[인터뷰] 파워반도체, 사업화에 총력 ′시스템반도체 발전에 기여′

  • 2019-05-07
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr

 인터뷰  구용서 파워반도체 상용화사업단장


실리콘 기반은 슈퍼정션, SiC는 트렌치게이트에 역점


제아무리 기술이 날고뛰어도 전력 에너지원 없이는 성립할 수 없다. 값비싼 자동차도 기름없이 갈 수 없는 것과 같은 이치다. 첨단 기술이라 일컬어지는 인공지능이라도 별 수 없다. 테크놀로지를 구현하는 모든 디바이스와 시스템은 전력 에너지에 기대고 있고, 전력 공급 시스템은 최소의 전력으로 최대 효율을 발휘하기 위해 고군분투 해왔다. 이 불변의 기저단에서 핵심 역할을 해 온 파워반도체(전력반도체)가 다시 주목 받는 이유는 다른 데 있지 않다. 우리 생활 주변을 잠식하고 있는 사물인터넷 디바이스와 전기자동차가 저전력, 고효율을 요구하기 때문이다.

이러한 때 정부가 추진하기 시작한 파워반도체 상용화사업은 시의적절하게 보인다. 그럼에도 불구하고 사업단을 맡은 구용서 단장(단국대 교수)은 사업을 기획하고 첫 발을 놓을 때까지 결코 쉽지 않았다고 말한다. 소위 잘 나간다고 말하는 메모리 반도체의 그늘이 깊었기 때문이다. 그 많은 정부 사업을 요구하는 상황에서, 잘 되는 반도체에 또 투자하느냐는 편견을 깨야했다. 시장만 놓고 본다면, 비메모리(시스템) 반도체가 전체 시장의 75%를 차지하고 금액으로는 400조원에 이른다. 이 중에 파워반도체는 약 10%정도인 35조 정도이다. 단일 품목으로만 쳐도 굉장히 큰 비중인 셈이다.

“사업단을 시작하기까지 우여곡절이 많았습니다. 이 사업이 예타 통과하는데 3년 정도 걸렸습니다. 시스템반도체 이야기는 많이 있었지만 메모리 반도체에 가려져 있었습니다. (이렇게 단일 품목으로 큰 시장인데) 우리나라의 수출은 1% 미만입니다. 실질적으로 전력반도체 시장은 거의 없다고 볼 수 있죠. 하지만 패러다임이 변화하기 시작했습니다. 블랙아웃(정전)과 같은 일들이 벌어지면서 친환경, 고효율 에너지에 대한 이슈가 점점 커졌어요. 시스템 반도체를 육성해야 한다는 목소리가 높았고 그중 가장 핵심으로 파워반도체가 꼽혔습니다.”

소자부터 모듈까지 상품화 전략 ‘기술격차 줄인다’

이처럼 파워반도체가 주목받은 이유는 소량 다품종 제품이라 중소기업에 최적화한 아이템이라는 것이다. 실제 전 세계 파워반도체 시장은 춘추전국시대라 할 정도로 많은 업체들이 시장을 나눠 갖고 있다. 지금까지 반도체 분야에서 단일 품목으로 예타까지 통과한 사례가 없을 정도도 파워반도체에 거는 기대가 크다. 그 만큼 시기와 필요성이 맞아 떨어진 케이스라고 말한 구 단장은, 사업단의 목표를 국내매출 58억 달러, 점유율 10% 달성이라고 밝힌 이유도 설명했다.

