반도체 분야 초순수(水), 해외 의존도 탈피 시급

선진국과의 기술격차 줄이기 위한 지원 확대 절실

국회물포럼 제18차 대토론회

국회물포럼(회장 변재일 국회의원)이 20일 ‘초순수(水) 산업 육성 정책’을 주제로 한 제18차 대토론회를 서울 여의도 국회의원회관에서 개최했다.

이번 대토론회의 개최 목적은 반도체 분야 미래 전략산업의 초격차 확보를 위한 초순수 산업의 육성 방안 논의 및 관련 정책 제안이었다.

변재일 국회의원(국회 물포럼 회장)은 개회사에서 “반도체 산업에서 초순수는 대외 의존도가 매우 높은 분야의 기술 분야로 기술특허와 설계는 일본과 해외기업이 독점하고 있는 게 현실이다. 미-중 기술패권 전쟁으로 세계 공급망이 보호무역으로 후퇴하는 상황에서 우리 산업의 가장 큰 리스크는 높은 대외 의존도”라며, 초순수 자립을 서둘러야 함을 강조했다.

오늘날 디지털 전환이 본격화되며 반도체 기술격차가 국가 경쟁력의 격차로 이어지는 시대가 도래했다.

이에 세계 주요국들은 반도체 자립을 위해 사활을 걸고 있다. 즉, 기술패권 경쟁에서 밀리지 않기 위해서 자국 중심의 반도체 공급망 구축을 서두르고 있다.

변재일 의원은 더불어민주당 반도체특위 위원장으로서 지난해 반도체 등 경제안보와 직결된 핵심산업의 파격적인 지원을 통해 경쟁력 강화와 기술 보호를 위한 ‘국가 핵심전략산업 경쟁력 강화 및 보호에 관한 특별조치법안’을 발의했고, 올해 1월 국회를 통과해 8월부터 본격 시행된 바 있다.

현 정부도 반도체 산업의 중요성을 강조하며 ‘미래 산업의 핵심이자 국가안보 자산인 반도체 산업의 기술 초격차를 유지하기 위해 기업, 인력, 기술, 소재·부품·장비 전반을 망라하는 반도체 초강대국 달성 전략’을 발표했다.

美·日, 정부 주도 초순수 기술개발 선도

초순수 산업을 육성하기 위해선 대규모 인프라 구축을 위해 막대한 인적·물적 자원이 소요되기 때문에 미국과 일본의 경우 초창기 정부 주도로 초순수 기술개발을 선도하며 전문기업을 육성했다.

변 의원은 또 “다행히 환경부가 2021년부터 총 480억 원을 투입해 ‘초순수 생산공정 국산화 기술개발 연구’를 지원하고 있으나 선진국과의 기술격차를 줄이기 위해서는 지원 확대가 절실한 상황”이라고 전했다.

특히 초순수는 반도체뿐만 아니라 LCD, 제약, 화학, 발전 등 국가 핵심산업에서 사용되는 용수로, 초순수 산업의 세계시장은 2028년 약 180억 달러 규모로 성장할 것으로 예측된다. 이 때문에 초순수 분야의 지원 확대는 물 산업 분야 세계시장 진출의 교두보를 마련할 절호의 기회이기도 하다.

반도체 산업에서 쓰이는 초순수(Ultra Pure Water, UPW)는 수백 개 반도체 생산 단위공정에서 나오는 부산물과 오염물질 등을 세정할 때 쓰이는 필수재이다. 최첨단 정밀 수처리 기술로 생산되는 초순수는 일본, 미국, EU 등 해외기술 의존도가 높아 기술자립이 절실한 상황이다. 남궁은 회장(한국초순수학회)은 환영사를 통해 “초순수 시스템의 설계부터 관련 소재부품장비까지 국내 초순수 기업들이 단기간 내 기술 확보를 할 수 있도록 국가가 나서야 할 때이다”라고 강조했다.

