김대현 경북대 교수 "738GHz 반도체 전자소자 개발, 6G 겨냥" 

Q. 5G가 아직 제대로 안온 것 같은데 6G 기술 이야기가 나오고 있다. "5G가 제대로 오지 않은 것 같다"라고 말한 것은 5G가 4G 대비 속도가 10배 정도 빨라질 것이란 이야기가 있었지만 아직 투자가 제대로 이뤄지지 않은 관계로, 체감할 수 있을 정도로 속도가 빨라지지 않은 것 같다. 이론상으로 어떠한가? 6G는 5G 보다 속도가 빨라질 것으로 예상되는데, 6G 기술은 왜 속도가 빨라지게 되는 것인가?

A. 5G는 2020년에 상용화됐다. 그 시점에서 진정한 5G 통신을 위한 모든 환경, 인프라가 갖춰지지 않은 상태에서 시연이 이뤄졌다. 선형적으로 발전하는 것이 아니라, 대부분의 반도체는 지수함수적으로 발전이 된다. 5G가 상용화된지 약 1년 정도 시간이 지난 상태다. 향후 2~3년 후면 일반 사람들이 5G에서 누려야하는 여러가지 성능의 향상을 피부로 받아들일 수 있는 시점이 올 것이다. 그 시점을 기다렸다가 완벽하게 구현하는 것이 일반적인 통신 시스템의 발전 방향이 아니었다. 그에 맞춰 여러가지 반도체, 반도체에 기반한 시스템, 시스템에 기반한 프로토콜의 개선이 이뤄지고 있다.

Q. 5G는 처리량이 빨라졌고, 지연성이 낮아졌고, 신뢰성은 높아졌다고 말한다. 사용하는 주파수가 소위 말하는 밀리미터웨이브, 한국에서는 28GHz를 쓴다. 미국이나 다른 지역에서는 30GHz 대역을 써야한다고 말을 한다. 대역폭이 높아지면 신호를 받아서 처리하는 반도체의 성능도 굉장히 높아져야 한다고 말한다. 맞습니까?

A. 정확하게 맞다. 빠른 신호를 처리하려면 처리의 기본은 칩이고, 칩의 기본은 반도체 소자다. 말씀하신 통신 신호들은 대부분 아날로그 형태로 이뤄진다. 전파로 아날로그 신호를 핸드폰으로 보내고, 핸드폰은 신호를 받게 된다. 이와 같은 신호를 보낼 때, 신호가 외부 요건에 의해 감소가 일어날 것을 감안해서 강력한 신호(증폭)로 보낸다. 잡음을 받더라도 잡음을 최소화해서 나중에 복원하기 용이하게 한다. 핸드폰에서 수신하는 신호들도 여러 요인에 의해 왜곡될 수 있다. 엘리베이터 안에 있으면 더 왜곡이 된다. 이 때 왜곡을 최소화하도록 신호를 복원시켜주는 시스템이 수신기의 핵심이다. 

Q. 지금 4G LTE를 썼을 때 몇 기가헤르츠 대역 또는 몇백 기가헤르츠 대역도 있는 것 같다. 지금 5G로 넘어가서 밀리미터웨이브가 제대로 작동되어야 한다. 핸드폰에서도 통신이 원활하게 작동되려면 반도체의 성능이 어느정도 되어야 합니까?

A. 처리하는 통신 신호의 주파수에 따라서 그 주파수를 처리하는 반도체의 핵심 트랜지스터의 성능 요구사항이 잠정적으로 결정될 수 있다. 통상적으로 통신하는 신호 대비 최소 2배 이상 빠른 동작속도를 갖는 트랜지스터가 기본적으로 필요하다. 

