에피웨이퍼, 이제는 반도체만의 기술이 아니다

지난 10월, 국회 의원회관 제2소회의실에서 ‘인공 광합성 수소의 산업화 전략 세미나’가 열렸다. 아이브이웍스는 이번 행사에서 기술 세션 발표자로서 대구경 에피웨이퍼 양산 기술을 소개했다. 주로 소비가전과 통신, 방위산업 등에 사용되는 질화갈륨 에피웨이퍼가 수소 경제와 어떤 상관이 있겠냐 싶겠지만, 에피웨이퍼, 이제는 반도체만의 기술이 아니다.

첨단 소재 스타트업에게 시장 확장은 ‘필수’

스타트업은 기술력만으로는 생존할 수 없다. 특히 수요처가 한정되고 산업 특성이 좁을수록 시장의 변동성은 곧 매출의 변동성으로 이어지기 쉽다. 아이브이웍스도 마찬가지다. GaN 에피웨이퍼는 전력, 통신 반도체 산업에 주로 사용된다. 제품 수요의 약 90% 이상은 해외 파운드리 또는 종합 반도체(IDM)로부터 발생한다. 이처럼 특정 산업과 고객에 의존하는 구조는 한 번의 외부 환경 변화만으로 타격을 입을 수 있다. 기술이 뛰어나더라도 반도체 시장의 경기 변동, 특정 대형 고객사의 발주 중단, 정부 과제 방향 변화 등 예상치 못한 리스크에 대비해야 한다. 따라서 기술의 재해석을 통한 시장 다변화는 스타트업의 필수사항이다.

신시장 분야에 독점 기술을 공급하면 다양한 기회 창출 요소를 노릴 수 있다. 새로운 응용처를 확보는 현금 흐름 안정성을 확보하고, 고객과의 관계를 단순 공급자에서 공동 개발자 또는 기술 파트너로 전환할 수 있다. 또한, 장기 공급 계약 기반의 매출 구조를 구축하거나 산업의 형태별로 시장을 확장해 나갈 수 있다는 장점이 있다.

반도체 소재 기업의 성장 전략은 기술의 범용성을 새로운 산업으로 확장하는 것에 있다. 예를 들어, 화합물 반도체 웨이퍼 분야의 선도 기업인 영국 IQE는 기존의 무선(Wireless), 포토닉스(Photonics) 중심이었던 사업분야를 GaN Power와 micro-LED으로 확장했다. 아이브이웍스는 이와 유사한 맥락에서 전통적인 전력 반도체 중심의 수요를 저탄소 시장, 특히 ‘물–수소’ 기반 청정에너지 분야로 확장했다. 다만 기존의 반도체 인접 분야를 넘어 비전통적 산업에서 새로운 수요처를 발굴했다는 점에서 차별화된 성장 전략을 실현하고 있다.

에피웨이퍼, 인공 광합성 수소의 핵심으로

아이브이웍스는 약 2년전부터 미국의 그린 수소 전문 기업의 인공 광합성 패널용 에피웨이퍼 위탁 생산을 진행하고 있다. 인공 광합성 수소는 식물의 광합성 과정을 모방해 햇빛으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 차세대 청정에너지 기술이다. 해당 기술에 응용되고 있는 당사의 에피웨이퍼는 나노와이어 구조로 설계되어 있어 햇빛을 받으면 전자와 정공이 효율적으로 이동할 수 있다. 웨이퍼 위에 성장된 InGaN 반도체층과 얇은 광촉매가 전자를 활용해 수소(H₂)를, 정공은 물을 산화시켜 산소(O₂)를 생성한다. 쉽게 말해, 아이브이웍스의 에피웨이퍼가 인공 광합성 패널에서 햇빛만으로 물을 분해해 수소를 만드는 과정의 주요 구성 요소로 작용한다.

그린 수소 (Green Hydrogen Energy)?

수소는 생산 방식에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 나뉜다. 현재 수소 생산량의 약 96%(2015, IEA)를 차지하는 그레이 수소는 화석연료로 생산되며, 수소 1kg을 만들 때 약 10kg의 이산화탄소가 발생한다. 블루 수소는 그레이 수소와 동일한 방식으로 생산되지만, 발생하는 이산화탄소를 포집해 저장한다. 그럼에도 불구하고 화석연료를 사용하기 때문에 이산화탄소를 완전히 제거할 수는 없다. 반면, 그린 수소는 재생에너지로 얻은 전력으로 물을 전기분해하여 생산한다. 이 과정에서는 이산화탄소가 배출되지 않아 친환경적인 에너지 기술로 주목받고 있다.

인공 광합성 패널에 사용되는 에피 웨이퍼의 정식 명칭은 ‘GaN(InGaN/GaN) 나노와이어 에피웨이퍼’다. InGaN과 GaN을 이용한 적층 구조를 가지고 있다. GaN은 가시광 흡수와 광촉매 반응 특성이 뛰어나 InGaN 나노와이어를 효율적으로 구현할 수 있는 튼튼한 기반이 된다. 나노와이어는 단면의 지름이 나노미터 수준인 선형 구조의 물질로, 평면 표면보다 넓은 표면적을 가진다. 그래서 세로로 솟은 나노와이어 구조를 사용해 빛을 여러 번 반사·흡수해 물 분해 반응이 활발히 일어나게 만든다.

