[기초과학이 국력이다②] 미-중 기술패권시대 생존법…원천기술 확보

기사입력 : 2021년09월28일 06:00

최종수정 : 2021년09월28일 06:45

미·중 기술경쟁 속 놓을 수 없는 '반도체'
소부장·양자기술 통해 경쟁력 확보 중요

[편집자] 올해 네이처가 공개한 아시아태평양 보고서에 따르면, 우리나라 50개 기초과학 연구기관 중 서울대와 한국과학기술원 두 곳만 이름을 올렸다. 우리나라 기초과학의 역사를 되짚어본다면 40년 정도에 불과하다. 정부는 기초과학 역량을 육성하기 위해 적극 나서고 있다고 강조하고 있다. 이에 <뉴스핌>은 우리나라 기초과학의 현주소를 짚어보고 향후 과제를 점검해 본다.

[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = "과학이 돌아왔다.(Science is Back)" 지난 4월 22일 지구의 날을 맞아 조 바이든 미국 대통령은 트위터에 이렇게 적었다. 올해 초 과학기술국장으로 에릭 랜더를 지명한 가운데 바이든 대통령은 편지를 보냈다. 지난 75년간 미국이 압도적인 과학기술의 우위를 차지했고 앞으로 75년 동안 최강의 과학기술력으로 미국이 미래를 이끌어가게 해달라는 간절한 마음을 전했다.

중국과의 기술패권 경쟁이 치열해지는 가운데 과학기술이야말로 국가의 비전을 일구고 경쟁에서 살아남을 수 있다는 메시지인 셈이다. 과학기술에서도 원천기술에 초점이 맞춰진다.

우리나라 역시 마찬가지다. 기초연구를 통해 발굴해낸 원천기술은 한국 산업을 국제사회의 중심에 가져다놓는다. 반도체가 그랬다. 소부장(소재·부품·장비) 역시 원천기술 없이는 수출 위협을 겪을 수 있다는 사실을 일깨워줬다. 이제는 양자기술에 이르기까지 원천기술 없이는 국제사회의 들러리로 전락할 수 있다는 위기감이 또다른 기회를 만들어주고 있는 상황이다.

◆ 미·중 기술 패권경쟁 속 첫째도 둘째도 셋째도 '반도체'

바이든 미 대통령 취임 이후 미·중 기술패권 경쟁이 본무대에 올랐다. 첫번째 전장은 반도체 시장이다. 미국과 중국 모두 앞다퉈 반도체 기술 개발에 앞장서다보니 수출 효자 업종인 우리나라 반도체 산업이 위축되고 있다.

미국, 중국을 비롯해 글로벌 반도체 기술패권 경쟁이 치열해지고 있으며 주요 반도체 기업들 역시 투자를 확대하는 분위기다.

미중 기술 패권 시장의 첫번째 전장이 된 반도체 시장에서 우리나라의 원천기술 확보는 어느 때보다도 절실하게 됐다. [자료=게티이미지뱅크] 2021.09.24 biggerthanseoul@newspim.com

미국은 국가반도체기술센터를 설립하고 인프라‧연구개발(R&D)에 228억 달러를 지원한다. 중국은 오는 2025년까지 반도체 자급률의 목표를 70%로 수립하고 1조위안(약 170억원)을 지원한다. 2021~2025년 14차 5개년 경제계획에 고부가가치 반도체 산업 육성도 포함했다.

유럽연합 집행위원회는 2030년까지 성공적인 디지털 전환을 목표로 하는 '2030 디지털 컴퍼스'를 발표, 반도체 점유율을 10%에서 20%로 상향할 계획이다. 대만은 2030년까지 반도체 생산액 5조 대만달러에 도달하는 것을 목표로 소재·장비의 국산화를 지원한다. 일본은 올해 반도체 경쟁력 회복을 위해 경제산업성 주도의 '반도체 전략'을 발표한 바 있다.

우리나라도 끊임없이 준비해오긴 마찬가지다. R&D를 보더라도 대규모 예타 사업 및 미래 유망분야 사업 등 반도체 분야의 원천기술 확보를 위한 선제적인 투자가 필요하다는 데 공감하고 있다. 차세대지능형 반도체기술 개발(2020~2029년) 1조96억원, PIM 인공지능 반도체 핵심기술 개발(2022~2028년) 4027억원, 차세대 화합물반도체 핵심기술 개발(2022~2026년) 475억원 등이 R&D 사업이다.