Q. 지금 28GHz라면 2배 이상이 되어야 한다는 말이네요. 지금 이야기한 통신용 반도체라는 것은 구체적으로 스마트폰에 들어가는 어떤 칩을 말하는 겁니까? 

A. 스마트폰 안에 보면 송수신 모듈이 있다. 실리콘 재료에 기반한 트랜지스터, 그 트랜지스터에 기반한 RF칩이 아니다. 100%는 아니지만 아주 저가형 핸드폰이 아닌 대부분의 핸드폰에는 화학물 반도체인 갈륨아세나이드(GaAs)에 기반한 여러가지 트랜지스터가 사용된다. 트랜지스터에 의한 저자극 증폭기, 여러가지 채널을 선택적으로 나누게 되는 스위칭 IC 그리고 신호를 보낼 때 핵심이 되는 전력증폭기(파워엠프)의 코어가 되는 반도체를 화학물 반도체인 갈륨아세나이드로 만들어지고 있다. 

Q. 그 칩의 성능이 28GHz 대역을 쓴다면, 그 칩들은 최소 56GHz가 되어야 된다는 이야기이군요. 그런 칩들은 퀄컴과 같은 통신칩 업체들이 잘 만들지 않나? 

A. 맞다. 퀄컴은 설계에서 시스템 레벨로 특수한 목적에 맞게끔 정교한 사양의 칩들을 잘 설계하고 구현하고 평가한다. 즉, 실제 핸드폰에 들어가는 모듈로 판매하는 업체다. 설계한 것을 직접적으로 만드는 곳은 파운드리 비즈니스다. 실리콘 파운드리에서는 삼성과 TSMC가 경쟁하는데, TSMC가 여전히 50% 이상 여전히 시장점유율을 차지하고 있다. 삼성이 10%대를 차지한다. 삼성전자가 빨리 점유율을 따라잡았으면 하는 것이 모든 한국인의 기대사항이다. 

Q. 화학물 반도체라면 전력반도체, 통신반도체 등 여러가지 반도체에 대한 파운드리 서비스를 해주는 겁니까?

A. 맞다. 애플에게도 공급하며 가장 RF칩을 많이 만드는 스카이웍스가 대표적이다. 스카이웍스는 갈륨아세나이드 기반의 칩을 자체 팹에서 생산하기도 하고, 윈세미컨덕터와 같은 외주 파운드리에게 생산을 맡기기도 한다. 또는 외주를 통해 사전에 여러가지 테스팅의 목적으로 생산하기도 한다. 

Q. 화학물 반도체 시장이 앞으로 유망한가 보네요? 

A. 화학물 반도체는 70년 후반, 80년대초 실리콘 시모스가 개발된 시점부터 오랫동안 연구돼 왔다. 가장 핵심은 갈륨아세나이드는 실리콘 대비 물질의 에너지 밴드갭이 약 20% 더 크고, 전자가 이동할 때 이동 속도가 실리콘 보다 최소 3배 이상 빠르다는 점이다. 

Q. 밴드갭이 넓다는 것은 어떤 이점이 있습니까?

A. 밴드갭은 반도체 크리스탈 내에서 전자들이 모일 수 있는 에너지 공간들을 에너지 레벨이라고 말한다. 여러가지 에너지 레벨이 존재하는데 전자가 채워진 가장 높은 에너지의 위치를 밸런스 밴드라고 말한다. 이는 전자가 완벽하게 채워진 층이다. 그 위에 전자가 채워지지 않은 층을 컨덕션 밴드라고 말한다. 컨덕션 밴드는 실제로 반도체를 전자부품으로 썼을 때 전자들이 이동하는 통로다. 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드의 에너지 차이를 밴드갭이라고 말한다. 

Q. 갈륨나이트라이드가 많이 쓰이고 있지요. 전력 반도체 쪽에서는 실리콘카바이드(SiC)도 많이 쓰인다고 알고 있습니다. 

A. 네. SiC 기반과 GaN 기반의 칩은 두가지 차이점이 있다. SiC가 통상적으로 하이파워쪽으로 열이 많이 나고, 높은 온도, 고전압 동작에서 유리하다. 고출력을 하면서 빠르게 이동할 때는 GaN가 유리한 것으로 알려져 있다.