하지만 이런 구조적 장점 뒤에는 기술적 난제가 따른다. 나노와이어는 일정한 간격과 높이로 성장해야 빛 흡수와 전하 이동이 균일하게 일어난다. 손바닥 보다 큰 웨이퍼 전면에 수십억 개의 나노와이어를 일정한 간격과 방향을 유지하며 균일하게 성장시키는 것은 세계적으로도 어려운 기술적 과제다. 그래서 품질 균일성을 확보하면서 대량 생산 체제를 구현하기 쉽지 않다. 게다가 GaN이나 InGaN 같은 반도체는 결정격자가 복잡해, 구경이 커질수록 중심과 가장자리의 온도, 압력, 가스 농도 차이로 인해 박막 성장 균일도를 유지하기 더욱 어렵다.

그럼에도 대구경화가 필요한 이유는 무엇일까.

첫째, 넓은 반응 면적을 확보할 수 있다. 인공 광합성 패널은 태양광으로 물을 분해해 수소를 생산하는 구조다. 빛을 받는 면적이 넓을수록 수소 생성 반응이 일어나는 범위가 커진다. 둘째, 효율적인 시스템 설계가 가능하다. 대구경 웨이퍼를 사용하면 하나의 큰 반응 단위로 구성할 수 있다. 만약, 6인치 웨이퍼 한 장으로 2인치 웨이퍼 9장을 대체할 수 있다면, 그만큼 구조는 단순해지고 전기적 손실은 줄어든다. 셋째, 생산성과 경제성이 향상된다. 한 번의 에피 공정으로 생산되는 패널의 반응 면적이 커지기 때문에 면적당 제조비용을 낮추고 생산 효율을 높일 수 있다. 즉, 동일 설비로 더 넓은 패널을 만들거나, 같은 시간 내 더 많은 수소를 생산할 수 있어 인공 광합성 패널의 대면적화와 대량생산에 유리하다. 이는 실험실 수준의 인공 광합성 기술을 산업화 단계로 확장하는데 기술적 발판이 된다. 동시에 반도체와 수소 융합 분야에서 기술적 차별화를 가능하게 하는 경쟁력이 될 수 있다.

이처럼 아이브이웍스가 8인치 나노와이어 에피웨이퍼 대구경화와 상용화에 성공했다는 소식은 업계의 이목을 끌었다. 단순한 구경 확장이 아니라, InGaN/GaN 나노와이어를 균일하게 성장시킬 수 있는 고난도 기술 장벽을 넘어선 결과이기 때문이다.

그린 수소의 시대, 고효율 기술이 필요하다

MBE 공정과 두 단계의 탈 탄소화

그린 수소 시장의 성장과 기술 필요성이 커지는 상황에서, 아이브이웍스는 에피웨이퍼 제조에 가스 배출이 적은 MBE 방식을 활용한다. MBE 장비는 고진공 환경에서 원소를 열로 증발시켜 분자선 형태로 기판에 증착한다. 때문에 화학 반응보다는 물리적 증착에 가까워서 공정 중 메탄(CH₄)나 이산화탄소(CO₂) 같은 온실가스의 직접 배출이 거의 없고, 부산물도 최소화된다. 또한 고진공 환경에서 재료가 효율적으로 증착되기 때문에 원료 낭비가 적고, 공정 효율도 높다. 결과적으로 에너지 사용량과 간접적인 탄소 배출이 감소해, 친환경적이고 지속 가능한 에피웨이퍼 생산이 가능하다. 이렇게 저탄소 공정으로 생산된 에피웨이퍼가 다시 수소 생산 과정에 활용되면서, 생산과 활용 과정 모두에서 탄소를 줄이는 두 단계의 탈 탄소화를 실현한다.

소재에서 설루션으로 : 기술이 여는 새로운 산업

전 세계 에너지 시장은 전력 중심에서 전기·열·수소가 통합된 에너지 체계로 빠르게 전환 중이다. 그린 수소 시장은 연평균 성장률 49.5%로, 2035년까지 약 1,253억 달러 규모까지 성장할 것으로 전망된다. 이러한 급성장은 수소 생산 효율을 극대화할 수 있는 소재 기술의 중요성을 보여준다. 아이브이웍스는 이에 대응해 인공 광합성 수소 생산용 GaN 나노와이어 에피웨이퍼의 대구경화와 양산 안정화를 추진했다. 이를 통해 고효율·저탄소 공정을 구현하며, 반도체 기반 정밀 성장 기술을 에너지 산업으로 확장하는 새로운 성장 축을 마련했다.

아이브이웍스는 단순한 반도체 소재 공급을 넘어, 기술과 시장을 연결하는 설루션 기업으로 진화하고 있다. 웨이퍼 자체가 단순한 소재를 넘어, 기술 적용의 연결고리로 작용하며 새로운 산업 영역에서 가치를 창출한다. 우리는 나노와이어 에피웨이퍼의 대구경화와 상용화를 통해 신에너지 산업과의 접점을 실질적으로 만들어냈다. 앞으로도 이러한 기술 확장은 산업 간 경계를 허물고, 반도체에서 에너지로 이어지는 새로운 설루션 시장을 여는 기반이 될 것이다.

Yoon-Seo Cho l Marketing Manager at IVWorks

Ji-Min Park l Strategy Planning Senior Staff at IVWorks

※ 본 칼럼은 기고자의 주관적인 견해로, 아이브이웍스 공식 입장과 다를 수 있습니다.