[IT과학칼럼] 화합물반도체 기술

우리나라는 2019년 4월 3일, 세계 최초로 5G 상용 서비스를 시작하였다. 이후 지속적인 5G 통신망의 구축을 통해 현재 세계 최고 수준의 서비스를 제공하고 있다. 초고속 통신망의 구축은 일상생활의 편리함뿐 아니라 디지털 전환의 핵심이라 할 수 있다. 전 세계는 5G 통신망 구축에 열을 올리고 있고 다가올 6G 기술의 선점을 위한 기술개발에 몰두하고 있다.

5G 통신으로 우리는 이전보다 훨씬 더 풍부하고 다양한 서비스를 접할 수 있게 되었다. 이러한 서비스 확대를 위하여서는 기존 통신망보다 훨씬 더 많은 양의 데이터 전달이 필수적이다. 데이터 전송량을 높이기 위하여서는 더 높은 주파수의 전파를 이용하여야 한다. 하지만 전송 주파수가 높아지면 전송 거리는 짧아지게 되어 더 많은 기지국을 필요로 하게 된다. 이러한 5G 통신망 구축에는 고속, 고출력, 고효율의 증폭기가 필요하다. 여기에 사용되는 것이 ‘질화갈륨(GaN)’ 기반의 화합물반도체이다. 질화갈륨은 청색 발광 다이오드(LED)의 재료로 사용되어 왔는데, 최근에는 전력반도체, 레이더 등에도 응용하고 있다. 이처럼 화합물반도체란 단일 물질을 사용하는 실리콘 반도체와는 달리 두 종류 이상의 물질이 결합하여 특정 용도에서 우수한 성능을 발휘하는 반도체를 일컫는다.

한편, 5G 통신망을 통해 휴대단말에 전달되는 데이터는 기지국까지는 유선 통신망을 통해 전달된다. 유선 통신망에서 데이터의 전달은 빛을 통해 이루어지는데, 이 빛을 생성하는데 화합물반도체가 사용된다. 화합물반도체 기반의 레이저 다이오드를 이용하여 고속의 광신호를 만들어 유선망을 통해 데이터 전송에 활용한다. 실제 4G LTE에서 5G로 발전함에 따라 기지국에 데이터를 전송하기 위한 광섬유 포설량은 100배 이상 증가하고 있다. 이로 인해 광소자의 수요도 급증하고 있다. 이처럼 5G 데이터 전송에 필요한 핵심 소자가 화합물반도체로 만들어지고 있으며, 향후 디지털 전환이 가속됨에 따라 그 활용도는 더욱 증가할 것으로 예측된다.

하지만 이러한 통신용 화합물반도체는 현재 대부분 수입에 의존하고 있다. 그런데 고성능 통신용 소자의 경우 선진 국가에서 대부분 수출 허가 품목으로 정해져 있어 수급이 쉽지 않은 상황이다. 특히 최근 반도체가 전략물자로 취급되는 상황에서는 앞으로의 수급 상황은 더욱더 어려워질 것으로 예상된다. 따라서 화합물반도체 기술의 확보는 앞으로 미래 통신기술 발전의 발목을 잡는 문제로 떠오르고 있다. 이미 우리가 겪어 왔던 일본의 수출 규제나 ‘소·부·장’과 같이 소리 없는 전쟁의 또 한 장면으로 발전할 기세이다.

반면, 화합물반도체는 아직 초기 시장으로, 시장 규모가 크지 않아 대기업이 투자하기에 매력적인 분야는 아니다. 하지만 중소·중견 기업이 감당하기에는 투자 비용이 높아 기술 개발 관련 정부의 지원이 절실히 필요한 형편이다. 해외 선진국에서는 이러한 화합물반도체의 중요성을 인지하고 선행 연구와 투자를 통해 인프라를 구축하고 산업을 적극적으로 키우고 있다.

우리나라는 지속적인 연구·개발을 통해 화합물반도체의 기반 기술은 확보하고 있으나 산업화를 위한 기반 인프라 구축이 미흡한 실정이다. 다행히 통신용 화합물반도체 인프라 구축을 위한 정부의 투자가 올해부터 시작되었다. 통신 강국의 위상을 유지하고 다가올 6G 시대를 선도할 수 있는 화합물반도체 핵심 부품의 연구·개발이 상용화의 허브가 되기를 기대한다.

강성원 ETRI IC창의연구소장

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