[김대호 진단] AI 반도체 기업열전 ⑩ ASML … 극자외선 노광장비(EUV) 독점

하청을 받는 을 이지만 갑보다도 더 센 을이 있다. 갑보다 더 센 을의 대명사로 ASML을 꼽을 수 있다. 그 ASML이 한국을 콕 집어 "꽝" 직격탄을 날렸다. ASML은 최근 공개한 연례보고서에서 “네덜란드와 미국에선 100% 재생에너지 사용을 달성했지만한국 반도체 기업은 여전히 어려움을 겪고 있다”고 밝혔다. 대만에 대해서는 TSMC 등 기업들이 일부 진전했다고 진전했다. 구체적으로는 “대만 반도체 기업들이 재생에너지 전력구매계약(PPA)을 체결한 만큼 2025년까지 연간 16kt의 탄소배출량 감축 목표를 달성하는 데 도움이 될 것”이라고 밝힌 것이다. ASML 은 그러면서 "한국에선 아직 어려움이 많다”고 했다. 삼성전자, SK하이닉스 등 국내 기업에 신재생에너지 활용률을 높일 것을 촉구한 것으로 해석되는 대목이다. L
애플은 2020년에 “10년 내로 제품 공급망 전반에서 탄소중립을 달성하겠다”고 밝혔다. 2030년까지 탄소 배출을 75% 줄이고, 혁신적인 탄소 제거 솔루션을 개발해 나머지 25%를 감축하겠다는 계획이다. 애플은 2021년엔 “기업들의 스코프3 배출량 공시 의무화를 촉구한다”는 성명을 발표하기도 했다. 애플의 아이폰 등에 패널을 공급하는 삼성디스플레이, LG디스플레이 등 국내 기업들도 ‘스코프3 규율’의 영향권에 들 수밖에 없다는 얘기다.

반도체 업계의 '슈퍼 을(乙)'인 네덜란드 반도체 장비업체 ASML도 연차 보고서에서 "우리는 신뢰할 수 있는 재생에너지 전력이 거의 없는 한국에서 계속해서 어려움에 직면하고 있다"고 지적하고 있다. ASML은 2040년까지 고객 업체들을 포함한 모든 생산 과정에서 넷제로를 달성한다는 계획이다. 원전 없이 신재생에너지로만 이를 달성하겠다는 목표를 제시했다. 우리나라는 재생에너지 조달이 힘든데도 RE100 회원사 중 전력 소비가 가장 많은 기업의 본사 소재지이기도 하다. 2022년 말 기준 RE100을 선언한 한국 기업은 31개로 집계됐다. 그중 삼성전자[005930], 현대자동차[005380], KT[030200], 삼성디스플레이 등이 2022년에 신규 가입했다. 롯데웰푸드, 삼성화재[000810], 삼성생명[032830]은 지난해에 참여를 선언했다.

2022년에 새로 RE100에 가입한 기업 중 전력 소비가 가장 많은 10곳 기업 중 7곳이 한국 기업이었고 이들의 연간 전력 사용량은 28TWh에 이른다고 보고서는 지적했다. 한국전력에 따르면 삼성전자는 국내에서 전력 사용량이 가장 많은 기업으로, 2022년 기준 2~5위 기업들이 사용한 전력을 합친 것보다도 많은 전기를 썼다. 미국은 자국 내 공장을 지으면 사용 전력의 100%를 재생에너지로 공급하는 등 각국은 RE100 달성을 지원하고 있다. 우리나라는 RE100의 대안으로 원전을 포함한 무탄소 에너지(CFE·Carbon Free Electricity)를 활용해 탄소 중립을 추진하는 CFE 이니셔티브 확산을 추진하나 아직 울림이 크지 않다. 우리나라는 RE100(재생에너지 100% 사용) 달성에 필요한 재생에너지를 조달하기 가장 어려운 나라로 지목됐다. 더 클라이밋 그룹과 탄소공개정보프로젝트(CDP) 위원회가 최근 발간한 'RE100 2023' 연례 보고서에 따르면 한국에서 사업을 영위 중인 국내외 RE100 가입 기업 165개사 중 66개사(40%)는 한국을 '재생에너지 조달에 장벽이 있는 국가'로 꼽았다.

