반도체산업 개관

Ⅰ. 반도체산업 개관

1. 반도체의 정의와 분류

	반도체(半導體 : semiconductor)란 구리처럼 전기가 잘 통하는 도체(導體)와 나무나 돌처럼 전기가 통하지 않는 부도체(不導體)의 중간 성질을 갖는 물질을 말함. 반도체도 원래는 전기가 거의 통하지 않지만 필요시 빛, 열, 불순물 등을 가하여 전기를 통하게 함으로써 전기신호를 제어하거나 증폭, 기억하도록 가공된 전자부품의 일종임.
	전기를 기준으로 하면 세상에는 크게 두 종류의 물질이 있는데, 전기가 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체가 있음. 백금, 구리 등 금속물질은 대부분 도체이고, 나무, 바위, 옷감 등은 부도체이고, 반도체는 말 그대로 도체와 부도체의 중간 특성을 가진 물질임. 실리콘(Si),게르마늄(Ge) 등이 여기에 속하며, 자유전자를 가진 물질만 전기가 통하고 자유전자가 없는 부도체는 전기가 안 통함.
	반면 반도체에는 평상시에 자유전자가 없으나, 반도체에 열을 가하거나 특정 불순물을 넣으면 자유전자가 조금 생겨나 전기가 통하게 됨. 반도체를 이용한 트랜지스터가 발명되기 전까지는 전류의 흐름을 조절하기 위해 진공관을 사용했음.
	게르마늄은 실리콘과 같은 반도체의 일종이지만, 현재는 실리콘을 대부분 사용하고 있음. 트랜지스터를 만들기 위해 실리콘의 순수한 결정체가 필요한데, 그 순도는 일레븐 나인(eleven nine), 즉 99.999999999%라는 믿을 수 없을 정도의 초순수 결정체를 사용함.
	트랜지스터는 1947년 미국의 벨연구소에서 쇽클리(W. Shockley)가 최초로 발명했으나, 페어차일드회사가 1959년 말에 실리콘을 이용한 최초의 상업용 트랜지스터를 생산하기 시작했음. 1958년 텍사스 인스트루먼츠(TI)사의 전자공학자 킬비(J. S. Kilby)는 트랜지스터 1개, 저항기 3개, 캐패시터 1개 등 모두 5개의 소자를 하나의 반도체 기판 위에 모아 놓은 최초의 집적회로(IC : Integrated Circuit)를 개발했음.
	그 뒤 트랜지스터 100여 개를 집적한 소규모 집적회로(SSI : Small Scale Integrated circuit), 100～1000개를 집적한 중규모 집적회로(LSI : Large Scale Integrated circuit), 1만개 정도를 집적한 대규모 집적회로(VLSI : Very LSI), 10만개 정도를 집적한 초대규모 집적회로(ULSI : Ultra LSI)로 발전했음. 오늘날 최첨단 1G DRAM의 경우 1개의 칩에 무려 11억 7,000만개의 트랜지스터를 집적시켜 만든 것임.

[그림 1] 실리콘웨이퍼

	반도체의 종류는 크게 정보를 저장할 수 있는 메모리반도체와 정보저장 없이 연산이나 제어기능을 하는 비메모리반도체(논리회로소자)로 구분됨. 그러나 반도체는 부품이므로 용도별, 기술별, 집적도별, 제조공정별 등에 따라 각각 분류체계를 달리하고, 또한 국가별로도 분류를 다르게 나타내고 있음.
	예를 들어 우리나라는 메모리반도체를 주로 생산하고 있기 때문에 메모리에 대한 분류는 구체화되고 있으나, 메모리가 아닌 반도체는 모두 비메모리라고 칭하여 우리나라에서만 사용하는 분류체계임.
	메모리반도체는 정보를 기록하고 저장해둔 정보를 읽거나 내용을 바꿔 다시 넣을 수 있는 램(RAM : random access memory)과 기록된 정보를 읽을 수만 있고 바꿀 수 없는 롬(ROM : read only memory)이 있음. 롬과 달리 램은 전원이 끊기면 기록해둔 자료가 사라지는 것이 특징임.
	또한 램에는 S램과 D램이 있으며, D램은 전원이 켜져 있는 상태에서도 미세한 전류가 계속 흘러야만 정보를 기억할 수 있으나, 작은 칩에 많은 정보를 담을 수 있어 PC에 주로 사용됨. S램은 전원이 끊기지 않는 한 기록된 정보를 유지하는 특성이 있음. S램은 전원만 들어오면 정보를 지속적으로 저장할 수 있어 정보 처리속도가 빠르고 전력소모가 적지만, 작게 만들기가 힘들어 캐시메모리, 통신기기, 서버, 통신기지국 장비에 주로 사용됨.

