반도체, 넥스트 시나리오

삼성전자부터 뉴로모픽 반도체까지, 미래 먹거리의 향연
"기술을 알면 돈이 보인다!"
2019년 말부터 '투자의 시대'가 계속되고 있다. 투자처야 다양하겠지만, 적어도 주식 시장에서는 반도체 관련 주가 가장 크게 사랑받았다. 이유는 간단하다. 반도체 없는 삶은 상상할 수 없기 때문이다. 컴퓨터와 스마트폰은 물론이고, 전자레인지부터 냉장고까지 사물인터넷으로 묶여 통제되는 온갖 가전제품과 심지어 자동차에도 반도체가 들어간다. '아는 것에 투자하라'는 격언을 따른다면 답은 반도체다.
하지만 대부분의 사람은 반도체가 굉장한 일을 한다고만 생각하지 정확한 원리는 알지 못한다. 기술에 대한 이해가 충분하지 못한 탓에 투자 포트폴리오도 삼성전자, SK하이닉스, TSMC, 엔비디아 등 누구나 아는 몇몇 기업으로 국한되어 있다. 하지만 "반도체처럼 미래 가치가 큰 기술은 보이는 게 전부가 아니다." 책은 반도체 초혁명을 이끌 네 가지 핵심 기술(초소화, 자동화, 에너지화, 인간화)을 바탕으로 아직 모습을 드러내지 않은 '넥스트 시나리오'를 제시한다. 그 혁신의 실마리를 따라가다 보면, 대기업이 막대한 연구ㆍ개발비를 쏟아붓는 기술은 무엇인지, 게임 체인저가 될 스타트업은 어디일지, 적게는 몇천억 원에서 많게는 몇십조 원에 이를 신규 시장의 등장 시기는 언제인지 알게 될 것이다.

[초소화] _ 반도체, 세상을 바꾸는 1나노미터
반도체는 크기가 작아질수록 성능이 좋아진다. 더 많은 전기 신호를 더 빠르고 정확하게 전달할 수 있기 때문이다. 그래서 반도체 기업들은 1나노미터라도 더 작은 반도체를 설계하고 양산하기 위해 애쓴다. 하지만 아무리 작아도 최소한의 물리적 면적이 필요하기에, 이 한계를 극복하고자 양자역학을 도입한 터널펫이 개발 중이다. 이 외에도 반도체의 '용적률'을 높여 크기 문제를 해결한 TSV, 2진법 대신 3진법을 도입해 양자 컴퓨터에 버금가는 처리 속도를 자랑하는 3진법 반도체 등이 주목받고 있다.
이러한 초소화 기술의 최전선에 삼성전자와 TSMC가 있다. 초소화 기술은 거대 자본이 필수다. 최근에는 극자외선을 쏘아 미세 회로를 그리는 노광 장비가 대세인데, 시장에 보급된 장비의 90퍼센트 이상이 네덜란드의 ASML 제품이다. 그 가격이 대당 2,000억 원을 넘지만 다른 선택지가 없다. 이를 부담할 기업은 삼성전자와 TSMC 정도다.
최근 이 두 기업은 패키징 공정의 표준을 놓고 맞붙고 있다. 패키징 공정이란 반도체를 단단히 포장하고, 다른 부품과의 접점인 전극을 설치하는 공정이다. 삼성전자는 FOPLP를, TSMC는 FOWLP를 밀고 있는데, 승리하는 쪽이 반도체 시장을 석권할 것이다.

[자동화] _ 바로 지금, 당신의 일상을 설계하는 반도체
첨단 기술로 최근 가장 주목받는 것으로 자율주행자동차가 있다. 아직 완벽한 자율주행시스템은 개발되지 않았지만, 지금 수준만으로도 탄성을 자아낸다. 이러한 자동화 기술의 핵심은 막대한 양의 데이터를 빠르고 정확하게 처리할 고성능 반도체와 계속해서 정보를 습득하는 초소형 반도체, 이 모두를 끊김 없이 연결하는 무선 통신용 반도체다.
그중 초소형 반도체 시장이 가장 급속히 커지고 있다. 연평균 성장률이 9.8퍼센트에 달하는데, 미국의 놀스가 42퍼센트를 점유 중이다. 연계된 분야 중에는 자동차용 반도체 시장이 가장 뜨거운데, 현재 500억 달러(한화 약 60조 원) 규모로, 네덜란드의 NXP반도체, 독일의 인피니언 테크놀로지스 등 유럽의 반도체 기업이 강세를 보이고 있다.
무선 통신 반도체의 경우, 더 빠른 5G 통신을 실현하기 위해 퀄컴과 삼성전자가 노력 중이다. 특히 퀄컴의 기술력이 독보적인데, 최신 5G 통신인 밀리미터파 통신 기술을 선점해 독주를 이어갈 가능성이 크다.