“소자와 모듈, 파워 IC, PMIC를 전체적으로
동시에 개발해서 매출을 올리고 상품화시키는 전략이다.
파워반도체라는 것이 소자만 얘기한다고 생각들 하시는데
여기서 파워반도체는 소자, 모듈, IC까지 다 하는 것이다“


“엄밀히 말하면 파워반도체 분야에서 우리의 점유율은 3% 미만입니다. 목표를 10%로 잡은 것은 굉장히 공격적인 목표입니다. 처음에 사업단을 기획할 때 ‘철저하게 (선진사의 기술을) 따라가되, 7년 후에는 우리가 선진사와의 기술경쟁에서 뒤지지 않는다’는 생각에서 이렇게 정하게 됐습니다. 이를 위해서 해외 선진 기업들의 연평균성장률(CAGR)을 계산했고, 여기에 맞춰 우리의 목표를 잡았습니다. 스타트라인을 맞춘 셈입니다. 지금은 가장 뒤처져있지만 4, 5년 이후에는 거의 대등한 결과를 내기 위해 기술 분석을 하고 있습니다."

"그리고 저희는 투-트랙 전략을 진행하고 있습니다. 하나는 실리콘 베이스이고 또 하나는 화합물 반도체 기반의 파워반도체입니다. 실리콘 기반의 파워반도체는 마켓쉐어가 크긴한데 레드오션이기 때문에 우리는 세계적 경쟁 기술을 확보하기 위해 MOSFET, IGBT에 슈퍼정션을 도입해 사업화하는 방향을 잡았습니다. 실리콘 분야의 슈퍼정션 IGBT는 물론, MOSFET 수퍼정션도 해외 기업들보다 더 좋게 만들자는 전략입니다.”


물론, 화합물 반도체에서 가장 중점이 되는 반도체는 SiC(실리콘 카바이드)이다. SiC는 세계 주요 반도체 기업들이 눈독을 들이고 있지만 아직도 많은 개발 여지를 남겨두고 있다. 사업단이 일반적인 구조가 아닌 트렌치 게이트 구조의 SiC를 개발하는 이유다. 사업단은 사업 2년차에 트렌치 게이트 구조를 개발했다. 이것 하나로, “대략 10년간의 기술격차를 줄였습니다.”라고 구 단장은 자신했다.



“트렌치 게이트 SiC 1,200V MOSFET을 개발했습니다. 1700V도 계속해서 개발하고 있습니다. 개발된 1,200V도 암페어를 높이고, 1,700V를 개발하는 단계입니다. 트렌치 게이트 MOSFET은 아직 시장에 나오지 않았습니다. 여러 문제점을 보완하느라 프로토타입의 1,200, 1,700V가 나오고 있을 뿐이죠. 웨이퍼는 6인치이지만 경우에 따라서는 1,700V는 4인치, 6인치가 호환되게끔 갈 수 있도록 만들어 놨습니다. 케파는 수요를 보면서 잡을 것 같은데 요구에 따라 돌릴 수 있는 능력은 충분히 갖추고 있습니다.”

핵심원천기술, 시제품 신뢰성 평가, 전문인력 양성

가격도 무시 못할 부분이다. 이는 파운드리와도 직결되는 문제이기도 하다. 구 단장은 지금까지 국내 파워반도체 산업이 발전하지 못한 이유로 ‘파운드리’를 들었다. 자체 (고전압) 팹이 없었기 때문에 크지 못했다는 말이다. 그래서 사업단이 가장 공을 들인 것도 팹을 만드는 일이었다. 기술개발 뿐 아니라 국내에서 생산이 가능한 팹(부산 테크노파크)이 이렇게 만들어졌다. 여기는 SiC 전용 팹이다. 올해부터 파운드리를 시작하게 되면 우리가 개발한 소스를 외국 팹에 주어 기술이 유출되는 걱정을 하지 않아도 된다. 물론 빨라진 딜리버리와 가격 경쟁력은 덤이다.

이처럼 사업단은 파운드리를 기반으로 핵심원천기술, 시제품 신뢰성 평가, 전문인력 양성 등 3가지 목표를 차근차근 실천에 옮기고 있다.

