만 그치지 않고, 이를 구체화시킬 기회도 잡았다. 올 초, 산업부와 국방부는 방산 소재, 부품, 장비 (이하 소부장)의 국산화와 미래 국방 원천기술 확보를 통해 국방산업 경쟁력을 강화하고자 ‘X-band GaN 반도체 MMIC 국산화’ 과제를 선정한 바 있다. X-band는 파장이 짧아 고해상도 영상 정보 수집과 기상 관측, 항공, 군사용 레이더 등에 활용된다. 여기에는 TR 모듈이 수백 개에서 수 천개 이상 개별 안테나 소자에 직접 연결된다. 이 초소형 TR 모듈을 구현하기 위해 필요한 것이 바로 ‘MMIC 칩’으로, 레이더에서 방출되는 송신 전파의 세기를 키워 탐지거리를 높이는 역할을 수행한다. 본 과제에 수행기관으로 선정된 아이브이웍스는 이번 정부 지원을 바탕으로 MMIC를 만드는 원천소재인 GaN 에피웨이퍼를 공급하며 국내 대기업들과 긴밀히 협력해 본 과제의 첫 단추를 끼우게 됐다.
화합물 반도체에 대한 관심이 높아지자 아이브이웍스는 KCS, CSMantech 등 국내외 학술대회에서 자사 우수성 알리기에 나섰다. 특히, 딥러닝 알고리즘을 기반으로 에피성장을 모니터링하고 분석하고 관리하는 AI Epitaxy Platform ‘Domm™’의 친환경적이고 획기적인 지능형 생산기술에 업계 종사자들의 많은 관심이 이어졌다. 아이브이웍스의 메인 기술 축 가운데 하나인 Domm™의 우수한 성과 뒤에는 연구진들의 끊임없는 역량 강화가 숨어있었다. 데이터, 모델, 플랫폼으로 세분화된 AI 전문 연구원들의 자체 기술로 탄생한 Domm™은 화합물 반도체 성장에 필요한 머신 러닝 예측 모델들을 제공한다. 연구진들은 반도체 제조에서의 더 효과적인 AI 활용을 위해 올 상반기, 예측 모델들의 역량 개선에 집중했다.
DOMM™의 주요 생산 품질 예측 모델(Product Quality Prediction Model) 가운데 하나인 ‘PDM(Pattern Detection Model)’은 GaN 에피웨이퍼 생산 과정에서 ‘*Deoxidation’ 과정과 ‘Growth mode’를 모니터링하는 분야로, 에피 결정구조 정보를 형광 스크린에 나타난 회절 패턴을 통해 공정에 필요한 정보를 직관적으로 제공한다.
*본격적인 에피 성장 전, 실리콘 기판의 Oxide(산화막)을 제거하는 과정으로 PDM을 통해 산화막의 제거 전/후 패턴들을 다양하게 학습하여 특정 기준에 미치는 수준의 Deoxidation 여부를 판정해낼 수 있다.
PDM을 적용하면 에피웨이퍼 성장 전 과정에 대해서 RHEED 데이터들을 정량화하고 RHEED 데이터를 통해서 에피웨이퍼의 성장과정을 실시간 및 자동으로 모니터링할 수 있다. AI 연구팀은 더 정확한 예측 모델을 만들기 위해 웨이퍼 생산 실패로 이어질 수 있는 Ring 패턴과 Direct beam 패턴을 추가, PDM 모델의 정확도를 90프로 이상으로 끌어올렸다. 자세한 내용은 2021 CSMantech 논문 (Hybrid NH3/N2 Molecular Beam Epitaxy with Artificial-Intelligence-Assisted Reflection High-Energy Electron Diffraction Analysis)에서 확인할 수 있다.
가용성도 높아졌다. 그간 내부에서도 철저한 보안 속에 유지됐던 DOMM™의 플랫폼 클라우드 버전이 개발되면서, 오토스케일링 적용 등 클라우드 아키텍처가 강화됐다. 내부 시연을 마친 DOMM™ 클라우드 버전은 아이브이웍스와 GaN 에피웨이퍼 대량생산 파트너십을 체결한 미국 IET에 처음으로 제공됐다. 여기서 말하는 가용성은 시스템이 정상적으로 사용 가능한 정도를 의미한다. ‘가동률’을 떠올리면 쉽다. 클라우드 버전을 이용하면 인프라 사용량 증감에 유연한 대처가 가능하여 인프라 관리 부담을 덜 수 있다. 특히, 지금과 같은 코로나19 팬데믹 상황에서 현장에 시스템을 구축하는 것은 꽤 어려운 일이다. 하지만 DOMM™ 플랫폼 클라우드 버전으로 현장의 시스템 구축을 최소화하면서도 빠른 서비스 제공은 물론, 다양한 데이터로 누적되어 학습한 최신 버전의 분석 예측 모델들도 손쉽게 제공할 수 있게 됐다.
아이브이웍스의 장비 기술은 동일한 박막 합성속도에서 합성원료 소모가 1/1,000,000에 불과한 탄소화합물을 사용하지 않는 고효율, 친환경, 저탄소 공정이다. 여기에 AI 영상분석기술을 응용해 차세대 반도체 소재인 GaN 에피웨이퍼 생산에 적용한 AI Epitaxy System은 아이브이웍스가 세계 최초로 개발한 방식이다. 이번 DOMM™ 플랫폼 클라우드 버전 개발로 IET를 비롯한 다양한 글로벌 반도체 기업들과의 기술교류가 활발해진다면, 미국을 비롯한 대만, 영국 등 기술 선도국들이 전략화하고 있는 시스템반도체 소재 분야에서 기술 우위 확보가 가능해질 것으로 기대된다.
올해는 아이브이웍스가 설립된 10번째 해다. 상반기의 노고를 기념할 새도 없이 하반기 프로젝트들이 줄지어 진행됐다. 그중 하나로 아이브이웍스는 올 하반기 신규 도입되는 12인치 양산 장비 안정화에 집중할 예정이다. 신규 양산장비가 도입되면 국내 최초 GaN 에피웨이퍼 12인치 대구경화는 물론, 연 생산 Capacity가 작년 대비 약 3배가량 늘어날 것으로 전망된다. 자사가 사용하는 단결정 박막 성장 장비 기술은 자체 개발로 획득한 방식인 만큼 신규 장비 도입에 필요한 핵심 파트들을 ‘아이브이웍스 화(化)’시키기 위한 노력이 계속되고 있다. 장비 도입을 시작으로 아이브이웍스는 다양한 인적, 기술적, 비즈니스적 전환을 맞을 것으로 예상된다. 아이브이웍스의 올 하반기도 기대가 가득하다.
Yoon-Seo Cho ㅣ Marketing Assistant at IVWorks
※ 본 칼럼은 기고자의 주관적인 견해로, 아이브이웍스의 공식 입장과 다를 수 있습니다.
참고문헌
- HelloT, [아무튼 반도체] 성장 예고하는 메모리 반도체, 칼자루는 서버에 있다고? (2021.06.30.)
- 뉴스핌, [GAM] 반도체 장기 호황기 도래, ‘뛰는 몸값·국산화’에 치솟는 반도체株 (2021.06.23.)
- TECHWORLD, [인터뷰]TI, “Si, SiC 넘어서는 GaN 기술, 오래 지속할 것” (2020.12.15.)