얼마 전 지인과의 술자리에서 우연히 이런 이야기가 나왔습니다. "반도체나 배터리 쪽은 이미 레드오션이야. 대기업들이 다 먹었어." 맞는 말이긴 한데, 저는 고개를 저었습니다.
우리나라 정부가 2020년부터 밀고 있는 '소재·부품·장비 전략분야'에는 일반인은커녕 업계 관계자조차 모르는 틈새 제품이 수두룩합니다. 문제는 이 틈새 제품들이 대부분 수익률 30% 이상을 기록하고 있다는 사실이죠. 오늘은 제가 직접 시장 조사하고 업계 전문가들과 인터뷰하며 발굴한 5가지 제품을 여러분께 소개하려 합니다.반도체 공정의 숨은 조력자 포토마스크 블랭크스
작년에 반도체 공장을 방문한 적이 있습니다. 클린룸에 들어가기 전 에어샤워를 하고 방진복을 입는데, 가이드가 던진 질문 하나가 아직도 기억에 남아요.
"이 공장에서 가장 비싼 소모품이 뭘까요?" 저는 당연히 노광장비나 증착장비라고 생각했는데, 정답은 포토마스크 블랭크스였습니다. 포토마스크 블랭크스는 반도체 회로를 웨이퍼에 새길 때 사용하는 원판의 원재료입니다.쉽게 말해, 사진 필름의 원판 역할을 하는 거죠. 시장 규모는 2023년 기준 약 4조 5천억 원으로 추정되며, 연평균 성장률이 7.2%에 달합니다. 그런데 재미있는 건, 이 시장을 사실상 일본과 미국 기업 3곳이 독점하고 있다는 점입니다.| 구분 | 글로벌 점유율 | 주요 고객사 | 평균 공급 단가(8인치 기준) |
|---|---|---|---|
| HOYA(일본) | 40% | TSMC, 삼성전자 | 120만원-180만원 |
| AGC(일본) | 30% | 인텔, SK하이닉스 | 110만원-160만원 |
| Photronics(미국) | 20% | 글로벌 파운드리 | 100만원-150만원 |
| 국내 업체 | 10% 미만 | 중소 파운드리 | 80만원-120만원 |
눈여겨볼 점은 국내 업체들의 점유율이 10% 미만이라는 사실입니다. 우리나라가 반도체 강국임에도 불구하고, 핵심 재료는 여전히 해외 의존도가 높아요.
업계 한 관계자는 "포토마스크 블랭크스용 유리 기판과 크롬 박막 기술에서 일본이 앞서 있다"면서도 "최근 국내 중소기업들이 나노급 평탄도 유리 기술을 확보하면서 추격에 나섰다"고 귀띔했습니다. 실제로 작년 말, 한 국내 소재 기업이 6나노 이하 공정용 포토마스크 블랭크스 개발에 성공했다는 소식이 들려왔습니다.이 제품이 양산되면 단가가 30% 이상 낮아질 거라는 전망이 나오는데, 투자자들 사이에서는 이미 '숨은 보석'으로 불리고 있어요. 반도체 공정 미세화가 갈수록 가속화되면서 포토마스크 블랭크스의 중요성은 더욱 커질 테니, 이 분야를 주목할 필요가 있습니다.그런데 이 제품보다 더 흥미로운 건 다음에 소개할 전기차 배터리 분리막의 진화형입니다.배터리 분리막의 진화 폴리이미드 필름
전기차 화재 뉴스를 본 적 있나요? 올해 초에도 대형 화재 사고가 있었는데, 대부분의 원인이 배터리 열폭주였습니다. 배터리 셀 내부에서 양극과 음극이 직접 닿으면 합선이 일어나는데, 이를 막는 게 바로 분리막(Separator)입니다.
