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[초점] 반도체 재료 희토류, 중국 '무기화' 전 확보 나서야

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[초점] 반도체 재료 희토류, 중국 '무기화' 전 확보 나서야

반도체 재료 가운데 저렴한 실리콘 이외에 희토류 등의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 자료=글로벌이코노믹이미지 확대보기
반도체 재료 가운데 저렴한 실리콘 이외에 희토류 등의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 자료=글로벌이코노믹
반도체 재료는 저렴한 실리콘에서 값비싼 희토류 원소(REE)에 이르기까지 가격과 가용성이 다양하다. 태양 전지, 전계 효과 트랜지스터, IoT 센서 및 자율 주행차 회로가 모두 작동하려면 반도체 재료가 필요하다.

현대 세계는 말 그대로 반도체와 반도체 제조에 사용되는 재료 덕분에 움직이고 있다고 해도 과언이 아니다. 기존 반도체 소재가 물리적 한계에 도달하면서 이제 새로운 소재가 이를 대체할 태세다. 새로운 반도체 애플리케이션과 함께 이러한 재료 시장은 업계 전반에 걸쳐 제조 및 재료 조달을 변화시키고 있다.

잘 알다시피 우리는 글로벌 메모리 반도체 시장에서 삼성전자와 SK하이닉스 등이 대략 70%를 차지하고, 파운드리에서는 삼성전자가 대략 17~18%를 차지하는 반도체 강국이다.

세계적인 반도체 생산대국으로서 성장하는 반도체 산업에서 그 위치를 유지하려면 안정적이고 발전적 반도체 재료에 대한 확보가 중요하다.

반도체 재료의 종류


반도체 제조의 변화하는 특성을 이해하려면 기존 반도체 재료와 그 구성이 전자 장치에 미치는 영향을 이해해야 한다. 가장 많이 사용되는 반도체 재료는 실리콘, 게르마늄 및 갈륨비소다. 세 가지 중 게르마늄은 가장 초기에 사용된 반도체 재료 중 하나였다. 게르마늄은 원자의 외부 껍질에 위치한 전자인 4개의 원자가 전자를 가지고 있다.

반도체 재료의 원자가 전자의 전도도를 결정한다. 반도체 재료의 진화에서 중요한 단계이지만, 게르마늄은 현재 반도체 재료의 왕인 실리콘 대비 많이 사용되지 않고 있다. 실리콘은 1950년대부터 반도체 재료로 광범위하게 사용되었다. 탄소 다음으로 지구상에서 가장 풍부한 원소인 실리콘은 4개의 원자가 전자를 가지고 있으며 게르마늄보다 높은 온도에서 녹는다. 게르마늄의 섭씨 938.3도에 비해 실리콘은 섭씨 1414도에 녹는다.

실리콘은 규암에서 풍부하게 이용 가능하다. 실리콘의 추출, 정제 및 결정화 공정은 모두 효율적이고 경제적이다. 다이아몬드 형태로 결정화되어 상대적으로 견고한 결합을 형성하여 실리콘 결정에 강력한 기계적 특성을 부여한다.

갈륨비소는 오늘날 사용되는 두 번째로 일반적인 반도체 원료다. 갈륨비소는 실리콘이나 게르마늄과 달리 원소가 아닌 화합물로 3개의 원자가전자를 가진 갈륨과 5개의 원자가전자를 가진 비소를 결합해 만든다.

2022년 글로벌 반도체는 3나노 공정 양산과 2나노경쟁 불확실성 증가가 트렌드를 형성할 것으로 보인다. 자료=글로벌이코노믹이미지 확대보기
2022년 글로벌 반도체는 3나노 공정 양산과 2나노경쟁 불확실성 증가가 트렌드를 형성할 것으로 보인다. 자료=글로벌이코노믹

8개의 원자가전자는 갈륨비소 장치가 전기 신호에 빠르게 반응하도록 하여 이 화합물을 텔레비전 위성에서 볼 수 있는 고주파 신호 증폭에 매우 적합하게 만든다.

그러나 갈륨비소는 실리콘보다 대량으로 제조하기가 더 어렵고 갈륨 비소 생산에 사용되는 화학 물질은 매우 유독한 특성이 있다. 가장 효과적인 반도체 재료인 이산화규소는 실리콘보다 우수한 특성을 가지고 있어 절연게이트 필드의 일종인 금속산화물실리콘(MOS) 소자에서 절연체, 패시베이션층, 빌딩층으로 활용될 수 있다.

이산화규소는 실리콘보다 높은 유전 강도와 넓은 밴드 갭을 가지므로 효과적인 절연체이며 화합물은 다른 물질에 쉽게 증착된다.

실리콘은 20세기 후반과 21세기 초반 동안 반도체 제조에서 가장 중요한 재료였지만, 유용성의 한계에 도달했다. 더 작고 더 빠른 집적 회로에 대한 요구로 인해 재료 효율성이 최대한 향상되었으며 업계 전문가들은 실리콘이 곧 무어의 법칙의 한계에 도달할 것이라고 우려한다.

새로운 재료에 대한 연구가 진행 중이며 일부 재료는 미래에 대한 큰 활용이 기대된다. 후보로는 고출력 질화갈륨이 있다. 높은 임계 에너지장으로 인해 전력망 시스템에서 보다 효율적이고 빠른 전력 변환에 사용될 수 있다.
다음은 안티모나이드 기반 및 비스무트 기반 반도체로 의료 및 군사 분야의 개선된 적외선 센서에 사용된다.