[에너지화] _ 미래를 책임질 반도체 시너지 기술
반도체 기술은 에너지와 연결된다. 성능 좋은 반도체는 더 효율적으로 전력을 사용하기에, 그만큼 에너지를 아낄 수 있다. 그런데 한발 더 나아가 에너지를 만들어 내는 반도체 기술이 개발 중이다. 이를 에너지 하베스팅이라고 한다.
사실 우리는 매우 막대한 에너지를 제대로 써보지도 않고 버리고 있다. 자동차 연료 중 동력으로 전환되는 것은 30~40퍼센트에 불과하다. 나머지는 열에너지로 날아가 버린다. 일상생활에서 발생하는 마찰 전기나, 우리 몸에 흐르는 생체 전기도 활용하지 못하고 있다. 이것들을 모아 쓸 수 있다면 전기세도 아끼고 지구 환경도 보호할 수 있을 것이다.
이러한 생각에서 수많은 연구소가 에너지 하베스팅 개발에 뛰어들었다. 신체 움직임에서 발생하는 마찰 전기나 통신용으로만 쓰는 와이파이를 전자 제품의 전원으로 사용하는 기술, 공기 중의 습기로 전기를 발생시키는 기술 등이 대표적이다. 에너지 하베스팅은 이제 막 기초 연구가 시작된 수준이지만, 시장 규모는 벌써 6억 5,000만 달러(한화 약 8,000억 원)에 달할 정도로 가능성이 무궁무진하다.

[인간화] _ 반도체 인간의 탄생
반도체 기술의 발달로 가상현실 구현이 그 어느 때보다 '현실적'인 일이 되고 있다. 최근 각광받는 메타버스도 일종의 가상현실 플랫폼인데, 5년 내에 시장 규모 7,800억 달러(한화 약 900조 원)에 이를 것으로 전망된다. 하물며 현실과 구분할 수 없는 수준의 가상현실이 만들어진다면 모든 기술과 자본을 빨아들일 것이 분명하다.
현재 가상현실 기술은 크게 두 가지 방향으로 발전하고 있다. 첫째는 외부에서 인공적인 감각을 가해 몸을 속이는 것이다. 섬세한 터치까지 전달할 수 있는 인공 피부, 냄새를 풍기고 맛을 만들어 내는 뉴로모픽 반도체 등이 대표적이다. 특히 삼성전자가 비교적 앞서고 있는 홀로그램 디스플레이 기술은 아직 기초적인 수준인데도 시장 규모가 205억 달러(한화 약 24조 원)에 달한다.
둘째는 뇌-컴퓨터 인터페이스로, 전기 신호로 뇌와 직접 상호 작용하는 기술이다. 뇌파를 읽어내면 생각만으로 사물을 조정하거나 의사를 표현할 수 있고, 반대로 뇌에 적절한 전기 신호를 가하면 무엇을 상상하든 현실처럼 체험할 수 있다. 지금까지 이 정도 수준의 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 미국 국방성 산하의 다르파나 나사 같은 특정 연구소의 몫이었는데, 최근 들어 테슬라(뉴럴링크)나 페이스북(메타), 커널 같은 거대 민간 기업이 적극적으로 뛰어들고 있다. 그만큼 상용화도 빨라질 것이다.