인재양성도 이어져왔다. 인공지능(AI)‧사물인터넷(IoT)‧바이오메디컬 등에 특화돼 소자‧설계 등 반도체 전주기에 능통한 석‧박사급 고급 융합인재를 그동안 키워왔다. 시스템반도체 융합전문인력 육성을 위해 2020년부터 2026년까지 480억원을 투입한다.

지난 5월에는 K-반도체 전략을 통해 ▲제조‧소부장‧장비‧패키징‧설계 포괄 K-반도체 벨트 조성 ▲세제‧금융‧규제‧기반 등 반도체 인프라 지원 확대 ▲인력 양성‧협력 생태계‧차세대 기술개발로 성장기반 강화 ▲지원체계‧차량용 반도체‧기술안보‧탄소중립 등 위기대응력 제고 등에 나섰다.

여전히 풀어내야 할 숙제도 만만치 않다.

우선 대형 예타사업(차세대 지능형,PIM)으로 1펩타플롭스(PFLOPS), 1mW급 지능형 반도체를 위한 핵심 원천기술 확보와 함께 세계 최고 수준 메모리연산수행(PIM) 반도체 시제품 개발을 목표로 두고 있다. 차세대 화합물반도체 핵심기술 개발의 경우, 통신‧전력‧센서‧에너지 변환 등 4대 분야에서 활용될 반도체의 에피(Epi) 소재 및 소자 원천기술 확보가 관건이다.

시스템반도체 융합전문인력 육성 차원에서 AI, IoT, 바이오, 자동차, 에너지 등 5대 분야의 석‧박사급 고급 융합인재 700명 육성에도 정부가 팔을 걷고 있다. 팹리스(Fabless) 등 산업계와의 교육과정 운영 협력 및 '칩 경진대회' 개최 등 양성센터 참여 학생 간 교류 프로그램 내실화도 향후 원천기술 강국을 위해 실현해야 할 과제다.

◆ 산업 위협 극복 위한 서플라이체인 정비...'소부장이 생명'

느닷없이 찾아온 코로나19 사태로 서플라이체인이 엉망이 됐다. 더구나 지난해까지만 하다러도 일본의 소부장에 대한 수출금지가 이어지는 바람에 반도체 개발에도 위기가 찾아왔다.

나노분야의 경우, 나노융합기술, 스마트센서, 접착·코팅·필름, 레이저, 첨단세라믹 등 다양한 분야에서 원천기술로 주목을 받는다. 그만큼 우리나라가 확보해야 할 기술이 더 많아졌다는 얘기다.

임혜숙 과학기술정보통신부 장관이 지난 7월 7일 오전 경기도 고양시 일산서구 킨텍스에서 열린 '나노코리아 2021 개막식' 에 참석해 기념사를 하고 있다. [자료=과학기술정보통신부] 2021.09.24 biggerthanseoul@newspim.com

소부장의 저력을 찾기 위해 정부도 쉼없이 달려왔다. 과학기술정보통신부 과학기술혁신본부는 소부장 R&D핵심품목(100+85)과 미래선도품목(65) 선정‧관리, R&D예산 배분, 기술특위 운영 등 소부장R&D컨트롤타워 역할에 대한 수행에 여념이 없었다.

과기부 1차관실 역시 R&D핵심품목 기술 자립화 및 미래선도품목 선제 확보와 소부장‧나노 R&D기반 구축‧고도화‧활용 등을 지원해 왔다. 그 결과 소재분야 기술력은 선도국 대비 70% 수준(2018년)에서 80%이상(2020년)으로 향상됐다. 반도체, 이차전지는 선도국 대비 90% 이상으로 세계 최고 수준을 유지해오고 있다.

과학기술논문인용색인(SCI)급 논문 2171건, 특허출원 1570건(국내 1148건, 국외 386건), 특허등록 466건(국내 407건, 국외 59건), 기술이전 164건, 기술료 99억원 및 기업 지원 서비스 3만6403건 등의 성과도 낳았다. 이와 함께 영구자석용 희토류 일부 대체 소재, 반도체용 미세 도금 소재, 수소연료전지용 핵심 소재 등 개발을 통해 수입의존도 100% 소재에 대한 자립화 가능성을 확보하고 검증을 진행중이기도 하다.

이를 토대로 100+85개 R&D 핵심품목 자립화를 위한 국가핵심소재연구단과 65대 미래선도품목 중심의 첨단소재 확보를 위한 미래기술연구실도 확대해야 한다는 과제가 남는다. 정부의 목표는 국가핵심소재연구단을 올해 57개에서 2025년까지 100개로 확대한다는 것이다. 미래기술연구실 역시 올해 34개에서 2025년에는 100개까지 키워내겠다는 의지도 보인다.