[표 1] 반도체의 구분     자료 : 각종 자료에 의해 재구성

	플래시메모리(flash memory)는 D램이나 S램과 달리 전원이 끊긴 뒤에도 정보가 계속 남아 있는 반도체임. 플래시메모리를 쓰면 램과 같이 빠른 속도로 정보를 읽고 쓸 수 있고, 하드디스크처럼 전원과 무관하게 정보도 저장할 수 있음. 이러한 플래시메모리는 전원이 꺼지더라도 정보가 지워지지 않는 비휘발성 메모리로서 휴대폰, 캠코더, 디지털카메라, MP3플레이어, PDA 등 모바일제품에 널리 사용되고 있음.
	비메모리반도체에는 마이크로프로세서(MPU), 마이크로컨트롤러(MCU), 디지털신호처리(DSP) 등 컴퓨터를 제어하는 핵심부품인 마이크로칩과 논리소자(Logic IC), 아날로그 IC, 개별소자(discrete), 광반도체 및 센서 등 다양함.
	사업형태별로 살펴보면, 메모리는 표준품의 대량생산에 필요한 생산기술이 경쟁력의 핵심요인으로 작용하고 있고, 비메모리는 시스템의 운용에 필요한 설계기술이 경쟁력의 관건으로 작용하고 있음.
	비메모리 반도체는 대부분 활용분야가 다양하여 공급이 급격히 증가하더라도 수요 측에서 이를 흡수할 여지가 있는 반면, 메모리 반도체는 수요가 특정기기에 한정되어 있기 때문에 공급 급증이 수급불균형으로 직결되고 있음.

[표 2] 메모리 반도체와 비메모리 반도체의 사업 비교     자료 : 산업연구원

2. 반도체 용도와 산업의 변화

반도체의 용도는 장난감에서부터 우주항공산업에 이르기까지 다양하게 사용되고 있으며, 미래산업의 키워드인 산업 융합화 및 유비쿼터스 사회구축을 뒷받침하는 핵심요소부품으로 위치하고 있음.

현재 반도체가 이용되는 분야는 PC를 비롯하여 TV, DVD 등 가전제품뿐만 아니라 통신기기, 자동차, 산업용기계, 로봇, 시계 등 다양한 분야에 걸쳐 있음. 그 중에서도 자동차, 휴대폰 등은 최근에 새로운 시장으로 부상하여 각 국에서 개발 경쟁을 치열하게 벌이고 있음.

-	최근의 자동차는 달리는 전자제품이라고 할 정도로 많은 반도체가 사용되고 있으며, 특히 마이크로컨트롤러는 일반 승용차에 약 30개정도, 고급 승용차에 약 80개나 사용되고 있음.

반도체기업들은 자사의 기술 역량, 자금, 반도체 경기 등에 따라 전략적으로 생산에 참여하고 있음. 반도체 생산업체는 제조공정에 따라 크게 일관공정 업체(IDM : Integrated Device Manufacturer), 설계전문업체(Fabless), 수탁제조업체(Foundry), IP개발업체(Chipless) 등의 전공정(Front-End Process)업체와 후공정(Back-End Process)의 어셈블리 및 테스트 전문업체가 있음.

메모리분야는 대부분 일관공정체제(IDM)이며, 비메모리분야는 부가가치 체인별 분업화가 잘 이루어져 있음. 특히 IP전문업체(Chipless 비즈니스)는 새로운 수익모델기업으로 등장하고 있으며, 이는 반도체 칩을 완제품으로 설계하지 않고 칩의 아키텍처 설계, 규격설정, IP개발 등 R&D부문에 가까운 분야를 특화하는 기업임.

-	설계전문(Fabless) 비즈니스도 고속성장하고 있으며, 이는 반도체 칩을 직접 생산하지 않고 특정용도 IC의 설계 및 마케팅에 특화한 기업임.

-	또한 이들 기업을 뒷받침하는 파운드리(Foundry) 비즈니스도 활발히 성장하고 있음. 생산기술 및 생산코스트의 우위성을 바탕으로 설계업체의 위탁에 의해 제조만을 전문하며, 대만, 한국, 중국이 치열한 경쟁을 벌이고 있음.

국가별로 보면 대체로 일본과 한국은 수직계열화의 종합기업들이 대부분이기 때문에 여전히 자신들이 사용할 반도체를 생산하는 설비를 보유하고 있으며, 미국과 유럽은 반도체전문업체가 많은 편임.

