반도체는 이제 「단일품목 수출 1위」상품으로 올라섰다. 지난해 수출신장률은 24.6%.올해는 「실리콘 사이클」이 최고조에 달해 더욱 호황을 누릴 것으로 예상된다. 주력상품인 메모리반도체의 경우 선두 일본과 치열한 기술개발경쟁을 벌일 정도로 기술력도 향상됐다. 그러나 성장일로의 국내 반도체산업은 치명적인 약점들을 갖고 있는데···

그동안 국내산업발전을 앞장서 이끌어온 전자산업이 지난해 전반적으로 침체를 보여 대외경쟁력 문제가 심각하게 제기되고 있는 가운데 유독 반도체만은 활력을 잃지 않고 높은 성장률을 유지, 국내산업을 이끌어가는 핵심산업으로 주목되고 있다.

반도체는 가정에서 쓰이는 전자제품에서 산업 군사 항공우주용 장비 등에 이르기까지 안쓰이는 곳이 없다고 해도 과언이 아닐 정도로 용도가 다양하고 중요해 세계각국이 자국산업의 흥망을 좌우하는 전략산업으로 간주, 육성에 온힘을 기울이고 있다. 이 마당에 우리나라 반도체산업이 이처럼 활기에 차 있다는 사실은 무척 반가운 소식이 아닐 수 없다.

「실리콘 사이클」최고조

지난해 국내 반도체수출액은 90년보다 24.6% 늘어난 56억5천4백37만5천달러(약4조2천억원)로 전기전자수출액(약15조원)의 28.2%를 차지했는데 이는 국내 제조업 전체수출의 8.3%에 해당하는 것이다. 지난해 전기전자 전체수출증가율(12.7%)의 2배에 가까운 이같은 반도체 수출호조는 '단일품목 수출실적 1위' 제품의 지위에 걸맞는 것으로 반도체가 명실상부한 제1의 국가전략산업임을 입증하는 것이다.

더군다나 지난해 세계 반도체시장의 성장률이 11.5%에 그쳤으며 그나마도 우리 반도체수출의 주종을 이루는 D램 등 기억소자(메모리)류는 6% 성장에 그치는 부진을 면치못했던 점을 감안하면 국내 반도체산업의 이같은 신장세는 더욱 놀랄만한 것이다.

올해는 반도체산업에서 4년 주기로 호황과 부진을 거듭하는 이른바 '실리콘 사이클'이 최고조에 달하는 해로 반도체경기가 호황을 구가할 것으로 전문가들은 전망한다. 또 지난 90년에 마이너스 성장을 기록했던 D램 등 메모리소자시장도 지난해의 회복세를 몰아 올해에는 20%가 넘는 높은 성장률을 기록할 것으로 예상돼 메모리제품 생산비중이 높은 국내 반도체업체들은 잔뜩 기대에 부풀어 있다.

실제 메모리분야에서 1메가D램의 경우 이미 지난해부터 삼성전자가 세계 최대공급업체로 자리를 굳혔으며, 현재 세계 메모리반도체시장의 주력제품인 4메가D램의 경우도 올들어 일본과 함께 세계 최대의 시장으로 꼽히는 미국시장에서 삼성이 최대공급업자로 부상한 것으로 알려졌다. 미국시장에서 국내업체들의 메모리반도체 점유율은 30~35%선.

최첨단 반도체인 16메가D램의 경우도 삼성전자가 일본의 후지쓰 히타치 일본전기(NEC) 등 선두업체들과 비슷한 시기인 작년 4사분기부터 시제품을 선보이기 시작했으며, 올해안으로 현대전자와 금성일렉트론도 가세, 세계시장에서 일본업체들과 치열한 경쟁을 벌일 전망이다. 차세대반도체인 64메가D램도 국내업체간 공동연구를 통해 연말경에는 개발이 완료될 예정으로 있다. 따라서 최소한 메모리분야에 있어서는 선두 일본과 치열한 각축전을 벌이고 있는 셈이다.