임혜숙 과기부 장관 역시 지난 7월 열린 '나노코리아 2021' 행사에 참여해 "나노기술은 범용기술로서 다양한 기술·산업에 적용 가능할 뿐더러 소부장·반도체·탄소중립·코로나 등 글로벌 이슈 해결에도 결정적으로 기여하게 될 것"이라고 강조한 바 있다.

◆ 4차산업혁명의 '꽃' 양자과학...'도전적 원천연구 필승해야'

감히 따져볼 수도 없는 수준이다. 100만년 걸리는 암호해독을 10시간만에 끝낸다. 양자기술을 활용하는 데 여전히 제한적이다. 다만 범용성을 지니게 된다면 PC, 인터넷, 스마트폰 등과 같이 세상을 바꿔놓을 수 있는 기술이라는 점에서는 전 세계가 공감한다.

양자기술은 20세기 초 양자물리의 발견으로 나노미터(원자 이하) 수준의 미시 세계에서 나타나는 양자물리적 특성을 활용한 기술·산업의 발달을 유도했다. 이후 2000년대 들어 '중첩', '얽힘' 등 양자 특성을 정교하게 구현·제어하면서 새로운 게임체인저로 올라섰다. 4차 산업혁명시대로 들어서면서 데이터처리량(AI, 블록체인, IoT 등)의 폭발적인 증가로 양자기술에 대한 관심이 급증하게 됐다.

중첩, 얽힘 등의 양자물리적 특성을 컴퓨팅, 통신, 센서에서 구현하면 ▲기존 대비 1경(京) 배 빠른 초고속 연산 ▲정보탈취를 원천 차단하는 초신뢰 보안 ▲불가능하던 영역까지 측정하는 초정밀 계측이 가능해져 미래 산업생태계의 판도를 바꿀 것으로도 기대된다. 이렇다보니 2030년에야 장기 상용화가 예상되는 상황에도 세계 주요국들은 양자기술의 전략기술화에 팔을 걷어붙였다.

과학기술정보통신부는 지난 6월 30일 경기도 수원시 한국나노기술원에서 미래양자융합포럼 창립총회를 열고 양자 분야 연구결과의 산업적 활용 촉진을 통한 기반 생태계 조성에 나섰다. [자료=과학기술정보통신부] 2021.09.24 biggerthanseoul@newspim.com

초고속 컴퓨팅을 의미하는 양자컴퓨팅의 경우, 2010년 전후로 IBM, 구글 등 글로벌 IT기업들이 그 가능성에 주목하고 기술경쟁에 뛰어들면서 급속히 기술이 진보하고 있다. 이런 가운데 오는 2030년대 후반에 들어 본격적으로 상용화될 것으로 예상된다.

초신뢰 보안을 의미하는 양자통신은 6세대통신(6G), 항법위성 등 커져가는 위성통신 정보유출 우려에 대응하고, 자율주행 등 다양한 IoT 환경, 국방분야 등에서 안전한 정보 송수신을 가능케 할 것으로 기대된다. 2020년대 중반 이후 통신·네트워크 서비스, 암호인증 및 데이터 보안을 중심으로 본격적인 상용화 시장 형성될 것으로 전망된다.

초정밀 계측인 양자센서 분야는 대부분의 양자센서가 실험실 단계에서 가능성을 입증한 수준으로 중력, 자기장, 이미징 센서 위주로 정밀도·분해능을 향상시키고 있다. 실제 활용을 위한 소형화, 저전력화, 저가격화 등 최적화 연구가 진행중이다. 자기장·중력센서는 GPS·의료 등 일부 분야에서 상업적으로 이용이 가능하며 잠수함 운행, 스텔스 탐지 등 국방분야에서 전략기술로서 중요성이 높아진다.

여전히 갈 길은 멀다. 우리나라는 R&D 후발국으로 15~20년 넘게 꾸준히 투자해온 선도국에 비해 기술 수준이 낮고, 인력 및 인프라 등 기반이 미흡하다. 기술수준은 최선도국(미국‧EU) 대비 약 81.3% 수준이다.

국내 양자 R&D 투자는 초기단계로 정부 주도로 추진 중이며 전용사업들이 생기기 시작한 2019년을 기점으로 급증한 정도다. 학문적 난도가 높고, 국내 시장의 부재로 양자기술에 대한 지식과 노하우를 갖춘 양자 특화 전문인력이 절대적으로 부족하다.

미흡한 기술 수준을 보강하기 위해 지난 4월 30일 범부처 '양지기술 R&D 투자 전략'을 마련한 것은 상당히 긍정적이라는 평가를 받는다. 이를 통해 2030년대 양자기술 4대 강국 진입 목표로 ▲원천연구 강화 ▲전문인력 확보 및 국내외 협력기반 구축 ▲특화 연구 인프라 확충 ▲양자기술 활용 촉진 등 4대 중점전략도 기대된다.