Q. 밴드갭이 높고, 전자이동도가 빨라야 좀 더 좋은 특성에 반도체를 만들 수 있다고 이해하면 되는 겁니까?

A. 맞다. 여러가지 반도체 물질중에서 실리콘을 제외한 여러 형태의 반도체를 총칭해서 화학물 반도체라고 부른다. 화학물 반도체의 물질적인 특징은 밴드갭이 작으면 작을수록 전자 이동도가 빠른 특징을 갖고 있다. 근본적으로는 밴드갭이 크면서 전자 이동도를 높일 수 있는 것은 한계가 있다. 그 중에서 특수한 GaN 재료들은 피에조 일렉트릭 효과를 이용해서 전자 이동도를 실리콘 대비 향상시킬 수 있다. 동시에 밴드갭 증가의 장점을 가지고 있다. 

Q. 이것은 어떻게 하는 것 입니까? 약물을 주입하는 겁니까? 

A. 약물 주입이 아니라 물질 자체에 극성에 차이로 인해서 외부적으로 자연적인 전개가 발생하게 된다. 그 전개에 의해서 우리가 도핑을 하지 않더라도(불순물을 넣지 않더라도) 컨덕션 밴드의 전자의 양을 높일 수 있는 장점을 갖고 있다. 이것들로 인해 최종적으로 전자이동도가 높으면서 밴드갭도 높아질 수 있다. 

Q. 통신에서는 실리콘이 아니고 화학물 반도체를 사용하는 이유가 있군요.

A. 맞다. 이런 이유를 갖고 발전했다. 실리콘에서 원하는 방향은 모든 반도체 칩들의 구현을 실리콘 기판 위에서 하기를 바란다. 그래야 직접파 측면에서 유리하고, 가격 측면에서 경쟁력 있고, 성능까지 담보하기를 원하는 것이기 때문이다. 이제 실리콘 하나로 모든 것을 하기에는 제약이 있다. 새로운 물질을 성장하는 것을 '에피'라고 말한다. 에피 관점에서는 완전히 다른 물질로 성장하기에는 근본적인 제약이 있다.

Q. 5G가 향후 몇 년 내에 우리가 소위 이야기하는 LTE 보다 10배 빠른 속도를 내는 통신 서비스가 될 것으로 예상된다. 다음으로 6G까지 이야기가 나오고 있다. 6G로 가면 진정한 5G 대비 통신속도가 10배 빨라질 것으로 이야기된다. 이것도 주파수가 바뀌는 겁니까? 더 높은 대역을 쓰는 겁니까? 

A. 맞다. 5G와 같은 주파수를 쓴다고 하면 여러가지 시스템 프로토콜의 최적화를 통해서 속도의 향상을 가져올 수 있다. 마진을 10%까지 어떻게 보면 가능하다. 그러나 데이터양의 10배 이상의 향상을 구현하려면 근본적으로 동작하는 주파수 대역이 높아져야 한다. 

Q. 어느 정도 높아져야 합니까? 

A. 5G는 28GHz, 26GHz, 나라마다 다르지만 40GHz를 선호하는 곳도 있다. 나라마다 다른 주파수를 쓰는 특수함 때문에 달라지게 된다. 밀리미터파 대역 이상의 주파수를 보면 여러가지 주파수 대역이 있다. 현재는 275GHz 대역까지는 사용할 수 있는 주파수 영역이 이미 다양한 목적에 할당되어 있다. 대부분 군사용으로 쓰인다. 

Q. 200GHz까지 주파수를 군사용으로 쓰고 있다면, 군사용 반도체는 굉장히 성능이 좋겠네요? 

A. 성능뿐 아니라 전문적으로 감도(센서티비티)가 더 좋다. 국방에서는 극한환경에서도 정교한 신호를 상대편이 모르는 상태에서 커뮤니케이션하기를 원한다. 이를 위해서 내가 보안이 되는 신호를 보냈을 때 잡음이 끼더라도 정교하게 읽을 수 있어야 한다. 동시에 상대편이 주파수 대역의 신호가 전파된다고 인지하더라도 해석이 어렵게 해야한다. 그 신호를 만들기 위해서는 시스템의 반도체의 성능이 첫번째 핵심이다. 두번째는 시스템 구현이다.