메모리 비중 78%

그러나 국내 반도체산업의 앞길이 결코 순탄한 것만은 아니다. 국내업체들의 국제적인 지위가 올라가면 갈수록 외국으로부터 특허 공세와 유무형의 통상압력이 이에 비례해 거세지고 있으며 날로 높아가는 기술장벽에 대처하는 문제도 큰 짐이 되고 있기 때문이다. 보다 근본적인 문제는 국내 반도체산업 또한 7,80년대를 풍미했던 가전 컴퓨터 등 세트산업(부품들을 조립해 완제품을 만드는 산업)과 마찬가지로 화려한 외형적인 성장의 이면에 소재 부품 및 장비의 높은 대외의존도, 그리고 특정부문만의 편중발전이라는 취약점들을 갖고 있다는 것이다.

먼저 반도체제품 자체만을 보면 국내에서 생산되는 제품이 대부분 D램 등 표준제품이라 할 수 있는 메모리류에 편중돼 있고 나머지의 경우는 그야말로 불모지라 해도 과언이 아닐 정도로 생산구조면에서 불균형을 이루고 있다.

이같은 제품구조상의 불균형은 수출입자료에서 극명하게 드러난다. 지난해 국내 반도체수출액 56억5천만달러중 조립가공을 제외한 일관공정수출, 즉 반도체의 설계에서부터 웨이퍼가공 패키지조립에 이르는 모든 공정을 국내에서 처리해 생산한 반도체수출액은 21억달러를 약간 넘는데 이중 D램 등 메모리제품이 차지하는 비중은 무려 78%에 달한 것으로 추정된다.

그러나 세계 반도체시장에서 메모리의 비중은 22~23%에 불과하고 나머지는 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러를 포함한 마이크로컴포넌트류(마이컴)나 주문형반도체(ASIC) 개별소자 등 소위 비(非)메모리반도체가 차지하고 있다. 다시 말해서 수출위주로 발전해온 국내 반도체 제품구성이 정작 겨냥하고 있는 세계시장 구조와는 완전히 반대가 되는 기형적인 구조를 이루고 있다는 것이다. 국내에서 생산하는 반도체의 80% 이상을 수출하고 국내에서 필요로 하는 반도체의 80%를 수입하는 현실이 국내 반도체 산업의 파행성장으로 인한 비메모리분야의 낙후를 단적으로 보여준다.

비메모리분야는 우선 전체 반도제시장의 70% 이상을 차지하는 큰 시장인데다 경기에 따라 변동폭이 큰 메모리에 비해 수요처가 다양해 경기변동에 따른 영향이 적다. 따라서 비메모리분야의 육성없이 반도체강국이 되는 것은 불가능하다는 것이 전문가들의 지적이다.

비메모리분야의 육성이 중요한 또하나의 큰 이유는 세트산업 발전과의 연계성이 높기 때문. 전문가들은 "비메모리분야를 육성하지 않고서는 국내 반도체산업의 성장이 한계에 부닥치게 됨은 물론이고 가전 컴퓨터 공장자동화(FA)를 비롯한 전반적인 산업의 경쟁력을 갖추는 것도 기대하기 어렵다"고 심각성을 지적한다.

삼성 금성 현대 등 국내재벌들이 반도체를 시작할 때 공통적으로 '국내산업 지원육성'이란 기치를 내세웠음을 상기하면 현재의 상황은 뭐가 잘못되어도 한참 잘못돼 있다고 볼 수밖에 없다. 비메모리산업이 부진한 이유는 우선 업체들이 투자에 인색했던 점과 개발된 제품마저도 세트업체들과 소자업체들이 각기 다른 외국업체들로부터 기술도입을 해와 서로 채용하기가 어려워 시장확보가 불가능했다는 점에서 찾을수 있다. 최근 국내업체들도 고유디자인 제품을 활발히 만들어내고 있어 이같은 문제는 어느 정도 개선될 것으로 보이나 기술개발 및 시장개척을 위한 과감한 투자가 뒷받침되지 않고서는 근본적인 해결책을 기대할 수 없다는 것이 업계의 중론이다.