예산 투입도 이어진다. 양자분야에 대한 정부 R&D 투자는 올해 657억원에서 내년 1025억원으로 확대됐다. 정부는 50큐비트급 한국형 양자컴퓨팅시스템을 조기에 구축하겠다는 목표를 두고 있다.

미국과의 협업도 국내 양자 원천기술 확보에 힘을 보태줄 것으로 보인다. 이창윤 과기부 기초원천연구정책관은 "지난 5월에 개최된 한‧미 정상회담의 후속조치를 통한 양국간 협력을 확대하고 이를 바탕으로 다자간 국제협력 체계에 참여해 글로벌 기술 블록화에 적극적으로 대응해 나갈 것"이라고 강조했다.

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LH "윗집 발망치 소리, 내년부터 끝" [세종=뉴스핌]김정태 건설부동산 전문기자= 지난 21일 한국토지주택공사(LH)의 주택성능연구개발센터(HERI). 세종시에 위치한 이곳에는 주택 성능을 시험할 수 있는 여러 시험동이 있지만, 5층짜리 실제 아파트 건물 한 동이 눈에 들어왔다. 출입구 한켠에는 'db35lab(데시벨 35 랩)'이란 영문과 숫자 표기가 부착돼 있었다. 아파트 1층 내부에 들어가야 이 표기의 의미를 알게 됐다. 이는 LH가 층간소음 1등급 기준인 37데시벨보다 낮은, 도서관처럼 조용한 집으로 만들겠다는 의지를 담은 층간소음기술연구소의 시험동 이름이다. 층간소음 등급별 시연 모습 [사진=국토부기자단 공동] 거실에 설치된 대형 모니터 화면에는 2층의 층간소음을 일으킬 수 있는 런닝머신, 책상과 의자, 공 등의 도구들이 보였다. 우선 화면을 통해 윗층에서 아래층에 전달되는 성인의 발걸음 소리를 들려줬다. 말 그대로 '발망치' 소리였다. 들려오는 소음은 49데시벨로 4등급 수준이다. 층간소음의 기준이 제대로 정립되지 않은 2005년 전에 지어진 공동주택의 경우 일부에서 이러한 불편함을 느낄 수 있는 중량충격음이다. 이번에는 실제로 윗층에서 걷는 소리를 듣는 순서였는데, 귀를 쫑긋 세우지 않고서는 소음을 느끼기 어려웠다. 미세한 진동음이 들리긴 했지만, 불편한 수준은 아니었다. 이어 1m 높이에서 3kg 무게의 공을 떨어뜨리는 실험도 시연됐다. 이는 아이들이 뛰어다니는 중량충격음으로, 역시 4등급 수준에서는 참기 어려운 소음과 진동이 느껴지지만, 이곳의 실제 시연에서는 역시 진동음이 확 줄었다. 의자 끄는 소리는 비교적 가볍고 딱딱한 충격음이어서 경량충격음이라고 하는데 4등급 수준에서는 참기 어려울 정도로 불편했지만, 실제 시연에서는 거의 들리지 않을 정도로 충격음이 전달되지 않았다. 이처럼 층간소음이 획기적으로 줄어든 데는 1등급 기준인 37데시벨에 맞춘 성능으로 시공된 바닥 때문이었다. 기존 슬래브 두께보다 두꺼운 250mm로 시공하고, 그 위에 40mm 복합완충재와 30mm 고밀도몰탈 및 와이어 메쉬 등을 함께 깔아 놓은 바닥재다. 공동주택 층간소음 저감기술은 2023년부터 개발되기 시작했으나, 슬래브 두께는 210mm로 상대적으로 얇고 낮은 등급의 완충재와 일반 몰탈을 적용해 3등급 수준에 머물렀으나, 이를 매년 개선해 온 결과 올해 1등급 기준을 충족하게 됐다. LH는 이러한 기술 개발을 실험동 연구에 그치지 않고, LH 공동주택 각 현장에 실증 시공을 하면서 실증 결과 데이터를 쌓아왔다. LH가 층간소음 저감기술을 처음으로 적용한 단지는 양주회천 A15블록으로, 당시 3등급 수준이었으나 지난해에는 평택고덕 ab57-2블록에 2등급 수준으로 끌어 올려 적용했다. LH 연구원 관계자는 "이 같은 1등급 기준을 달성하기 위해 2022년부터 지속적으로 관련 기술과 공법을 연구해 왔다"면서 "47개의 기술 모델 개발과 총 1347회에 걸친 실증을 거쳐 자체 1등급 기술 모델을 정립해 내년부터 주택 설계에 본격적으로 적용할 예정"이라고 설명했다. 