"그래핀·갈륨 '포스트 반도체 소재' 찾아라"… 전자업계 분주

기존 실리콘 단점 보완한 그래핀
삼성·LG 앞다퉈 개발 상용화 속도
질화갈륨 등 전력반도체 확보 경쟁
TSMC 이어 삼성 파운드리에 적용

초격차 기술 대전의 한복판에서 혈투를 벌이는 전자업계가 신소재 쟁탈전으로 전선을 확장하고 있다. 러시아·우크라이나 전쟁 등 글로벌 경기 둔화로 침체에 빠진 가전업계는 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀 상용화 잰걸음에 나서고 있다. 반도체업계는 고온, 고압에 약한 기존 실리콘 반도체 한계를 넘어 '포스트 실리콘 반도체' 시대를 열 질화갈륨(GaN) 등 화합물반도체에 속속 출사표를 던지고 있다.

■'꿈의 신소재' 그래핀에 가전업계 '눈독'

24일 업계에 따르면 전자업계를 중심으로 그래핀을 활용하려는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 그래핀은 10년 전부터 각광받은 나노 물질로 상용화되면 디스플레이, 반도체, 리튬전지 등 적용될 수 있는 분야가 무궁무진하다. 삼성전자, LG전자를 비롯해 독일 벤츠, 중국 화웨이 등 글로벌 대기업들이 앞다퉈 개발에 많은 자원을 투자 중이다. 구리·은보다 열·전기는 훨씬 잘 통하면서 강도는 강철의 200배인 그래핀은 두께가 0.34나노미터(1㎚=10억분의 1m)에 불과하며 대량 확보가 어렵다는 치명적인 단점이 있어 양산에 어려움을 겪어왔다. 국내 대기업들은 자체 연구와 동시에 국내 그래핀 관련 소재기업과의 협업을 통해 그래핀 확보에 나서고 있다.

삼성벤처투자가 대표주주로 있는 SVIC 56호 신기술 사업투자조합은 지난 13일 국내 신소재 기업인 그래핀스퀘어 주식 25만2987주를 보통주 제 3자 배정을 통해 획득했다. 해당 주식의 총 금액은 119억원이다. 삼성전자는 향후 가전제품에 그래핀 적용을 구상 중인 것으로 전해진다.

LG전자는 지난해 출시한 플래그십 이어폰 '톤프리'에 그래핀 소재를 적용했다. 이 밖에도 LG전자는 2020년 그래핀스퀘어와 대면적 그래핀 합성·응용기술 공동 개발에 대한 업무협약을 맺고 소재 발굴에 적극적인 상황이다.

■질화갈륨(GaN) 반도체 경쟁 예고

반도체업계에서는 화합물반도체를 눈여겨보고 있다. 두 종류 이상의 원소로 구성된 반도체를 뜻하는 화합물반도체는 기존 실리콘반도체가 물성의 한계에 다다르면서 각광받고 있다. 고온과 고전압을 견디면서도 부피는 작고 무게는 가볍고 성능은 뛰어난 반도체에 대한 수요가 전기차와 신재생에너지 업계를 중심으로 늘어나고 있다.

삼성전자는 GaN 전력반도체를 향후 파운드리 사업의 핵심 축으로 삼을 예정이다. 앞서 최시영 삼성전자 파운드리사업부문장은 지난달 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 "컨슈머(소비자), 데이터센터, 오토모티브(자동차) 향으로 2025년 8인치 GaN 전력반도체 파운드리 서비스를 시작한다"고 밝힌 바 있다. 삼성전자의 경쟁사 대만 TSMC는 한발 앞서 GaN 기반 파운드리 사업을 진행하고 있다. 오는 2025년에 삼성전자와 마찬가지로 8인치 GaN 파운드리를 시작할 예정이다. 초기에는 차량용 반도체를 중점적으로 생산할 계획이다. 8인치 GaN 공정을 개발 중인 DB하이텍도 2025년을 목표로 삼았다.

시장조사업체 옴디아는 화합물 기반 전력반도체 시장이 지난 2020년 10억달러(약 1조3000억원) 규모에서 2027년 100억달러(약 13조원) 수준까지 확장될 것으로 내다봤다.

이종환 상명대 시스템반도체학과 교수는 "자율주행, 전기차 시장의 확장성이 매우 큰 가운데, 차량용으로 사용되기 위해서는 일반 실리콘 기반의 반도체보다 고전압을 버틸 수 있는 신뢰성과 더 까다로운 품질 수준을 확보해야 한다"면서 "TSMC와의 점유율 격차를 줄여하는 삼성전자는 새로운 고객사를 확보하기 위해 차량용 반도체 시장에서의 성과가 필요한 상황"이라고 말했다.