삼성이 지난 90년 개발한 16메가 D램 시제품. 선두 일본업체들과 불과 6개월 차이를 두고 배발에 성공했다.

대일의존 가속화

세계적 수준에 올라 있다고 자랑하는 메모리분야도 뿌리깊은 문제를 안고 있다. 반도체생산에 필요한 장비와 각종 재료는 거의 전부를 수입에 의존하고 있어 극단적으로 말하면 국내 메모리산업의 운명은 이들 외국장비 및 재료공급선에 저당잡혀 있다고도 볼 수 있는 것이다.

현재 반도체장비의 국산화율은 10%선으로 국내에서는 대부분 실험실용이나 소모성 일과성 장비를 생산하고, 핵심생산장비는 거의 전량을 수입에 의존한다. 최근 일부 기업이 외국과의 합작을 통해 국내에서 생산하기 시작한 양산용(量産用)장비조차도 외국제품을 그대로 들여와 조립하거나 일부 범용부품만을 국산으로 대체하고 있는 형편이다. 값비싼 반도체장비에 대한 높은 수입의존도는 우선 업체에 무거운 설비비용 부담을 줄 뿐만 아니라 반도체 기술발전이 장비에 크게 의존하고 있다는 점에서 핵심기술개발에 적지않은 영향을 끼치고 있다.

반도체용 각종 재료의 국산화율도 3분의 1을 밑돌고 있다. 상공부측의 자료에 따르면 실리콘웨이퍼가 22.3% , 포토마스크 82.8% , 리드프레임과 케미컬류가 각각 56.55와 10.6%에 달하는 등 전체적으로 36.2%에 불과하며 한국반도체산업협회는 이보다 더 낮은 32.7%로 집계했다.

보다 심각한 것은 국산화율이 크게 낮을 뿐 아니라, 그나마도 국내조달비중이 높은 것은 사진에서 원판의 역할을 하는 포토마스크와 반도체수율(웨이퍼를 가공해 완제품에 이르기까지 완성률)에 미치는 영향이 비교적 적은 리드프레임 본딩와이어 등 특정품목에 한정돼 있다는 사실이다. 실제 생산에 중요한 영향을 끼치는 고가의 핵심재료는 거의 전량 수입한다.

근래에는 그동안 수입에 의존하던 각종 재료를 국내에서 생산하기 위한 회사들이 속속 설립되고 있으나 거의가 기술을 일본에 의존하고 있을 뿐 아니라 상당수가 일본측 파트너가 자본까지 참여하는 형식을 띠고 있어 대일 기술의존도가 갈수록 높아지고 있다. 90년대 들어 4메가D램 이상의 고집적메모리시장이 활성화됨에 따라 점차 늘고 있는 메가D램급 이상의 반도체재료사업 참여업체는 거의 모두가 외국으로부터의 기술 및 자본합작을 통해 설립되고 있다.

90년 포토마스크생산업체인 듀폰코리아포토마스크가 듀폰의 100% 출자로 설립된 데 이어 같은해 설립돼 올해중 웨이퍼생산을 시작할 예정인 포스코휼스 역시 미국 MEMC사가 기술제공자이자 40%의 지분을 갖고 있다. 뿐만 아니라 지난해말 동양화학이 설립한 동우반도체약품도 기술도입선인 일본 스미토모와 이토추상사가 각각 40%와 10%의 자본을 투자했으며, 테크노무역이 웨이퍼표면의 알루미늄배선층간 절연막형성에 쓰이는 공정재료인 TEOS(테트라 에틸로 소실리케이트)의 생산을 위해 지난달초 설립한 한국산중(山中)소재도 역시 산중휴테크사(20%) 마루베니상사(10%) 마루젠(10%) 등 일본업체가 기술제공은 물론 40% 자본 참여하고 있다.