Q. 우리가 전쟁 영화를 보면 어디가서 전화기로 커뮤니케이션을 하는데, 이런 시스템의 칩은 누가 주로 만드나? 

A. 예전에 전투기를 보면 대부분이 미국의 국방회사에서 만든 반도체 칩들이다. 

Q. 일반 민간 기업이 만드는 것이 아닌가 보죠?  

A. 요즘은 민간으로 넘어와서 민간 기업들이 주관한다. 그러나 제품을 만들 때 어느정도의 규제를받으면서 만들고 있는 것으로 알고 있다. 보행사도 일반 비행기를 만들지만 전투용 비행기에 대해서는 별도로 만든다. 

Q. 우리가 우주로 보내는 허블 망원경은 굉장히 멀리 있는데도 계속 사진을 찍어서 보내준다. 여기에 쓰이는 통신용 반도체도 고성능으로 만들어지는 것인가? 몇십년 전에 만들어졌는데도 멀리에서도 잘 작동되고 있다. 군사 분야나 과학 기술이 굉장히 잘 발전돼 있다고 보면 되나?

A. 맞다. 화학물 반도체에 기반한 칩셋들이 단순히 성능이 좋은 것 뿐 아니라 중요한 것은 국방에서 검증이 된 부품들이다. 전문적으로 '스페이스퀄리파이티'라고 부른다. 스마트폰이 개발되면서 RF부품들도 검증된 상태다. 

Q. 다시 6G로 이야기 하자면, 300GHz로 간다고 하면 속도가 지금보다 10배 정도 높아지게 된다. 이를 초고주파수라고 부르면 되나? 

A. 밀리미터파를 통상적으로 초고주파 대역. 그 이상의 밀리미터파 대역 보다 파장이 더 짧아진 것을 영어로는 '서브밀리미터웨이브'라고 부른다. 한국말로는 '급초고주파 대역'이라고 부른다.

Q. 28GHz 주파수에서 통신을 원활하게 하려면 2배 이상의 성능이 확보가 되어야 한다고 했다. 6G에서도 성능이 2배 이상 되어야 하는 것인가? 

A. 최소 2배 이상이다. 시스템의 성능 향상과 감도 향상을 위해서는 그 이상의 속도를 갖는 트랜지스터가 필요하다. 

Q. 오늘 교수님을 모신 것은 작년 12월 18일에 국제반도체소자학회(IEDM)에서 고속으로 데이터를 처리할 수 있는 새로운 통신 소자를 개발하셨다고 해서다. 어느 정도의 속도로 개선했나? 

A. 연구진과 대학원생 친구들과 제가 작년 12월달에 발표한 연구 성과는 동작 속도를 결정하는 차단 주파수(fT)가 빠른 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 개발한 것이다. 빠른 동작 속도를 갖는 소자 결과를 발표했다. 이 때 트랜지스터에서 중요한 정량 지표가 속도를 결정하는 주파수인 컷오프프리퀀시가 738GHz다. 이는 기존에 발표되었던 700GHz 대비 대략 30GHz 이상 빠른 특성을 가지고 있다. 

Q. 6G가되면 300GHz를 사용한다고 했는데, 738GHz라면 이미 2배 이상 속도가 완벽하게 개발되어 있는 거네요? 

A. 그러나 실제적으로는 트랜지스터에서 여러가지 정량 지표가 있다. 속도를 결정하는 차단 주파수가 중요하고, 속도를 내기 위해서는 로직이 중요하지만, 게이트에 누설 전류가 얼마나 있냐가 중요하다. 실제로 아날로그 신호를 처리할 때 잡음지수를 결정하게 된다. 누설전류가 최소화된 상태, 차단주파수 뿐아니라 실제로 증폭기로 쓸려고 했을때, 발진할 수 있는 주파수가 있는데 이런 여러가지 요소로 인해 최적화된 반도체 소자로 각광을 받은 것 같다. 