남궁은 회장은 또한 “2021년부터 시작된 환경부의 초순수 생산 실증화 R&D 프로그램은 초순수 기술자립에 대한 희망의 싹을 심었다. 정부가 적극적인 산업정책으로 기업활동을 뒷받침하는 현재 글로벌 트랜드인 ‘기업+정부’ 연합 노력과 맞닿아 있다”라면서도 “하지만 조속한 기술자립과 선도를 위해서는 정부 지원의 규모와 폭을 넓혀가야 할 때”라고 피력했다.

한국초순수학회 설립

곽결호 총재(한국물포럼)는 축사를 통해 “지난 60년간 우리나라의 수자원 개발 및 상하수도 분야를 세계 최고 수준으로 끌어올린 기술력과 경험을 토대로 이제는 초순수 분야의 기술자립을 위해 물 분야 전문가들도 함께 참여해야 한다”라고 전했다.

이와 관련, 한국초순수학회는 수처리 기술의 최정점에 있는 초순수와 관련된 연구개발은 물론, 기술과 산업 발전, 그리고 인력 양성 및 지원을 통해 반도체 산업의 진흥에 이바지하고자 설립됐다. 그리고 초순수와 관련된 민·관·산·학·연 간의 긴밀한 협력과 소통의 중심 창구 역할을 하고자 한다. 또한, 이를 통해 대한민국이 물 기술 강국으로 도약하고 세계 물 시장에서 최첨단 수처리 기술 분야를 선도하는 노력을 함께 하고자 한다는 게 남궁은 회장(한국초순수학회)의 설명이다.

반도체 산업과 초순수

이날 이창한 한국반도체산업협회 상근부회장은 ‘반도체 산업과 초순수’라는 제목의 발제문을 발표했다. 그에 따르면 반도체 산업은 PC, 휴대폰, 스마트폰 등 IT 기기와 인터넷 발달과 함께 지속 성장했다.

최근 AI, 자율주행차, IoT, 클라우드 서비스 확대에 따라 향후 반도체 시장은 급성장이 전망된다. 2018년 이후 기계가 생산하는 데이터양이 인간이 생성하는 데이터양을 초과했으며, 2030년 글로벌 매출 1조 달러 달성이 전망된다. 미래 반도체 기술은 자율주행, 로봇, 스마트팩토리 등 AI 구현이 필요해지면서 정보수집, 초고속 정보처리, 초저전력 구현이 가능한 새로운 기술이 요구된다.

그리고 기업별 AI 전용 칩 개발, 인간 신경망 구조를 모방한 뉴로 모핑 칩 개발, 3D 패키징 기술개발 등 한계를 극복하기 위한 기술개발이 진행되고 있다.

그러나 2022년 하반기 반도체 시장은 글로벌 리스크에 따른 불확실성 확대로 예측이 불투명하다. 실제로 러시아와 우크라이나의 전쟁 장기화, 미국과 중국의 갈등 심화 등으로 글로벌 공급망의 불확실성이 확대됐다. 또한 중국의 도시 봉쇄와 금리 인상 및 인플레이션 우려 등으로 IT 기기 수요 감소가 예상된다. 2022년 반도체 시장은 전년 대비 9% 증가한 6399억 달러로 전망되고, 2020∼2025년간 연평균 10.3% 성장률이 전망된다.

2021년 기준 반도체 시장은 1위 미국이 약 50%를 점유하고 있고, 한국이 약 20%로 2위를 차지하고 있다. 또 반도체는 2013년부터 현재까지 두 자릿수 수출 비중을 차지하는 1위 수출품목이고, 2018년에는 국내 전체 수출액의 20% 이상(단일품목 기준 최초 1000억 달러 수출 달성)을 차지했다.

반도체 생산의 핵심소재 ‘물’

이창한 상근부회장은 “반도체 생산의 핵심소재는 물”이라며, 반도체와 물의 상관관계에 대해 전했다. 2019년 주요 반도체 공장의 하루 물 사용량은 삼성전자가 24만 톤/일(연간 9000만 톤), SK하이닉스가 19만 톤/일(연간 7000만 톤)이었다. 주요 반도체 공장(사업장) 하루 물 필요량은 삼성전자(기흥·화성, 평택 1·2·3·4·5·6기) 60∼70만 톤/일, SK하이닉스(이천, 청주M15, 용인) 60∼70만 톤)이다.