오는 6월부터 반도체용 현상액(디벨로퍼)을 생산할 예정인 크린크리에티브는 일본 단인더스트리사의 자본이 49% 들어있으며 기술은 일본 나가세전자화학사로부터 도입했다. 영우화학이 반도체용 과산화수소의 국내생산을 위해 89년말에 설립, 지난해 하반기에 공장을 준공한 바있는 삼영순화도 미쓰비시가스사의 50% 투자로 설립된 업체. 지금까지 설립된 반도체재료 관련 외국인합작업체는 총 24개사에 달하고 있으며 이중 일본이 16개사로 3분의 2를 차지하고 있다.

이같은 외국업체들의 국내 신설 반도체재료회사에 대한 자본참여 추세에 대해 업계관계자들은 대부분 "몇몇 외국업체들이 반도체 재료관련 기술을 독점하고 있는 데다 노하우 이전을 꺼리고 있어 기술을 받기 위해서는 합작형태가 불가피한 실정"이라며 현상황에서는 이를 권장해야 한다는 입장을 보이고 있으나, 일부에서는 국내반도체산업의 대일종속을 영구화할 소지가 있다는 우려의 목소리도 나오고 있다.

지키기 힘든 「세계 3위」

국내 반도체산업이 시작된 지 25년, 그리고 본격적으로 일관공정생산을 시작한 지 15년이 지난 마당에 아직까지 이처럼 취약한 구조를 면치 못하고 있는 것은 그동안 우리 산업이 전반적으로 내실보다는 외형성장위주로 줄달음쳐온 것과 맥락을 같이한다.

기업들은 기술적인 어려움과 함께 장기적이고도 막대한 투자를 요하는 비메모리분야와 장비 소재산업을 육성하는 것보다 당장 적절한 투자로 외형을 늘릴 수 있는 특정반도체의 생산에만 급급, 오늘날과 같은 기형적인 구조를 낳았다. 결과적으로 규모면에서는 일본 등 선발 반도체대국들과 격차를 줄이는데 성공했지만 내용적으로는 오히려 격차를 벌이는 현상을 초래한 셈이다.

반도체산업에 뒤늦게 뛰어든 우리나라가 반도체설계기술 등 핵심기반기술이 부족한 것은 어떻게 보면 당연한 일이다. 삼성 현대 금성 등 반도체3사는 지난해에도 8천5백만달러(6백40억원)라는 막대한 기술료(로열티)를 물어야했고 아마도 당분간은 해를 거듭할수록 특허사용료부담은 계속 늘어날 것이다. 집적도가 높아질수록 눈덩이 불어나듯 늘어나는 투자비문제와 해외로부터의 반덤핑제소위협을 포함한 통상마찰 또한 반도체사업을 계속하고자 하는한 계속 우리를 괴롭히게 될 것이다.

국내반도체산업은 그동안 몇차례의 우여곡절을 겪기는 했지만 이같은 어려움속에서도 세계 3위의 반도체생산국으로 올라섰다. 우리나라의 금융 세제 관세 등 제반 사업환경이 미국이나 일본 대만 등에 비해 상대가 되지않을 정도로 열악하다는 점을 감안할 때 이같은 성장은 한층 값진 것이다.

그러나 국내반도체산업이 장기적으로 이같은 높은 성장 템포를 유지하기 위해서는 안으로부터의 절감, 즉 현실적으로 대체가능한 재료와 장비류를 국산화하는데 적극 힘써야한다. 지난해 미일간의 최첨단반도체장비를 둘러싼 분쟁에서 보았듯이 반도체장비와 재료는 이미 반도체생산의 성패를 좌우하는 지경에 이르러 점차 '무기화'되는 경향을 보이고 있다. 이들을 개발생산하는 능력이 없이는 결국 '영원한 2등'을 면하기 어려울 뿐더러 기존 전자산업이 그러했듯이 어렵게 노력해 알맹이는 선진국에 고스란히 바치는 꼴을 당하게 될 것이다.

반도체산업계의 주도권을 갖고 있는 반도체소자업체들은 순망치한(脣亡齒寒)의 교훈을 되새겨 재료 및 장비업계의 국산화를 유도해 원가절감과 생산성향상에 주력하고, 정부는 업체나 특정제품에 대한 직접적인 간여보다는 산업발전에 걸림돌이 되는 제도개선 등 정책적인 지원에 힘쓰는 총체적인 노력이 어느 때보다도 시급히 요청되는 시점이다.