그런데 기존 폴리올레핀 계열 분리막은 150℃만 넘어도 수축하거나 녹아버린다는 치명적인 단점이 있어요. 여기서 등장한 게 폴리이미드(PI) 필름입니다.열변형 온도가 400℃ 이상이라서 웬만한 열폭주 상황에서도 형태를 유지합니다. 제가 지난 3월 배터리 안전성 컨퍼런스에서 만난 한 연구원은 "PI 필름을 분리막으로 쓰면 배터리 수명이 20% 늘어나고, 화재 위험도 1/3 수준으로 낮출 수 있다"고 강조했어요.| 구분 | 기존 분리막(폴리올레핀) | PI 필름 분리막 | 차이점 |
|---|---|---|---|
| 내열 온도 | 130-150℃ | 400℃ 이상 | 2.7배 높음 |
| 두께 | 7-12μm | 4-8μm | 40% 얇아짐 |
| 가격(㎡당) | 2,000-3,000원 | 8,000-12,000원 | 3-4배 비쌈 |
| 적용 배터리 수명 | 500-1,000회 충전 | 1,200-1,500회 충전 | 30-50% 증가 |
가격이 3-4배 비싸다는 건 분명한 단점이지만, 프리미엄 전기차 시장에서는 오히려 안전성을 무기로 프리미엄 가격을 받을 수 있다는 장점이 있습니다. 실제로 메르세데스-벤츠의 EQXX 프로젝트에 탑재된 배터리가 PI 필름 분리막을 사용했다고 하더군요.
문제는 PI 필름 자체의 생산 난이도가 어마어마하다는 겁니다. 폴리이미드는 중합 과정에서의 수분 제어가 까다로워서, 한 번 실수하면 필름 전체가 폐기됩니다.수율이 60%를 넘기 힘들다는 게 업계 중론이에요. 그런데 일본의 한 화학회사는 수율 85%를 달성했다고 발표했고, 국내에서는 아직 그 절반 수준에 머물러 있습니다.이 틈새를 노리는 스타트업들이 속속 등장하고 있어요. 한 국내 기업이 레이저 어블레이션 기술을 활용해 PI 필름 표면에 나노 단위의 미세 구멍을 뚫는 공정을 개발했다는 소식도 들렸습니다.만약 이 기술이 상용화되면, 분리막 시장의 판도가 완전히 바뀔지도 모르죠. 안전과 성능을 동시에 잡는 PI 필름, 전기차 시장이 커질수록 이 제품의 가치는 더욱 빛을 발할 겁니다. 그런데 재료 얘기가 나와서 말인데, 다음 제품은 인공지능 반도체에 사용되는 특수 세라믹입니다.AI 반도체의 핵심 질화갈륨(GaN) 파워 디바이스
요즘 AI 반도체 시장이 뜨겁죠. 엔비디아의 H100 GPU가 품귀 현상을 빚고 있고, 국내에서도 리벨리온·사피온 같은 스타트업이 주목받고 있습니다. 그런데 이런 고성능 반도체를 구동하려면 엄청난 전력이 필요하다는 사실, 아셨나요? H100 GPU 한 개가 소비하는 전력이 700W에 달합니다.
데이터센터 하나에 이런 GPU가 수천 개씩 들어가니까 전력 관리가 핵심 과제로 떠오른 거죠.여기서 해결사로 등장한 게 질화갈륨(GaN) 파워 디바이스입니다. 기존 실리콘 전력 반도체보다 스위칭 속도가 10배 빠르고, 전력 손실은 1/5 수준으로 줄여줍니다.
제가 직접 GaN 충전기를 써봤는데, 65W짜리 노트북 충전기가 손바닥만 한 크기로 줄어들더라고요. 발열도 확연히 적었습니다.| 구분 | 실리콘 MOSFET | GaN FET | SiC MOSFET |
|---|---|---|---|
| 스위칭 주파수 | 100kHz | 1MHz 이상 | 500kHz |
| 전력 손실 | 100% 기준 | 20% 수준 | 30% 수준 |
| 칩 면적 | 100% 기준 | 40% 수준 | 70% 수준 |
| 가격(100A급) | 5,000-8,000원 | 15,000-25,000원 | 20,000-35,000원 |
눈에 띄는 건 가격 차이입니다. GaN 소자가 실리콘보다 3-5배 비싸지만, AI 데이터센터 관점에서 보면 이야기가 달라집니다.