물 확보 실패에 따른 반도체 공장 중단 사례로는 대만 타이난시 TSMC 반도체 공장(대만이 56년 만에 최악의 가뭄으로 반도체 생산기지 용수난 발생, 타 산업계 농업 용수전환, 물탱크 트럭 물 공급 등 극복 노력, 반도체 생산 차질은 미발생), 미국 텍사스 오스틴 삼성전자 반도체 공장(미국 텍사스에 기록적인 한파로 용수 공급 중단 및 초순수 공정 미가동, 약 3∼4000억 원가량 손실 발생) 등이 소개됐다.

이창한 상근부회장은 또 “반도체 제조 과정 중 웨이퍼 제작, 전공정, 패키징 단계에서 웨이퍼 세정 작업에 다량의 물을 필요로 한다”라며 “이때 사용되는 물을 공업용수에서 불순물을 제거한 고순도 공업용수, ‘초순수’라고 한다”라고 전했다.

반도체 제조 단계에서 세정공정은 청정도 확보(나노미터의 초미세 공정 반도체는 미세한 먼지에도 민감하게 반응), 생산성 향상(불량을 최소화, 수율을 높이는 역할) 등을 위해 필요하다. ‘초순수’란 고도의 정제공정을 거쳐 물속에 포함된 불순물(이온, 유기물, 미생물, 미립자, 기체 등)들을 극히 낮은 수준으로 억제해 이론적인 순수에 근접시킨 물(전기전도도가 0에 가까움)이다.

국내 초순수 제조 현황

전 세계적으로 발전 부문의 순수(Pure Water) 시장규모가 42.5%로 가장 크지만, 국내는 반도체, LCD 등의 관련 산업 발달로 미세전자(65.5%) 분야 시장규모가 가장 크다. GWI Water Data(2021년)에 따르면 2024년 순수 시장규모는 세계 23조 1000억 원, 국내 1조 3400억 원(국내 반도체 분야 8000억 원)으로 예상된다.

K-Water(2011년)에 따르면 국내 고순도 공업용수 산업별 활용 비율은 반도체(초순수 40%, 순수 10%, 공업용수 50%), LED(초순수 40%, 순수 10%, 공업용수 50%), 태양광 패널(초순수 29%, 순수 10%, 공업용수 61%), Microelectronics(초순수 5%, 순수 10%, 공업용수 86%), 기타(순수 10%, 공업용수 90%) 등이다.

특히 국내 초순수 제조 현황은 설계 및 시공의 경우 일본 기업(쿠리타, 노무라)만이 플랜트를 설계하고, 국내 업체는 단순 시공만을 진행 중이다. 실제로 반도체 업종은 삼성전자의 경우 설계 및 주요부품을 쿠리타(일본 기업)가 담당하고, 시공은 범한정수(국내 업체)가 담당하고 있다.

SK하이닉스는 설계 및 주요부품을 쿠리타노무라(일본 기업)가 담당하고, 시공은 삼성ENG범한정수(국내 업체)가 담당하고 있다. LED 업종 역시 LG디스플레이의 경우 노무라(일본 기업)가 담당하고, 시공은 한성크린텍(국내 업체)이 담당하고 있다.

수 지원 필요성

운영도 역시 일본 기업(쿠리타, 노무라)의 기술지원을 받아 운영(SK1(이천/청주, 설계: 쿠리타/노무라, 운영: 자체/외부), SK2(이천, 설계: 쿠리타, 운영: 자체/외부), SK3(청주, 설계: 쿠리타, 운영: 자체/외부)하고 있다. 국내 초순수 생산설비(소재, 부품, 장비)의 대외 의존도도 매우 높다.