“핵심원천기술은 아까 말한대로 실리콘베이스드와 화합물베이스드를 완전히 구분하고 있어요. 이미 많이 나와 있는 실리콘 베이스들은 기술적으로 성능이 좋으면서 고부가가치 상품을 만들 수 있는 방향으로 갈 계획입니다. 이에 반해 화합물 반도체는 현재 (해외 선진기업과) 같은 스타트 라인에 서있다고 판단해서 지속적으로 선점할 수 있는 방향으로 갈 것입니다. 그런 측면에서 실리콘 베이스드는 600V부터 1,200V, 900V부터 1,200, 1,700V를 개발하는데 철저하게 MOSFET IGBT는 슈퍼정션으로 개발합니다. 그것이 핵심원천기술을 확보하는 방법입니다. SiC는 트렌치게이트로 기술을 확보해서 빠른 시일 내에 시장에 진출할 계획입니다. 이 또한 원천기술을 확보하는 것이 목표입니다.”

그렇다고 사업단이 소자만 하는 것이 아니다. 실리콘 기반 파워반도체 소자 개발과 함께, 모듈도 개발하고 있다. 사업단에 합류한 모듈 업체들과 협력할 수 있는 이유이다.

또한 사업단은 파워IC를 개발하고 있다. 소자가 드라이버 단에서 쓰이니까 이것을 구동할 수 있는 게이트 드라이버 IC가 필요하기 때문이다. 같이 개발하니 시너지 효과가 있다. 게이트 드라이버는 그대로 팔기도 하지만, SiP 형태로 모듈로 팔기도 하고, 디바이스가 들어간 모듈을 팔기도 한다. SiC 말고도 GaN도 개발하고 있는데, 이는 100V급 충전기에 가장 많이 쓰인다.

소자와 모듈, 파워 IC, PMIC를 동시에 개발하여 상품화

“사업단은 사물인터넷(IoT) 분야도 하고 있다. 데이터 센터 등 전력이 많이 들어가는 곳에는 결국 저전력이 필요합니다. 이를 위해서는 PMIC들이 필요합니다. PMIC와 배터리, 외부에서 송전할 수 있는 무선충전을 원칩으로 만드는 것입니다. 무선충전 IC, BMIC, PMIC를 통합해서 원칩으로 개발하고 있어요. 소자와 모듈, 파워 IC, PMIC를 전체적으로 동시에 개발해서 매출을 올리고 상품화시키는 전략으로 가고 있습니다. 파워반도체라는 것이 소자만 얘기한다고 생각들 하시는데 여기서 파워반도체47는 소자, 모듈, IC까지 다 하는 것입니다. 그렇게 해야 밸류체인에 따라서 뿌려주고, 마켓쉐어를 가져갈 수 있어요. 소자 자체만으로는 할 수 없습니다. 이것이 사업단의 전략중 하나입니다."

인력 문제를 물을 때, 구 단장은 상당히 고민스러운 표정을 지었다. 가장 중요한 문제이면서, 가장 어려운 문제이어서다. 그는 지금까지 (파워반도체) 자체 파운드리가 없었고 주로 메모리에 집중하다보니 파워반도체의 생태계가 굉장히 열악해졌다는 지적이다. 시스템반도체 생태계도 열악하니 파워반도체는 오죽하겠냐는 말이다. 플레이어가 적다보니 자연스레 인력도 부족이다. (고내압) 파워반도체 분야에 취업할 곳이 없으니, 하는 사람도 줄어든 것이다.

그래서 사업단에서는 1년에 두 세번 소자, 모듈, IC 각각의 분야를 교육한다. 학부생들, 대학원 석박사, 전문가 그룹을 나눠 전문 교육을 시키고 있다. 수료증도 배부한다고 했다. 부산대에서 진행한 과정에 8~90명의 수강생이 몰린 것은 아주 희망적이었다. 향후 사업단은 파워반도체 분야 인력양성사업을 별도로 진행할 산업부와 함께 보조를 맞춰나갈 예정이다. 하고 싶은 일은 많은데 모두 할 수 없는 현실적인 고충을 구 단장은 털어 놓았다.