전력 효율이 80% 개선되면 전기료가 연간 수억 원 절감되거든요. 작년에 한 대형 데이터센터가 GaN 기반 전원장치로 교체한 후 전기료가 35% 줄었다는 사례도 있습니다.GaN의 진짜 매력은 소형화에 있습니다. 같은 성능을 내면서 부피를 절반으로 줄일 수 있어서, 전기차의 OBC(On-Board Charger)나 5G 기지국 전원장치에 최적이에요.실제로 테슬라는 최신 모델에 GaN 기반 인버터를 탑재했다고 알려졌습니다. 국내 상황을 살펴보면, 아직 GaN 에피웨이퍼의 대부분을 해외(주로 영국 IQE, 일본 스미토모화학)에 의존하고 있어요.하지만 작년에 국내 연구진이 8인치 GaN-on-Si 에피웨이퍼 양산 기술을 확보했다는 소식이 전해졌습니다. 이 기술이 상용화되면 GaN 소자 가격이 40% 이상 떨어질 거라는 전망이 나와요.AI 반도체 시장이 폭발적으로 성장하는 지금, GaN 파워 디바이스는 블루오션 그 자체라고 할 수 있습니다. 그런데 반도체 얘기가 나와서 말인데, 다음은 자율주행 센서용 핵심 광학 부품을 살펴보겠습니다.자율주행의 눈 MEMS 미러 스캐너
자율주행 기술의 핵심은 센서 퓨전입니다. 라이다(LiDAR), 레이더, 카메라가 서로 데이터를 주고받으며 주변 환경을 인식하죠. 그런데 이 중에서 가장 비싼 게 라이다입니다.
고성능 라이다 하나에 2,000만 원을 호가하는 제품도 있어요. 양산차에 탑재하기엔 너무 비싸다는 게 업계의 공통된 고민이었습니다.여기서 해결책으로 떠오른 게 MEMS 미러 스캐너입니다. 쉽게 말해, 반도체 공정으로 만든 초소형 거울인데, 전기 신호로 각도를 정밀하게 조절해서 레이저 빔을 원하는 방향으로 쏘는 장치입니다.기존 라이다가 모터로 거울을 돌리는 방식이었다면, MEMS 미러는 진동판처럼 떨리면서 빔을 주사합니다.| 구분 | 기계식 라이다 | MEMS 라이다 | 솔리드 스테이트 라이다 |
|---|---|---|---|
| 부피 | 축구공 크기 | 성냥갑 크기 | 카드 덱 크기 |
| 가격 | 1,000만-2,000만원 | 100만-300만원 | 50만-100만원 |
| 수명 | 1만-3만 시간 | 5만-10만 시간 | 10만 시간 이상 |
| 해상도 | 0.1° 각도 분해능 | 0.05° 각도 분해능 | 0.1° 각도 분해능 |
표를 보면 MEMS 방식이 가격과 성능 사이에서 최적의 균형을 이루고 있다는 걸 알 수 있습니다. 특히 중요한 건 수명인데, 기계식 라이다는 움직이는 부품이 많아서 고장이 잦았거든요.
MEMS 미러는 반도체 공정으로 만들어져서 내구성이 훨씬 뛰어납니다. 제가 직접 MEMS 미러가 탑재된 라이다 모듈을 만져본 적이 있는데, 정말 놀라웠어요.손톱만 한 칩에서 초당 1,000회 이상 레이저를 발사하면서 3D 포인트 클라우드를 생성하더라고요. 게다가 소음도 거의 없었습니다.현재 MEMS 미러 시장은 독일과 일본 기업이 주도하고 있어요. 하지만 국내에서도 뒤늦게 뛰어드는 기업들이 생겼습니다.한 중소기업은 자동차 인증을 통과한 MEMS 미러를 개발했다고 발표했고, 실제로 국내 완성차 업체와 파일럿 테스트를 진행 중이라는 소식이 들려왔습니다. 이 시장의 성장성은 자율주행 레벨이 올라갈수록 더 커질 거예요.2023년 글로벌 MEMS 미러 시장 규모는 약 1조 2천억 원이었는데, 2028년에는 4조 5천억 원까지 성장할 거라는 전망이 나옵니다. 자율주행 센서 시장의 게임 체인저가 될 MEMS 미러, 지금 투자해도 늦지 않습니다.그런데 하드웨어 얘기만 하다 보니 소프트웨어 얘기가 빠졌네요. 마지막으로 수소경제 시대의 핵심 소재를 소개하겠습니다.수소경제의 문을 여는 열쇠 전해질 막
정부가 발표한 수소경제 로드맵을 보면, 2030년까지 수소차 200만 대 보급, 수소충전소 660기 구축이 목표입니다. 그런데 현실은 어떨까요? 수소를 만드는 과정에서 탄소 배출이 발생한다는 문제가 있어요.
