▲ 이남양 초고순도 SiC 소재 사업단장.

우리나라가 세계적인 무역 1조달러 달성에 성공한데는 반도체, 디스플레이, LED, 자동차 산업 등 주력산업의 공이 컸다. 그러나 이들 산업에 들어가는 소재부품은 일본에서 수입하는 것이 많아 대일무역 적자도 커지는 결과를 초래해 정부가 소재부품에 대한 육성에 나서는 원동력이 되기도 했다.

반도체산업이 450mm급으로 대구경화 되고 LED·하이브리드카·태양전지 등이 고효율화 되는 등 새로운 제품이 나오면서 새로운 소재가 요구되고 있다.

이중 초고순도 SiC(실리콘카바이드) 소재는 다이아몬드 결정구조의 반도체 특성을 지니며, 고경도, 고강도, 초고온 융점을 가지고 있어 차세대 소재로 각광받고 있다. 실리콘보다 열 전도도가 3배 높고 절연파괴 강도는 10배나 커 고온과 고전압에서도 작동하는 에너지 효율적인 반도체를 만들 수 있다. 500도 높은 환경온도에서도 정상적으로 작동하는 부품을 개발할 수 있어 고온·고압을 견뎌야하는 전력반도체나 공정장비 부품으로 적합하다.

그러나 초고순도 SiC 소재는 전 세계적으로 개발단계인데다 기술 선진국들에 의해 전략물자로 지정돼있어 돈 주고도 사기 힘든 소재다. 현재 SiC 소재는 반도체와 LED 공정에 사용하는 치공구에 주로 쓰이고 있지만 차세대반도체, 하이브리드카, 전기자동차 등에 빠르게 적용될 것으로 전망돼 소재기술 확보가 시급한 상황이다. SiC 소재가 없다면 우리 주력산업의 향후 경쟁력이 모두 흔들리는 결과가 초래할 수도 있다.

이에 LG이노텍이 총괄주관기관을 맡은 초고순도 SiC 소재 사업단은 순도 7N (99.99999%)급 초고순도 SiC 원료분말부터 소결체, 단결정, 에피박막까지 기술을 수직계열화하는데 나서고 있다. 세부과제로는 △초고순도 SiC 분말 기술(LG이노텍) △차세대 반도체/LED 핵심공정용 초고순도 SiC 제조(SKC솔믹스) △고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조(포스코) △에너지반도체 소자용 SiC 에피 소재(LG이노텍) 개발을 추진하고 있다.

사업단은 2019년 4조원 시장으로 전망되는 초고순도 SiC 소재 시장에서 35%의 시장점유율을 확보하고 4,200명의 고용창출 효과를 낸다는 목표를 세우고 있다.

▲ 사업단 구성(총괄주관 : LG이노텍).

■ 1단계 세계 기술수준 근접, ‘합격점’

초고순도 SiC 소재는 고난도의 기술을 요구하는 만큼 개발에 많은 시간이 요구된다. 실례로 일본 B사는 순도 6N급 파우더를 개발하는 데 11년이 걸렸고, SiC 웨이퍼 분야 최고 기술력을 보유한 미국 C사도 웨이퍼 직경을 1인치 키우는 데 2년이 소요됐다.

그러나 초고순도 SiC 소재 사업단은 1단계 사업을 통해 2010년 이후 총 770억원을 투입했으며 세계적인 수준의 기술을 확보하는 성과를 거뒀다. 주요 실적을 살펴보면 △6N급 SiC 분말(powder) 개발(세계 수준: 일본 6N급) △5N6급(99.9996%) 카본 분말 개발(세계 수준: 5N급) △5N8급 실리카 분말 개발(세계 수준: 5N급) △95mm급 6H/4H SiC 단결정 기판 제조 △100mm급 에피웨이퍼 개발 등이다.

특히 6N급 초고순도 SiC 분말 제조에 성공해 반도체 개발을 한 단계 업그레이드할 수 있는 계기를 마련한 것은 사업단의 최대 성과로 꼽히고 있다.

이밖에 특허출원도 국내외 138건에 달하고 SCI등재 논문 게재 건수는 30건에 달한다. 신규채용 인원도 R&D인력 37명을 포함해 58명을 달성했다.

미국·일본 기술수준 근접, 장비 국산화 결실

2단계 기술 고효율화 추진, 상용화 기반 마련

▲ 포스코와 RIST가 개발한 6H-SiC 잉곳(50mm, 광반도체용)과 4H-SiC 잉곳(75mm, 전력소자용).

■ 大·中企 협업으로 장비 국산화 실현

사업단에 참여하고 있는 기업은 대기업 4개, 중소·중견기업 5개로 4개의 세부과제에 거의 1:1 비율로 사업에 참여하고 있다. 대기업들은 중소기업의 소재부품을 사용해 제품화하고 있으며 설비·제조기술 국산화를 위해 외주 협력업체 육성과 프로세스 개선을 지원하는데 앞장서고 있다.

이러한 대표적인 사례가 LG이노텍과 반도체·디스플레이 장비 전문기업 주성엔지니어링의 협력으로 국산화를 추진하는 양산형 멀티 웨이퍼 CVD 설비다. 이 설비는 양사가 수행 중인 과제인 150mm급 에너지반도체 소자용 SiC 에피 소재 개발에 필요한 장비다.

1단계에서 주성엔지니어링은 포로토타입의 장비를 제작한 후 초고온에서 에피 웨이퍼를 성장시켰으며 LG이노텍은 에피 박막의 형성률과 결함 등을 분석해 그 결과를 주성에 전달했다. 이러한 과정이 반복되면서 주성은 기판크기 100mm급의 장비를 개발하고 성공적으로 평가를 할 수 있었다.

이렇게 개발된 양산형 장비는 LG이노텍에 공급될 예정이며 공정 평가 데이터를 공유하며 장비를 개선해나간다는 계획이다. 장비가 완성되면 제품 수율향상, 소모성 비용 감소 등으로 인해 해외경쟁업체 대비 세계적인 경쟁력 확보가 기대되고 있다.

▲ LG이노텍의 고순도 SiC 파우더.

■ 2단계, 기술경쟁력 제고 나선다

초고순도 SiC 소재 사업단은 1단계 사업에서 확보한 원천소재 기반기술을 올해부터 진행되는 2단계 사업을 통해 기술 경쟁력을 높인다는 계획이다. 차별화 공정기술 확보, 소재 적용성 검증 등으로 향후 기술 상용화에 진입하기 위한 중요한 기점인 것이다.

이에 세부과제별로 △입도 100μm급 SiC 분말 기술 개발 △지름 450mm 반도체/LED 핵심 공정용 초고순도 SiC 제조 기술 △지름 150mm 고품위 SiC 단결정 웨이퍼 제조 기술 △지름 150mm 에너지반도체 소자용 SiC 에피 소재 개발에 각각 나선다.

이남양 초고순도 SiC 소재 사업단장은 “현재 미국, 일본 등이 SiC 분야에서 앞서 있지만 기술 완성도를 높이고 사업성을 확보해 추월할 수 있다”며 “성공적인 연구개발과 사업화에 적극 나서 개발 성과가 소재산업의 경쟁력 확보뿐 아니라, 고용창출에도 기여 할 수 있도록 적극 지원할 것”이라고 포부를 밝혔다.