“자체 시설을 빨리 구축하는 게 중요했어요. 구축이 늦어지면 늦어질수록 이 사업은 실패할 확률이 많아진다고 봤습니다. 그래서 처음부터 양산체제로 바꿔야 했습니다. 적어도 프로토타입 체제는 구축해야 했습니다. 그렇게 만드는 데에만 7~8개월 정도 걸렸습니다. 어떤 양산체제로 가더라도 손색없게 만드는 것이 가장 어려운 점이었습니다. 기존의 환경으로는 도저히 팹을 구축할 수 없어 공사를 진행했어요. 그 다음에는 장비를 선정하고 적기에 구매해야 하는데 이 부분도 결코 쉽지 않았습니다.”

구 단장은 분기마다 가지는 현장 미팅에서 말한다고 한다. ‘회사가 개발사업만 가지고 간다면 그것은 R&D에 그칠 수밖에 없다. 파생상품을 가져야 한다. 빠르게 개발하고 상용화해서 시장에 내놓아야 한다.’고. 이런 과정에서 생기는 문제들을 극복하는 것이 관건이다. 사업 특성상 1단계가 끝날 때마다 매출실적을 받아야 한다. 새로운 기술을 개발해서 매출을 올려야 하기 때문에 어려운 일이다. 1년 반 만에 결과를 내라고 기업들에게 요구한 일이 힘든 일중의 하나였다.

그렇게 도출된 결과물이 1200v 트렌치게이트 프로토타입 제품이고, 이를 바탕으로 만든 파생상품으로 매출을 올리고 있다. 구 단장은 힘든 방법이지만 가야만 한다고 했다. 그래야 세계적인 반도체 기업과 경쟁할 수 있기 때문이다. 결국, 그런 기업들과 싸워 이길 수 있겠냐는 질문에 그는 잠시 숨을 고르고 말했다. 오랜 고민의 흔적이 느껴졌다.


'국내 비영리 기관에서 파워반도체를
개발하기 시작한 게 10년도 넘었다.
그것이 대부분 원천기술과 기술개발에 그친 것이다.
그런 것들이 쌓여 나온 것이지,
1년 반 만에 성과가 그냥 나온 것이 아니다."



“그 부분은 고민을 많이 했어요. 과연 가능할까. 삼성, 하이닉스가 세계적인 반도체 기업이 된 이유는 DNA가 맞는 게 있었기 때문이에요. 우리나라의 ‘빨리빨리’ 문화가 그것입니다. 사업단도 1년 반 동안에 이런 식으로 나갔는데, 그렇게 해서 된 것이 아닙니다. 한 가지 이유는, 국내 비영리 기관에서 파워반도체를 개발하기 시작한 게 10년도 넘었어요. 그것이 대부분 원천기술과 기술개발에 그친 것입니다. 그런 것들이 쌓여 나온 것이지, 1년 반 만에 성과가 그냥 나온 것이 아닙니다.
우리가 원천기술에 대한 자료를 많이 확보하고 있었던 것입니다. 또 하나는 삼성과 하이닉스의 고경력자들이 실제로 아웃소싱되는 경우가 많아요. 우리나라가 글로벌 수요기업을 갖고 있는 것은 가장 큰 메리트이죠. 파워반도체도 그런 경험있는 엔지니어의 도움을 받아 함께 갈 수 있었어요.”


과거 연구기관에서 연구하던 원천기술은 사업화와 거리가 멀었지만, 이번 사업단은 무조건 기업체가 주관하는 방향으로 정한 것이 특징이다. 반면 컨소시엄은 산학연이 같이 들어간다. 참여기업뿐만 아니라 대학을 반드시 집어넣으려는 이유는 학교가 끼어 있으면 기업체들이 절대 대충하지 않기 때문이다. 학교는 철저하게 기술개발에 참여하고, 사업화까지 가는 과정을 지켜보기에 바로 현장에 투입될 수 있다는 장점이 있다고 구 단장은 말한다.