반도체제조에 이용되는 클린품. 4메가D램을 생산하기 위해서는 1입방피트당 0.05미크론 이상의 먼지가 10개 이하로 있어야 한다.

알아두면 편리한 반도체 상식

램은 '칠판'롬은 '공책'에 비유된다. 즉 램은 그속에 정보를 기억시켰다가 전원을 끄면 곧바로 정보가 사라지지만 롬에 기억시킨 정보는 전원을 끄더라도 그대로 남는다.

램과 롬

'칠판'과 '공책'을 연상하면 이해하기 쉽다. 램(RAM, Random Acess Memory)은 데이터를 기억장소에 써 넣었다가 전원을 끄면 그 데이터가 곧바로 사라지는 반도체를 말하고, 롬(ROM, Read Only Memory)은 전원을 끓어도 그 속에 있는 데이터가 없어지지 않는 기억소자를 말한다. 아무거나 썼다가 지우면 다시 쓸 수 있는 칠판은 램에 해당하고, 한번 쓰면 언제나 꺼내볼 수 있고 그 위에 다른 내용을 다시 메모하기 힘든 공책은 롬에 해당한다.

S램과 D램

D램(Dynamic RAM)은 전원을 끊지 않아도 일정주기 마다 소정의 여진을 가하지 않으면 그 속의 정보가 없어지는 기억소자다. 이에 비해 S램(static RAM)은 전원만 끓어지지 않으면 그 속의 정보가 오랫동안 지워지지 않고 보관되는 램반도체. D램에 비해 회로구성이 복잡해 4메가D램이 1메가S램과 기술수준이 비슷할 정도다.

1세대 에서 5세대 컴퓨터 까지

수십만개의 진공관으로 만든 에니악은 1세대 컴퓨터의 대표격이다. 50년대 트랜지스터의 발명으로 컴퓨터는 2세대로 넘어간다. 그후 두개 이상의 회로소자(트랜지스터 다이오드 콘덴서 저항 등)를 하나의 칩 속에 집적한 집적회로(IC)가 등장. 이 집적회로의 집적도에 따라 3,4세대 컴퓨터가 출현한다. 5천~10만개 소자를 집적한 LSI(대규모집적회로)는 3세대, 10만~1백만개 소자를 집적한 VLSI(초대규모집적회로)는 4세대컴퓨터라 불린다. 최근에는 소자를 1백만개 이상 집적한 극초대규모집적회로(ULSI)도 선보였다. 5세대컴퓨터는 '회로의 집적도'가 아니라 컴퓨터에 '지능'이 있는지 여부에 따라 구분한다. 즉 순차적 처리방식인 기존 폰노이만 방식을 벗어나 병렬처리와 지식데이터베이스를 통해 컴퓨터에 인간과 비슷한 지능을 부여하려는 것이 5세대컴퓨터의 개념이다. 최근 6세대(광컴퓨터) 7세대(바이오컴퓨터)에 대한 얘기도 나오고 있으나 통설화된 것은 아니다.

마이크로프로세서

하나의 칩 속에 컴퓨터 연산제어기억장치(CPU)에 해당하는 기능을 모두 집약시킨 것. 미국 인텔사가 1971년 i4004를 발표한 이래 미국기업들에 의해 빠른 속도로 기술개발이 이루어졌다. '마이크로프로세서 없이 애플도 없었다'고 할 정도로 개인용 컴퓨터가 출현하는 직접적인 계기가 됐다. 요즘도 인텔이 생산하는 마이크로프로세서 제품명에 따라 PC 분류(286 386 486 등)를 할 만큼 개인용 컴퓨터 발전과 밀접한 관련을 맺고 있다. PC용 마이크로프로세서는 인텔의 80×86계열과 모토롤러의 68000계열 두가지가 대표적이다. 최근에는 공장자동화기기 가전제품 등에도 마이크로프로세서가 흔히 쓰인다. 일명 '마이컴'이라고도 함.