Q. 재료를 실리콘이 아닌 다른 소자를 쓰신거죠? 

A. 그렇다. 우리는 실리콘 보다 전자 이동도가 뛰어난 터너리 물질을 썼다. 터너리 반도체는 3가지 반도체 재료가 합성된 물질이다. 인듐, 겔륨, 아세나이드를 썼다. 인듐과 겔륨이 3족, 아세나이드가 5족이 사용됐다. 인듐, 겔륨, 아세나이드에 기반한 반도체를 사용했다. 

Q. 실리콘 기반의 반도체의 성능을 높일 때 동일 면적에 트랜지스터를 많이 넣고, 전류가 흐르고 끊고, 흐르고 끊고 하는 것을 빠르게 해서 성능을 높인다. 교수님의 연구팀이 하신 것은 재료를 바꾸면서 이런 것들도 구현했다는 것이지요? 

A. 맞다. 소자 설계, 소자가 설계된 것을 실현하기 위한 직접화, 직접화를 위한 단일 공정 개발을 종합적으로 해서 얻은 결과다. 일반적으로 알려진 반도체 분야는 로직, 메모리 두가지가 큰 축이다. 통신 소자에서는 디지털 신호가 아닌 아날로그 형태의 신호를 처리할 수 있는 반도체 부품으로 구현된다. 

Q. 아날로그 신호라는 것은 전파를 의미하는 것인가?

A. 예전에는 디지털 신호를 전파로 보내기도 했다. 주파수가 올라가게 되면 빠른 신호에서는 여러가지 디지털 신호가 변할 때 존재하는 주파수 도메인dml 하모닉스가 묻어나게 된다. 이 때문에 모든 하모닉스들이 통신에서 정교하게 커뮤니케이션 하기에는 근본적으로 불가능하다. 

Q. 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 전자소자는 통신 말고도 다른 영역으로도 활용될 수 있습니까? 

A. 그렇다. HEMT는 실리콘의 모스펫에 동등한 화학물 반도체 소자의 아키텍처다. 두가지가 서로 다른 것은 아니다. 사용되는 채널이 실리콘이 아닌 화학물로 이뤄진 점만 다르고, 기본적인 동작은 동일하다. 이런 HEMT 소자는 천문 관측소에 가면 동그란 DC가 크게 있다. 이것이 멀리서 오는 미세한 신호를 받아들이고, 여러가지 형태의 신호를 해석은 '저자극 증폭기'라는 칩을 통해서 이뤄진다. 

Q. 기존의 가장 빠른 속도가 700GHz였다. 이 논문은 그 속도를 넘어섰기 때문에 학계에서 주목받은 것 같다. 

A. 700GHz에서 약 30GHz 성능 향상은 비율로 보면 얼마 안되는 것처럼 보일 것이다. 700GHz 성능 결과는 10년전에 대만의 연구진으로부터 발표된 기술이다. 앞서 제가 미국 IBM에 있을 때 688GHz를 발표한 바 있다. 이 때도 그 전 기록으로부터 7~8년 후에 개발된 기술이었다. 그 후 2~3년 뒤에 대만 연구진이 발표한 것이고, 그 다음 10년 뒤에 우리가 세계 신기록을 달성한 것이다. 이 결과는 비율로 보면 얼마 안되지만 주파수를 30GHz 향상시키는 것은 절대로 쉬운 일이 아니다. 

Q. 6G가 상용화되면 기본적으로 일반 민간 단말기에 들어가는 RF용 칩도 이정도는 만족되어야 한다는 의미인가? 

A. 언제가 될지 모르지만, 예측하자면 최소 10년뒤에 그와 같은 주파수를 처리할 수 있는 통신 칩들이 핸드폰 단말기에 들어갈 것이다. 이것들이 진정한 성능을 내기까지 몇 년의 시간이 더 걸릴 것이다. 그 안정화 기간이 지나면 진정한 300GHz 대역에서 다양한 혜택과 장점을 보여주는 텔레커뮤니케이션이 이뤄질 수 있을 것이다.