이창한 상근부회장은 “단위공정별 장치는 미국, 유럽의 경쟁 제품이 있으나 대체로 일본의 의존도가 절대적이다. 국산 제품은 성능확인이 미비하고, 품질 문제로 인해 현장 적용 실적이 없다”라며, 초순수 지원의 필요성을 강조했다. 이렇듯 반도체 등 고부가기차 산업에 필수재인 초순수 생산 인프라 구축-운영 전 과정에서 해외 의존도가 높아 기술 종속 탈피가 시급하다. 또한 무역 갈등 발생 등 초순수 공급에 차질이 있는 경우 수출의 20%를 차지하는 반도체 산업에 직접적인 피해가 우려되기에 국내 공급망 확보가 필요하다.

그리고 단위공정과 소재 국산화뿐만 아니라 전체 초순수 시스템에 대한 영향을 고려한 종합적 엔지니어링 기술개발이 필요하다. 최근 ‘국가 첨단 전략산업 경쟁력 및 보호에 관한 특별조치법’에 따라 국가 첨단 전략 기술을 1차로 지정(2022년 9∼10월)될 예정이며, 초순수 제조 분야 관련 전략 기술이 후보 기술로 지정되어, 검토가 진행 중이다.

이창한 상근부회장은 초순수 관련 상용화 전략의 예로 ▷국가 차원 지원체계(R&D, 예산, 표준화 등) 마련 ▷초순수 시스템의 종합적 엔지니어링 기술개발 확보 지원 ▷수요처와 장기간 검증평가를 통한 신뢰성 확보를 통한 초순수 산업의 활성화를 제안했다.

한편, 초순수 생산 과정은 규모에 따라 20∼30개의 복잡한 공정을 거쳐 만들어지며, 원수(Raw Water)로부터 순수 수준까지의 수질을 제조하는 ‘전처리 공정’ 및 ‘순수처리 공정’, 최종 단계인 ‘초순수 처리 공정’으로 구분할 수 있다.

초순수 국산화 추진

손옥주 환경부 수자원정책국장은 ‘초순수 현황 및 국산화 추진계획’에 대해 발표했다. 손옥주 국장은 “코로나 19에도 불구하고 초순수 시장은 꾸준히 증가하고 있다. 그리고 초순수 시장 증가 추세에 따른 국내 초순수 산업 강소기업을 육성할 필요가 있다”라며, 정부의 ‘초순수 생산 국산화 추진전략’에 대해 전했다.

이에 따르면 국내 초순수 산업의 시장규모는 2020년 약 1조 원에서 2024년 1조 3400억 원으로 증가할 것으로 추정되고, 연평균 성장률(CAGR)은 5.3%로 세계시장(3.0%)보다 더 빠르게 성장하고 있다.

그리고 ‘초순수 생산 국산화 추진전략’의 추진목표는 ‘초순수 생산 자립’과 ‘초순수 산업 강소기업 육성’으로 3개 전략(생산기술 국산화, 기술 경쟁력 제고, 물 기업 역량 강화)에 따라 9개 주요과제(핵심장비 국산화, 설계 시공 운영기술 국산화, 성능검증 체계 구축, 플랫폼센터 구축, 소·부·장 및 기술 연구개발 촉진, 수질분석 기술 확보, 기술 신뢰성 확보, 초순수 전문인력 양성, 초순수 분야 물 기업 육성 및 해외 진출 지원)가 추진된다. 이중 초순수 생산 국산화를 위한 R&D는 2021년부터 2025년까지 추진된다.

2024년까지 초순수 생산 핵심장비 3종(자외선산화, 탈기막, 이온교환수지)은 개발을 통해 국산화율 70%를 달성할 계획이다. 설계·시공·운영기술은 2025년까지 국산화를 달성할 계획이다. 성능검증 체계 구축은 성능평가 기반 구축(2021년), 평가방법 도출(2022년), 평가방법 최적화(2023년), 표준 및 인증제도화(2024년)가 추진된다.

손 국장은 “플랫폼센터 구축은 2030년까지 기술개발부터 검증 및 교육 기능 집적단지로 조성하고, 2030년부터 플랫폼센터를 활용한 소·부·장 기술개발 촉진과 기술개발부터 해외 진출까지 전주기 지원을 통한 스타 기업을 육성할 계획”이라고 전했다.

<국회=조혜영 기자>