대한민국은 반쪽짜리 반도체 강국?
"또 한 번의 슈퍼 사이클을 기대하라!"
장밋빛 전망과 달리 최근 우리나라 반도체 기업들의 주가는 좋지 못하다. 특히 삼성전자는 매 분기 역대 최고 실적을 내고 있지만, '7만 전자'의 수렁에서 벗어나지 못하고 있다. 이유야 다양하겠지만, 무엇보다 주력 상품이 데이터를 저장하는 메모리 반도체이기 때문이다. 그보다는 연산에 특화된 시스템 반도체가 고부가 가치 상품이다. 삼성전자는 메모리 반도체 시장의 41퍼센트를 점유하지만, 시스템 반도체 시장은 4퍼센트를 점유할 뿐이다.
하지만 책은 '동학'을 그만두고 '서학'으로 갈아탈 필요는 없다고 강조한다. 우리나라는 반도체 산업의 기초 체력이 매우 좋은 편이다. 최근 5년 내의 성과만 봐도 놀랍다. 카이스트 연구팀은 상용화 수준의 터널펫과 고성능 열전 소재를 개발했다. 키스트 연구팀은 선진국 수준의 양자 컴퓨터와 양자 보안, 양자 통신 개발을 위해 박차를 가하고 있다. 유니스트 연구팀은 3진법 반도체, Fe램, 2차원 전극 등 고성능 반도체에 필요한 기술을 개발하고, 시장 규모만 400조 원에 달할 유기 소재 개발을 선도하고 있다. 또한 태양 전지부터 웨어러블 기기까지 다양한 분야에서 활용될 신소재 페로브스카이트의 효율을 높이는 데 성공했다. 포스텍 연구팀은 미래 가치를 가늠조차 할 수 없는 신소재인 메타 물질을 개발 중이다.
이러한 연구는 대개 기업의 지원을 받아, 또는 공동으로 진행된다. 예를 들어 3진법 반도체 개발은 삼성전자의 지원을 받았다. 이 반도체가 상용화된다면 갤럭시에 가장 먼저 적용될 가능성이 크다. 바로 그때 삼성전자는, 최근 고성능 반도체인 M1을 개발해 고성능 스마트폰 시장을 석권한 애플처럼, 관련 시장을 압도할 것이다.
이처럼 기회는 멀리 있지 않다. 문제는 누가 먼저 포착하는지다. 지금까지 반도체 슈퍼 사이클은 시장 수요에 의지했다. 기업들이 서버를 증축해 D램이 많이 팔리면 슈퍼 사이클이 발생하는 식이다. 하지만 다음번 슈퍼 사이클은 생활 방식을 완전히 바꿀 반도체 기술에서 비롯될 것이다. 어떤 기술이 등장할지, 그래서 우리의 삶이 어떻게 바뀌고, 어떤 시장이 형성될지 궁금한 사람일수록 반도체에 주목해야만 한다.

머리말_반도체에서 시작해 인간으로 끝나다
열정적인 호기심 | 어떤 만남

1장 반도체, 세상을 바꾸는 1나노미터
1. 모래가 돈이 되다
일상 속 혁신을 찾아서│반도체의 세 가지 차원│전자의 등산과 스위칭│반도체의 진짜 이름│제2의 실리콘밸리를 꿈꾸다
스위칭│연필심도 돈이 된다

2. 반도체의 근본 기술
트랜지스터라는 증폭혁명│세상에서 가장 거대한 나노 전쟁│붙여야 작동하는 접합의 비밀
스위칭│노벨상에 가장 가까운 한국인

3. 모든 반도체의 뿌리
모스펫이 없으면 아무것도 없다│용적률이 반도체를 살린다?│비용이라는 그림자│태양을 추월한 이카루스
스위칭│삼성전자와 TSMC가 주목하는 반도체 기업

4. 역사상 가장 정교한 예술 작품
가치를 높여주는 패키징 공정│단순해서 아름다운
스위칭│정교함에 한계는 없다

증폭 1 위기의 대한민국
노키아와 삼성전자│반쪽짜리 반도체 강국│중국이라는 파도│메모리와 시스템 사이에서│10년 후를 예측한다는 것

증폭 2 위기의 삼성전자
무엇이 삼성전자의 발목을 잡는가│전 세계인을 직원으로 둔 구글?│소프트웨어가 답이다

5. 물리적인 한계를 돌파하다
성벽을 뚫는 양자역학│쌀가루, 밀가루 그리고 흑린│티끌 모아 태산
스위칭│양자역학의 한계를 돌파하다

6. 속도를 높이는 발상의 전환
더는 줄일 수 없어서│3진법 반도체가 보여줄 신세계│D램과 S램의 기억법│기타 줄 하나로 연주하는 관현악│《사이언스》가 감동한 Fe램
스위칭│빨간 약과 파란 약