갈륨비소반도체

실리콘 대신에 갈륨비소(GaAs)를 반도체 재료로 한 대표적인 화합물반도체. 실리콘반도체에 비해 동작속도가 3~5배 빠른 반면 전력소비는 1/3에 불과하다. 잡음이 없어 1백기가헤르츠(1천억헤르츠) 이상의 고주파 동작도 가능하다. 또 실리콘반도체에 없는 발광특성이 있으며 3백50℃ 이상의 고온에서도 작동한다. 웨이퍼가공이 어렵고 값이 비싸다는 점이 단점. 이에 따라 갈륨비소반도체는 초고속컴퓨터 위성통신 광통신 이동통신 군사기술 등에 이용되고 있다.

반도체 제조공정

(1) 설계-컴퓨터를 이용해 반도체 회로를 설계한다. 설계된 도면은 마그네틱테이프에 수록. (2) 마스크제작-마그네틱테이프에 수록된 회로도를 공정용 마스크로 제작, (3) 사진공정-자외선이나 전자빔으로 마스크 상의 회로도를 실리콘 웨이퍼로 옳김. (4) 식각공정-염화물 혼합기체, 불산 초산 등을 이용해 웨이퍼표면을 회로선만 남기고 나머지 부분의 산화막은 벗겨낸다. (5) 확산공정-식각된 부분에 반도체 특성을 가지도록 인 붕소 비소 등의 원소를 침투시킴. (6) 증착공정-웨이퍼 표면에 얇은 알루미늄막을 형성시켜 회로와 회로 사이를 전기적으로 연결. (7) 웨이퍼선별-웨이퍼와 그 속에 포함된 개별 칩들이 정확한 전기적 특성을 갖고 있는지 컴퓨터로 검사. (8) 웨이퍼절단-다이아몬드톱이나 레이저빔으로 웨이퍼를 잘라 각각의 칩으로 분리, 이때 불량품으로 표시된 칩은 분리한다. (9) 칩 접착-양품의 칩을 현미경을 통해 리드프레임 위에 고정시킴. (10) 금선연결-고정된 칩의 입출력 단자와 리드프레임 다리를 머리카락 굵기 1/10 정도 되는 금속선으로 연결. (11) 성형-충격과열로부터 칩과 연결회로를 보호하기 위해 화학수지나 세라믹으로 밀봉 (12) 검사-완성된 반도체의 최종 합격 여부를 컴퓨터로 판정.

(표)반도체기술의 발달과정

16메가D램

손톱만한 크기에 신문 1백18페이지에 해당하는 1백2만4천자를 기억시킬 수 있는 최첨단반도체. 후지쓰 히타치 NEC 등 일본 반도체 메이커들이 89년부터 시제품만 내놓고 있을 뿐 아직 완제품은 나와 있지 않다. 우리나라도 지난 90년 전자통신연구소를 중심으로 삼성 금성 현대 등 반도체 3사가 공동개발에 성공, 양산단계를 눈앞에 두고 있다. 16메가D램은 93년부터 본격적인 시장이 형성될 것으로 보이는데 개당 1백80달러에 이르는 고부가가치 상품이다.

반도체와 특허

반도체 제작과정에는 수백가지의 특허기술이 포함돼 있다 국내 반도체산업이 일정 궤도에 올라선 지난 86년부터 TI 모토롤러 등 미국 반도체 업체들은 끈질기게 특허료지불을 요구하고 나서, 국내 반도체 업체들은 매출액의 8~10%를 로열티로 뺏기고 있는 실정이다. 세계 반도체기업 가운데 1~3위를 독차지하고 10위 이내에서 6사가 올라 있는 일본 기업들도 해마다 미국반도체업체들에 일정액의 로열티를 바친다. 그러나 일본 업체들은 독자기술을 어느 정도 보유해 오히려 미국에 역공세를 펼치는 등 일방적으로 당하는 우리와는 비교할 수 없이 행복한 편이다.