[표 3] 반도체 제조공정별 특성과 주요기업     자료 : 각종 자료에 의해 정리

일본은 마이크로컨트롤러(MCU), 개별반도체(discrete), 아날로그 IC 등의 주요 공급국가이며, 미국은 여전히 마이크로프로세서, DSP, 마이크로컨트롤러, ASSP, 주문형 ASIC, 아날로그 IC 등의 주요 생산국이고, 한국은 메모리 강국이고, 대만은 파운드리의 주요 공급국

[표 4] 주요 국가별 반도체 생산과 주요기업     자료 : 각종 자료

반도체산업을 둘러 싼 환경이 급격히 변화되고 있으며, 각 기업들은 새로운 성장 패러다임의 변화에 대응하여 사업구조 개편, 핵심역량 강화, 연구개발, 주변산업의 재구축 등 자신의 강점을 재정비하고 있음.

이러한 반도체산업의 성장여건 변화는 과거 90년대를 메모리 전성시대라면, 21세기는 SoC (System-on-a-Chip)시대라 할 수 있음.

[표 5] 최근 반도체산업의 생존구조 변화     자료 : 산업연구원 정리

여기서 SoC는 하나의 칩에 시스템이 필요한 논리적 계산, 데이터전환, 기억 등의 기능을 모두 담은 반도체로서 칩 하나로 시스템을 구현하기 때문에 장점이 매우 큼. SoC 기술을 이용하면 시스템의 크기 최소화, 제조비용 절감, 다양한 복합기능 구현 등의 장점이 있음.

그러나 SoC 기술은 고도의 하드웨어 기술은 물론 소프트웨어 기술이 복합적으로 요구되기 때문에 반도체 공정기술, 전자공학, 기계, 화학, 물리 등의 다양한 과학기술과 산업현장의 경험이 융합된 통합적 산업의 성격을 띠고 있고, 연구개발에 막대한 투자가 수반됨.

반도체의 제조공정기술이 나노기술로 진행됨에 따라, 기기를 구성하는 시스템의 대부분을 하나의 칩으로 집약하는 것이 가능해졌음. 따라서 SoC를 설계하는 것은 곧 시스템의 완성품을 설계하는 것과 같게 되었음.

이로 인해 SoC개발에는 시스템 전체를 바라볼 수 있는 넓은 기술적인 시야와 고도의 시스템 설계 능력이 요구됨. 이러한 SoC의 출현은 반도체산업의 성장 조건을 크게 변화시키고 있으며, 또한 SoC는 새로운 비즈니스모델로 등장하고 있음.

[표 6] 비메모리와 메모리의 비즈니스 모델

반도체산업의 패러다임 변화를 살펴보면, 우선 반도체시장을 견인하는 주력시장이 기존의 PC 위주에서 모바일제품과 디지털가전으로 급속히 전환하고 있음.

-	예를 들어 메모리제품의 경우 모바일 및 정보가전제품의 수요로 확대되고, 시스템IC는 다양한 기능의 복합칩(SoC)으로 발전되고 있음. 이에 따른 반도체의 차세대제품은 다양화 및 차별화를 위한 경쟁이 치열해지고, 기술은 미세화, 고속화, 저전력화 등의 경쟁이 가속화되고 있음.

기술혁신 속도가 나노기술의 공정미세화를 촉진하고 있음. 설계 및 공정기술발전은 0.5㎛(95년)→ 0.2㎛(99년)→ 0.13㎛ (2002년)→ 90nm (2003년)→60nm(2005)로 가속화되고 있음. 웨이퍼 사이즈도 대구경화하여 160㎜(92년) → 200㎜ (95년)→ 300㎜(2002년)로 진화되고 있음.

메모리반도체의 사업구조도 커다란 변화를 가져오고 있음. 메모리사업은 계속적으로 거대화되어 과점화가 진행되고 있고, 메모리제품도 D램에서 플래시메모리로 점차 무게중심이 이동하고 있음.

환경변화에 따라 경쟁국의 반도체업계들은 반도체 시장의 흐름을 신속하게 간파하고 획기적인 구조조정을 통해 시장에 적극 대응하고 있음. 일본은 메모리를 과감하게 버리고 복합기능칩(SoC) 육성에 관민이 박차를 가하고 있음. 대만은 메모리반도체대신 파운드리(수탁가공생산)로 성공을 거두고 있고, 중국은 세계의 공장답게 다국적기업들을 유도하여 곳곳에 반도체공장을 세우고 있음.

시대별로 반도체의 기술혁신 변화과정을 보면, 1980년대에는 D램 칩의 소형화 및 고속화, 1990년대에는 고속화 기술이 수요제품을 선도해 나갔음. 2000년대에는 저소비전력화 기술이 이동통신 등의 응용제품을 리드해나가고 있음.

[표 7] 반도체의 기술혁신에 따른 응용제품의 변화