7. 신소재로 달성할 초격차
신의 영역에서 맞붙은 삼성전자와 TSMC│물고 물리는 팹리스와 파운드리│미세 전극 기술로 완성한 환상의 콜라보│미래 반도체의 핵심, 2차원 소재│"우리는 답을 찾을 것이다"
스위칭│그래핀, 항공사의 마음까지 훔치다

8. 때로는 포장이 답이다
반도체계의 부르즈 할리파│PCB가 초록색인 이유│반도체 미세화의 끝판왕, SoC와 SiP│패키징 공정의 양대 산맥│게임 체인저의 꿈
스위칭│메모리 반도체의 미래, HBM-PIM

2장 바로 지금, 당신의 일상을 설계하는 반도체
1. '떡상'의 중심, 전장 반도체
연구자의 딜레마│삼성전자의 미래 먹거리│잡스와 머스크, 이재용과 정의선│"요란하지 않지만 강하다"│절대 꺾이지 않을 시장
스위칭│현대자동차도 반한 아날로그 반도체

증폭 3 게임 체인저의 운명, 전고체 배터리
어차피 대세는 전고체 배터리│생선을 잡는 자, 요리하는 자│아직 시간이 있다│또 다른 가능성

증폭 4 특허를 알면 애플카가 보인다
"여정을 채우는 기쁨"│영광과 흑역사의 갈림길

증폭 5 수소전기차라는 경쟁자
현대자동차의 비기│수소사회를 꿈꾸는 이유│2006년의 테슬라를 기억하다

2. LG의 선구안과 열전 소자
냉장고에 건 기대│전 세계가 열광하는 공짜 에너지│페이팔부터 스페이스X까지
스위칭│LG의 또 다른 기대주?

3. 물리 법칙을 뛰어넘는 40만 코어의 괴물
우리가 만약 통 속에 든 뇌라면?│우주의 비밀을 넘보다│미래를 계산하는 괴물
스위칭│난제 전문 1타 강사 AI

4. 편재하는 센서의 세계
작은 크기, 무한한 가능성│IoT 시대의 주인공, 센서│더 작게, 더 많게
스위칭│꿈이라는 새로운 광고 시장

5. 당신이 아는 5G는 5G가 아니다
통신혁명의 속도│5G 밀리미터파의 세계│세상을 연결하는 퀄컴의 힘
스위칭│영하 100도에서 열리는 광통신의 신기원
6. 400조 시장을 좌우할 퀀텀닷
웨어러블 기기의 마지막 퍼즐│"훗날을 위해 잘 간직할 기술"│프린터로 출력하는 반도체│몸에 좋은 퀀텀닷?│천천히, 하지만 꾸준히
스위칭│QLED의 멈추지 않는 진화

증폭 6 VR과 AR를 넘어선 투명 망토
빛을 갖고 노는 메타 물질│새로운 차원의 광학 기기│단언컨대 의미 있을 기다림

3장 미래를 책임질 반도체 시너지 기술
1. 그리고 미래의 기술들
기술은 시간을 먹고 자란다│비트를 넘어 큐비트로│가상현실, 또는 늙지 않는 현실│새로운 기회가 온다
스위칭│운송 시장의 판도를 바꿀 4D 프린팅

2. 탈모를 치료하다
두피라는 거대한 에너지 농장│약장수가 아닙니다│또 쥐만? 사람은 언제?
스위칭│자라나라 머리 머리

3. 배터리 교체가 뭐죠?
늘리느냐 마느냐, 그것이 문제로다│우리 몸이 만들어 내는 전기│사람을 살리는 에너지 하베스팅
스위칭│당신이 곧 발전소다