“사업단은 예산을 따서 기술을 개발하는 데만 그치지 않습니다. 4차 산업혁명의 핵심인 시스템 반도체의 중추 역할을 할 수 있는 분야이기 때문에, 좀 더 우리의 목표와 취지에 맞게 단계별로 실적을 낼 것입니다. 최종적으로는 목표에 닿을 수 있게 최선을 다 할 계획입니다. 그럼으로써 예타 사업의 롤모델이 돼서 조금이라도 시스템 반도체의 기여가 됐으면 합니다.”
 

구용서 단장이 말하는
국내 팹리스가 사는
5가지 방법


1.  우리나라 팹리스 중 순익이 나는 구조는 손에 꼽는다.
가장 큰 문제는 기술역량 부족이다. 가성비이다. 싸고 좋은 제품을 시장에 못 내놓는 것이다. 이게 안 되니 수익이 안 난다. 여기서부터 시작해야한다. 중국처럼 돈을 쏟아 붓는 것도 하나의 방법이지만 우리나라는 힘들다.

2.  팹리스들은 철저하게 글로벌향으로 가야한다. 우리나라 대기업은 약이자 독이다. 그 약을 받는 순간 달콤함에 취해서 빠져나올 수 가 없다. 우리나라는 글로벌 IDM 업체의 가장 큰 수요처인데, 거기에 꽂히면 단가가 안 나온다. 어떤 사업이 좋다하면 대기업에서 전문 TF팀이 만들어지고 그 시장은 꺾인다.

3.  가장 중요한 것은 인력이다. 정부에서도 가장 많이 고민해야 한다. 대부분 대기업으로 가려한다. 100명 갈 것을 300, 500명으로 늘리면 자연스럽게 낙수효과가 일어날 것이다. 그런데 지금 공동화 현상이 약간 생기고 있는데, 앞으로 더 심해질 것이다. 잘 키운 인력들은 당연히 좋은 회사를 가고 싶어 한다. 중견인력들이 많이 유출되는 게 문제인데.
이에 대한 방안으로 스케일업이 필요하다. 대한민국에는 팹리스 중견기업이 없다. 허리 역할을 하는 미드필드가 없다. 중간 팹리스가 커야 인력도 어느정도 늘어나는 것이다. 총체적인 종합선물세트가 되어야지, 어느 하나만 가지고서 되는 건 아니다. 인력 문제는 그렇게 봐야한다.

4.  팹리스가 살 길은 상생구조이다. 일단 파운드리가 커져야한다. 파운드리는 IP가 없으면 절대 안 된다. IP를 잡는 게 생명이다. 대기업 파운드리에서는 중소기업의 IP를 철저하게 존중해주고 대우해줘야 한다. 대기업이 IP가 필요하면 좋은 IP를 가진 중소기업을 M&A하면서 활용해야 생태계가 만들어진다. 대기업과 중소중견 팹리스들이 상생하는 모델을 만들어야한다. 그중 하나가 IP의 공유이다. 지금 이게 잘 이뤄지지 않는 이유는 팹리스 업체와 대기업 파운드리 사이에 신뢰가 형성되지 않았기 때문이다. 팹리스 업체들은 IP를 뺏기지 않으려고 하고, 파운드리는 좋은 IP가 있으면 사겠다고 하지만 구매할 만한 좋은 IP도 많지 않다. 대기업에서 이런 IP가 필요하다고 오픈하면 팹리스에서 개발에 나설 것이다.

5.  4차 산업혁명의 핵심은 반도체이다. 우리나라는 사실 이것밖에 없다. 구글처럼 소프트웨어를 할 수도 없고, 철저하게 하드분야라도 잘해야 한다. 메모리는 기본이다. CPU, 데이터 센터에 파워반도체(PMIC)가 필요하다. 전부 시스템 반도체이다. 시스템 반도체는 기회가 될 수 있다. 정부에서 적극적으로 기반을 마련해주고 재도약할 수 있는 기회가 되지 않을까 생각한다.
 

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