ASML은 극자외선 노광장비를 독점적으로 공급하고 잇다. ASMI이 넷제로를 이유로 한국의 삼성전자가 SK하이닉스에 노광장비를 제공하지않는담녀 한국의 반도체 산업은 큰 어려움에 처할 수 있다. 네덜란드 반도체 장비기업 ASML은 최근 연간 보고서를 통해 2040년까지 고객사를 포함해 모든 생산과 유통 과정에서 '넷제로(Net Zero, 탄소 순배출량 0)'를 달성하겠다고 발표했다. ASML은 첨단 반도체 제조에 필요한 EUV(극자외선 노광장비)를 생산하는 유일한 기업이기 때문에 '슈퍼을'로 불리는 회사다. 즉 ASML의 장비를 받지 못하면 최첨단 반도체 생산이 불가한 상황이다. 글로벌 반도체 시장에서 초미세 공정·고성능 경쟁이 치열해지는 점을 고려하면 ASML의 탄소중립 달성 요구는 삼성전자와 SK하이닉스를 넘어, 반도체 동맹에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다.영국 경제지 파이낸셜타임스(FT)도 지난해 7월 반도체 제조업체들과 분석가들의 말을 빌어 “재생에너지의 낮은 에너지 조합과 이 지역의 성숙하고 인정된 재생에너지 인증의 부족으로 인해 아시아의 반도체 산업이 친환경적인 운영을 추구하는 것을 가로막고 있는 두 가지 요인”이라고 보도한 바 있다.
삼성전자와 SK하이닉스, 현대자동차 등 국내 주요 기업들도 RE100 달성을 선언한 상태다. 국회 김경만 더불어민주당 의원이 한국에너지공단으로부터 받은 자료를 보면 삼성전자는 2022년 기준, 국내 전력사용량(2만1731기가와트시·GWh) 중 재생에너지 사용(1959GWh) 비율은 9.0%에 불과하다. 주요 반도체 생산시설이 국내에 있는 SK하이닉스 역시 재생에너지 전환율이 낮은 것으로 알려졌다. 한국전력에 따르면 2022년 기준 재생에너지가 생산량의 9% 미만을 차지한 반면, 원자력과 화석연료는 거의 90%에 달했다. 국제 에너지 트렌드는 재생에너지 위주이다. 글로벌 시장에 진출한 기업들은 점점 더 공급망 전반에서 재생에너지를 요구하는 추세다. 이에 발맞춰 지난해 제28차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP28)에서는 한국을 포함한 123개 국가가 2030년까지 전 세계 재생에너지 발전 용량을 3배 늘리기로 약속했다.RE100 캠페인은 국내 기업들이 재생에너지를 조달하는 데에 방해되는 해상풍력 입지 규제 및 인허가 간소화와 태양광 이격거리 규제 등 정책적 장벽을 제거해야 한다고 권고하고 있다. ASML은 이 보고서에서 고객사가 목표를 달성하지 못하는 경우 어떤 대응을 할 것인지 밝히지 않았다. 그럼에도 첨단 반도체 생산의 필수인 ASML 장비 공급 지연 등 불이익을 받을 수 있다는 우려가 나온다.

ASML는 은 반도체 제조용 광학 노광 공정 장치를 만드는 네덜란드 굴지의 다국적 기업이다. 극자외선(EUV) 노광 장치를 독점하는 기업이다. ASML에서 생산하는 광학 노광(Photolithography) 공정 장비는 집적 회로의 패턴을 그릴 때 사용한다. 패턴은 광학적 이미징을 통해 감광 물질이 코팅된 실리콘 웨이퍼 위에 만들어진다. 이른바 포토레지스트(Photoresist) 공법이다. 이러한 절차는 싱글 웨이퍼 위에 수십번 되풀이된다. ASML의 반도체 리소그래피 공정 장치 점유율은 압도적이다. 경쟁 업체로는 캐논, 니콘이 있으나 이들과 기술력 차이를 크게 벌어진 상태이다. ASML은 EUV 노광 장치 개발 성공으로 한때 최고의 반도체 제조 장치 업체로 꼽히던 어플라이드 머티어리얼즈도 압도하고 잇다.