4. 소매만 스쳐도 에너지가 만들어진다
융털을 닮은 소자│"왜 말을 안 타고 자동차를 타나요?"
스위칭│전기세 0원의 제로 에너지 빌딩

5. 와이파이의 또 다른 쓰임
와이파이로 충전하다│테라헤르츠파라는 계륵│번뜩이는 생각, 끊임없는 노력
스위칭│에너지 하베스팅으로 완성된 무한동력

6. 물 한 방울의 힘
물과 탄소, 그 세기의 만남│8일의 기적
스위칭│미군이 눈독 들이는 자기 추진 물질

7. 수력 발전에서 습기 발전으로
게임은 시작되지도 않았다│임계점이 깨지는 순간
스위칭│벽돌 발전이라는 신세계

8. '무'에서 '물'을 창조하다
공중의 물을 빨아들이다│1그램 알갱이에 들어간 축구장
스위칭│태양보다 오래된 물

증폭 7 태양광 발전의 끝판왕
태양광 발전의 절대 강자, 중국│페로브스카이트로 반격을 꾀하다│하이브리드 태양 전지│몸풀기는 끝났다

증폭 8 에너지를 뻥튀기하다
빛이 일으키는 눈사태│거인들의 연대기

4장 반도체 인간의 탄생
1. 뇌와 하나 되는 반도체 기술, BCI
뇌라는 소자│해킹의 위험│"과학은 완벽하지 않다"
스위칭│인공 뇌에도 영혼은 있는가

2. 반도체가 내 마음을 안다면
"말하지 않아도 알아요"│"그 시금치는 유명한 가수다"│마음을 읽는 기술
스위칭│BCI의 시장성을 극대화할 무선 통신

증폭 9 나도 모르는 나를 지키는 양자 보안
나를 훔치는 범죄에 대비하라│세상에서 가장 강력한 열쇠│양자역학 기술의 높은 벽│머리를 맞대고 양자의 세계로

3. 신체의 확장, 세계의 확장
현실이 된 만화적 상상력│촉각을 전달하다│"단 하나의 쓸모 있는 생각"
스위칭│환자를 살리는 XR

4. 옷에서 생각을 읽어내는 빅 브라더
인도적 기술과 비인도적 기술의 경계│"빅 브라더가 당신을 지켜보고 있다"
스위칭│누구를 위하여 '좋아요'를 누르나

5. 터치, 그 참을 수 없는 유혹
확실한 미래, 가상현실│로블록스부터 〈레디 플레이어 원〉까지│가상인 듯, 가상 아닌, 가상 같은│인공 피부로 나누는 몸의 대화│에너지 하베스팅과의 만남
스위칭│과학적인, 그래서 감성적인

6. 냄새 맡고 맛보는 반도체
뉴로모픽의 최전선│다이어트의 적, 또는 도우미│성인 산업이 반응하다
스위칭│광유전학으로 밝혀낸 섹스의 비밀

7. 가짜 홀로그램과 진짜 홀로그램
가짜는 가라│빛을 완전히 기록하는 기술│개발되는 미래
스위칭│시간을 되돌리는 '미친' 기술

8. 디스플레이 전쟁의 서막
시야각과 화면 크기를 모두 잡는 법│6G 통신이 필요한 이유│스마트폰 시장을 뒤엎을 예정
스위칭│2차원 디스플레이의 제왕이 온다

9. 빛을 만지다
분명 존재하므로 보고 싶다│볼 수 있다면 만지고 싶다│인간의 욕망에 미래가 있다│단언컨대 가상현실
스위칭│신은 죽었고, 불가능은 없다

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권순용 정부출연연구기관인 한국생산기술연구원에서 반도체 패키지 소재를 연구했다. 현재 과학기술과 공학, 반도체를 다루는 유튜브 채널 〈에스오디 SOD〉를 운영 중이다. 알고리즘의 선택을 받아 54만 명 이상의 구독자에게 사랑받고 있다.
2021년 7월 대통령 소속 국가지식재산위원회 홍보대사로 위촉되었다. 그 밖에 카이스트, 유튜브 코리아 등에 초청받아 과학 커뮤니케이터 활동을 주제로 활발히 소통하고 있고, 한국과학기술한림원, 한국과학기술연구원, 한국과학창의재단, 한국천문연구원, 고용노동부와 폭넓게 협업 중이다. 또한 세계적 반도체 기업인 퀄컴과 ASML, 컴퓨터 부품 제조 기업인 에이수스 등과도 작업하며 많은 관심을 받고 있다.