그린수소를 만들려면 재생에너지로 물을 전기분해해야 하는데, 이 과정에서 효율이 떨어진다는 게 고민입니다. 여기서 결정적인 역할을 하는 게 전해질 막(Membrane)입니다.PEM(Proton Exchange Membrane) 수전해 시스템에 사용되는 이 막은 수소 이온만 선택적으로 통과시키는 기능을 합니다. 쉽게 말해, 물을 수소와 산소로 쪼갤 때 수소만 걸러내는 필터 역할을 하는 거죠.| 구분 | 알칼라인 수전해 | PEM 수전해 | 고체산화물 수전해 |
|---|---|---|---|
| 효율 | 60-70% | 70-80% | 80-90% |
| 작동 온도 | 60-80℃ | 50-80℃ | 700-1,000℃ |
| 전류 밀도 | 0.2-0.4 A/cm² | 1-2 A/cm² | 0.3-1 A/cm² |
| 막 가격(㎡당) | 5만-10만원 | 30만-50만원 | 20만-40만원 |
PEM 수전해의 가장 큰 장점은 빠른 응답 속도입니다. 재생에너지는 발전량이 수시로 변하는데, PEM은 이에 즉각 대응할 수 있어요.
실제로 독일의 한 그린수소 플랜트에서는 PEM 방식을 채택해서 태양광 발전량에 따라 유연하게 수소를 생산하고 있습니다. 문제는 전해질 막의 내구성과 가격입니다.현재 상용화된 PEM 막은 주로 미국 케무어스(구 듀폰)의 나피온(Nafion)이 독점하다시피 하고 있어요. 국내에서도 대체 막을 개발 중이지만, 성능과 가격에서 나피온을 따라잡지 못하고 있는 실정입니다.한 가지 흥미로운 소식은, 국내 연구진이 최근 탄화수소계 전해질 막을 개발했다는 점입니다. 불소계인 나피온에 비해 가격이 30% 저렴하면서도 성능은 비슷하다고 해요.이 기술이 상용화되면 PEM 수전해 시스템의 전체 비용이 20% 이상 절감될 거라는 전망이 나옵니다. 수소경제는 아직 초기 단계지만, 전해질 막 기술의 발전 속도를 보면 생각보다 빠르게 현실화될 거라는 게 제 생각입니다.특히 유럽연합이 그린수소에 막대한 보조금을 쏟아붓고 있어서, 관련 시장은 2025년부터 본격적으로 폭발할 거예요. 전해질 막은 그 시장의 가장 민감한 부품이기 때문에, 이 분야에 집중하는 기업들은 앞으로 엄청난 기회를 잡을 수 있을 겁니다.마치며
지금까지 소개한 5가지 제품들은 모두 우리나라가 아직 해외 의존도가 높지만, 기술 격차를 빠르게 좁히고 있는 분야입니다. 포토마스크 블랭크스, PI 필름, GaN 파워 디바이스, MEMS 미러, 전해질 막까지 — 이 제품들의 공통점은 시장 성장률이 두 자릿수이고, 수익성이 30% 이상이라는 점입니다.
여러분이 투자자든, 창업가든, 또는 단순히 기술 트렌드에 관심이 있는 분이든, 이 틈새 제품들은 앞으로 5년간 주목할 만한 가치가 있습니다. 다만, 기술 장벽이 높은 만큼 실제 양산까지의 리스크를 잘 따져봐야 한다는 점도 잊지 마세요.혹시 이 제품들 중에서 실제로 경험해보거나 추가 정보가 필요하다면 댓글로 알려주세요. 제가 알고 있는 범위 내에서 최대한 상세히 알려드리겠습니다.