ASML은 네덜란드 전자회사 필립스와 필립스에서 분사된 반도체 제조장비 기업 ASMI의 합작회사로 1984년 설립되었다. ASML이라는 사명은 'ASM Lithography'의 약어에서 비롯되었다. 1988년 독립하였으나 필립스는 일부 지분을 계속 보유하였다. 미국 인텔은 극자외선 리소그래피 공정 개발을 위해 ASML 지분 15%를 인수하며 41억달러를 투자하였다.대만 TSMC, 한국 삼성전자도 비슷한 이유로 지분을 투자하였다. 네덜란드 국적 기업 중 시가총액 1위를 기록하고 있다. 반도체에 그려지는 집적회로는 나노 시대로 들어오면서 물리적인 방법으로는 그릴 수 없기 때문에 빛에 반응하는 포토 레지스트(photo resist)라고 불리는 감광액을 미리 정해진 패턴을 따라 도포한 뒤에 특정 주파수의 빛을 쬐어주면 화학적인 반응이 일어나 감광액이 뿌려진 패턴대로 실리콘 웨이퍼 위에 회로가 그려지는 방식을 이용한다. 7nm 이하 미세공정을 위해서는 EUV 장비가 필수적이다. EUV 장비를 제작할 수 있는 회사는 전 세계에서 ASML 한 곳뿐이다.

ASML은 네덜란드 필립스와 ASMI의 합작으로 1984년 출범했다. 첫 출발지는 네덜란드 아인트호벤의 필립스 사옥 옆 목재 건물에서 설립되다. 1988년 필립스와 합작하여 대만에 공장을 세우고 미국에도 84명의 직원에 5개의 지점을 만들면서 아시아,미국 등 세계 시장 개척에 본격적으로 나서기 시작했다. 그때 ASMI가 합작법인에서 철수하면서 필립스가 그 지분을 인수했다. 1989년에는 PAS 5000을 개발했다. 분해능 500㎚급에 오버레이 100㎚의 성능을 보유한 장비이다.1991년 PAS 5500 Stepper/Scanner를 출시했다. 1995년에는 IPO를 통해 주식시장에 상장하였다. 그와 동시에 필립스에서 ASML의 잔여 지분을 대부분 매각하면서 독립 회사가 되었다. 2001년에는 이 회사가 현재의 독보적인 노광장치 업체로 발돋움 할 수 있게 한 TwinScan 방식을 개발해낸다. 웨이퍼에 패턴을 노광하기 위해서 먼저 Wafer 어느 위치에 노광을 할지 위치를 결정하는 작업 즉 웨이퍼 표면의 이전 Layer에서 만든 Align key를 읽어 패턴을 생성할 좌표(X,Y)를 결정하는 Align 작업과 웨이퍼의 높이를 정밀하게 측정하여 Focus(Z)를 결정하는 Leveling 작업을 진행한다. TwinScan 방식은 설비 내에 2개의 스테이지가 있어 한쪽 스테이지가 노광 중일 때, 동시에 반대쪽 스테이지는 다음 웨이퍼를 미리 받아 Align/Leveling 작업을 진행하여 단위 시간당 처리가능하다. ASML사의 핵심 기술로 발전해갔다. 2012년 EUV 및 DUV 생성을 위한 부속품 제조사인 미국의 사이머를 인수했다. 2022년 경기도 화성시의 동탄2신도시(동탄JC 옆)에 ASML 아시아 본부 + 공장 + 연구소를 착공했다.

2025년 부터는 1nm 미만의 미세공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되는 차세대 High NA(Numerical Aperture) EUV TWINSCAN EXE 장비의 초도 생산분이 고객사들에게 인도할 예정이다. EUV 장비에 사용되는 렌즈(미러)의 NA값을 0.55로 크기를 키워 더욱 미세한 노광공정을 구현할 수 있다. 미국정부는 미국-중국 무역 전쟁의 디커플링(탈동조화) 전략의 일환으로 네덜란드 정부에게 ASML의 최신 EUV의 증국 수출금지를 요청하고 있다.