그래핀은 다목적 반도체 재료로서 실리콘을 능가할 잠재력을 가지고 있지만 광범위한 상업화는 25년 정도 걸릴 수 있다.

황철석은 태양전지에 널리 사용되지만 공급이 제한된 희토류 원소 카드뮴 텔루라이드를 대체하는 데 사용할 수 있다. 황철석은 풍부하고 저렴하며 독성이 없다.

반도체 재료는 전기 전도성과 관련된 특정 특성을 가지고 있다. 이런 특성을 지닌 신소재를 실리콘 수준의 가격으로 양산할 수 있느냐에 따라 반도체의 미래가 좌우된다.

반도체 재료의 특징


전기 전도성을 허용하는 재료는 당연히 전도체라고 한다. 예를 들면 금, 은, 구리가 있다. 반면에 절연체는 저항이 높고 전기 전도성을 방지한다. 고무, 유리 및 세라믹은 절연체다.

반도체는 도체와 절연체의 특성을 모두 가지고 있다. 일반적으로 형태가 결정질인 반도체는 전도성에 필요한 적은 수의 자유 전자를 가지고 있다. 원자는 함께 그룹화 되어 전기 전도성이 가능한 결정격자를 형성하지만 올바른 조건에서만 가능하다.

저온에서 반도체는 전도성이 거의 또는 전혀 허용되지 않으며 절연체 역할을 한다. 그러나 실온에서 또는 빛, 전압 또는 열에 노출되면 전기를 전도할 수 있다.

금속은 전기가 한 원자에서 다른 원자로 전자의 흐름을 필요로 하기 때문에 자유 전자가 원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 전기를 전도한다. 순수 실리콘과 같은 반도체는 자유 전자가 적고 절연체처럼 작동한다.

실리콘 거동은 도핑이라고 하는 프로세스를 통해 전도성을 향해 조금씩 움직일 수 있다. 도핑은 반도체 재료에 미세한 불순물을 혼합한다. 불순물은 기본 재료에 '도너 원자'를 추가하여 전도성을 촉진한다.

반도체 재료에 첨가되는 불순물의 양은 반도체 원자 1000만 개당 1개의 공여체 원자로 극소량이지만 전기 전도성을 허용하기에 충분하다.

반도체 재료의 응용


반도체 제조는 거의 모든 전자 장치에 기본 하드웨어를 제공한다. 에너지 증폭, 에너지 변환, 센서 등에 사용된다. 반도체 재료는 거의 모든 주요 산업에 필수적 전자 장치의 필수 구성 요소다. 전 세계적으로 1000억 개 이상의 반도체가 매일 사용된다.

특히 반도체 재료에 의존하는 분야는 AI, 청정에너지, 컴퓨팅, 에너지, 보건 의료, 사물 인터넷, 군대 등이다.

거의 모든 산업 분야가 전자 장치에 의존하고 있기 때문에 반도체 시장은 비교적 안정적이다. 반도체 초기 생산에 필요한 재료는 쉽게 구할 수 있는 실리콘과 세라믹에서부터 값비싼 희토류 금속에 이르기까지 다양하다.

글로벌 반도체 재료 시장은 2021년에는 1000억 달러 이상에 이를 것으로 예상된다. 2020년에서 2025년 사이의 연평균 성장률은 4.32%로 추정된다.

삼성전자 직원이 반도체 생산 라인에서 제품을 검사하고 있다. 사진=삼성전자 제공이미지 확대보기
삼성전자 직원이 반도체 생산 라인에서 제품을 검사하고 있다. 사진=삼성전자 제공

일부 반도체 재료는 저렴하고 풍부하지만 희토류는 비용이 많이 든다. 희토류가 발견되는 암석에서 희토류를 분리하는 데 필요한 공정은 어렵고 비용이 많이 든다. 완성된 물질을 추출하고 정제하는 데 수천 단계가 필요하다.

원자재에서 희토류를 추출하는 어려움으로 인해 많은 광산 회사가 희토류에서 이익을 추구하지 않는다. 중국은 희토류 채굴 및 정제에 주력하는 몇 안 되는 국가 중 하나다. 그 결과 중국은 세계 텅스텐 및 몰리브덴 공급량의 85%를 생산한다.

희토류 생산에 대한 중국의 압박으로 중국은 가격을 책정할 뿐 아니라 귀중한 반도체 재료를 정치적 무기로 휘두를 수 있다.

현재 희토류 재활용은 태양 전지, 자동차 촉매 및 풍력 터빈 자석과 같은 대규모 반도체 제품을 다룰 때 가장 성공적이다. 배터리에서도 회수된다.

반도체 재료를 재활용하는 것은 환경 비용이 만만치 않다. 그 과정에 상당한 폐기물이 발생하고 수많은 유독성 오염 물질이 배출된다. 희토류 비용을 줄이는 가장 확실한 방법은 중국 이외의 국가에서 자체 희토류 광산을 채굴하고 정제하는 것이다. 이를 위해서는 비용 효율적 채굴, 추출 및 정제 프로세스를 개발하는 데 투자할 의지가 필요하다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com