ASML은 최신 극자외선 노광장비인 ‘하이 NA EUV'를 인텔에 우선 공급했다. 처음 출하되는 ASML의 ‘하이 NA EUV 장비’를 미국 반도체 회사 인텔이 삼성전자·TSMC를 제치고 먼저 얻은 것이다. 하이 NA EUV 장비는 2나노미터 반도체 제조 공정에 필수적인 차세대 장비이다. 글로벌 파운드리(반도체 위탁생산) 업계는 생성형 인공지능(AI)의 등장으로 급격히 증가한 고성능 컴퓨팅 수요를 먼저 낚아채기 위해 치열한 기술 레이스를 벌이고 있다. 대당 수천억원에 달하는 장비를 언제 인도받느냐에 따라 초미세 반도체 양산 시점이 좌우되는 상황에서 삼성전자·TSMC도 ASML에 목을 메고 있다. 네덜란드 반도체 장비업체 ASML은 “최초로 극자외선(EUV) 공정 장비인 ‘하이 뉴메리컬어퍼처(NA)’를 인텔에 배송한다”고 밝혔다. 이 장비는 미국 오레곤에 위치한 인텔 ‘DX1 팹’에 적용될 예정이며 몇 달에 걸쳐 설치 작업이 이뤄진다. 장비 규모가 워낙 커서 운반에만 컨테이너 13개와 운송용 상자 250개가 사용된 것으로 알려졌다.

하이 NA는 2나노 이하 반도체 제조에 필수적인 장비다. 노광공정 즉 웨이퍼에 회로 패턴을 새기는 작업에 쓰이는 렌즈 해상도를 기존 EUV보다 높여 더 정밀하고 미세하게 패턴을 새길 수 있다. 장비 1대의 가격은 4000억~5000억원 수준이다. 기존 EUV 장비로도 2나노 이하 초미세공정이 불가능한 건 아니지만 수율과 비용 등을 고려하면 하이 NA로 생산하는 게 훨씬 효율적이다. AI 산업이 급격히 발전하면서 반도체 성능이 갈수록 중요해지고 있다. AI 모델을 훈련하기 위해서는 천문학적인 분량의 데이터 연산이 필요하기 때문이다. 반도체에서 아주 미세한 나노 단위의 선폭 차이가 막대한 비용 절감 효과를 불러온다. 2나노 반도체는 3나노 제품에 비해 전력 효율은 약 25%, 성능은 약 12% 월등한 것으로 추정된다.

파운드리 업계는 애플·퀄컴·엔비디아 같은 팹리스(반도체 설계기업) 고객을 먼저 확보하기 위해 미세공정 레이스에 돌입했다. 삼성전자는 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA) 구조를 적용한 3나노 제품 양산을 시작한 데 이어 오는 2025년 2나노 공정, 2027년에는 1.4나노 공정을 거쳐 만든 칩을 생산할 계획이다. TSMC도 지난해 12월 3나노 공정으로 제품 양산을 시작했다. 2025년에는 2나노 공정, 2028년에는 1나노 공정을 목표로 한다. ASML의 하이 NA 생산 능력은 연간 10대 정도다. 인텔이 6대를 먼저 인도한 상황에서 삼성전자·TSMC가 남는 물량을 받게 된다. 삼성전자는 5대의 하이 NA를 주문한 것으로 알려졌으나 납품 시점은 2025년 무렵이 될 것으로 보인다. 인텔은 파운드리 업계에서 후발주자에 속한다. 하지만 삼성전자·TSMC보다 빠른 2024년 2나노에 진입하고, 2025년 1.8나노를 먼저 선보일 것으로 주목을 끌고 있다. ASML때문에 인텔이 삼성전자에 앞설 수도 있다는 이야기이다.


김대호 글로벌이코노믹 연구소장 / 경제학 박사 tiger8280@g-enews.com