다만, 이 같은 1등급 기준 설계로 분양가 상승의 요인이 되는 것은 사실이다. 기존 공동주택 24평형(전용면적 59㎡) 기준으로 가구당 300만~400만 원의 공사비가 더 소요되는 것으로 LH는 추정하고 있다. 정운섭 LH 스마트건설본부장은 "층간소음 1등급 설계 적용 때문에 수분양자의 분양가 상승 부담으로 돌아가지 않도록 자체 원가절감과 함께 정부 재정 지원을 요청한 상태"라면서 "지속적인 기술 개발로 공사비 상승의 주요인인 슬래브 두께를 슬림화하면서도 1등급 기준을 충족할 수 있도록 할 계획"이라고 말했다. 층간소음감지기를 통해 경고 알람이 뜨는 월패드 시연 장면 [사진=국토교통부기자단 공동] 층간소음 1등급 설계는 새로 짓는 공동주택에서만 가능하다. 때문에 구축에서는 이러한 혜택을 누리기 어렵다. LH는 이를 보완하는 방안으로 층간소음 감지기를 IT업체와 협력해 개발 중이다. 바닥에 여러 차례 충격을 줄 경우, 층간소음 감지기의 센서가 작동해 해당 세대 월패드를 통해 주의를 당부하는 알람이 뜨도록 하는 장치다. 정승호 LH 스마트주택기술처 팀장은 "구조적으로 층간소음을 줄일 수는 없겠지만, 층간소음을 일으키는 기준을 해당 세대에게 알림으로써 아래층 이웃과의 분쟁을 줄일 수 있도록 고안한 장치"라고 말했다. 실제 이날 시연은 기존 공동주택에 적은 비용으로도 층간소음을 저감시킬 수 있다는 점에서 팸투어에 참여한 국토교통부 기자들에게 큰 호응을 얻었다. 층간소음 1등급 바닥구조 [사진=뉴스핌DB] LH는 바닥에서 발생하는 층간소음에 국한하지 않고, 옆 세대와의 벽간소음, 화장실 배관 소음 등 공동주택에서 발생하고 있는 다양한 생활소음 저감 방안도 마련하고 있다. 벽간소음을 저감하는 소음 차단 성능 1등급 벽체 구조는 2019년 11월부터 이미 설계에 반영한 바 있다. 내년부터는 화장실 배관이 아래층을 통하지 않고 각 세대 내에서 설치되는 자체 배관을 적용해 배관을 통해 전달되는 소음도 줄여나간다는 계획이다. 또 내구성이 좋은 장수명 주택, 수요자의 취향에 맞게 가변형 평면 구성이 가능한 라멘 구조 주택, 레고처럼 조립·건설하는 모듈러 주택 등 주택 건설의 새로운 대안으로 부상하는 주택 유형에도 층간소음 1등급 접목 방안을 모색해 적용 범위를 지속적으로 확대해 나가기로 했다. LH는 층간소음 저감 기술 저변을 민간으로 확산해 나간다는 방침이다. 우선, 민간의 고성능 신기술을 발굴하고, 다양한 1등급 기술 요소의 시장화를 지원한다는 방침이다. 올해에는 층간소음 기술 마켓을 통해 6개의 고성능 기술을 발굴했으며 LH 공공주택 현장에서 그 성능을 검증해 상용화를 추진하고 있다. LH는 층간소음 1등급 적용 확산을 위해 db35lab을 내년 3월부터 전면 개방하기로 했다. 자체 층간소음 시험 시설이 없는 중소기업에 데시벨 35랩을 테스트베드로 제공해 기술 개발을 지원한다는 것이다. LH는 또 그간 개발해 온 층간소음 저감 기술 요소와 시공법, 실증 결과를 중소 민간 건설사들과 공유할 계획이다. 더불어 자체 기술 개발과 층간소음 저감 시공·품질관리에 어려움을 겪는 건설사들에 대한 기술 지원도 아끼지 않겠다는 입장이다. 이날 이한준 LH 사장은 "2년 전 취임 당시 제일 먼저 강조한 게 층간소음 문제 해결을 약속한 것이었다"면서 "내년부터는 LH가 짓는 모든 아파트에 1등급 기준을 적용해 국민 일상의 생활 고통을 덜어주는 데 앞장서겠다"고 말했다. 그러면서 "궁극적으로는 벽식 구조의 공동주택에서 벗어나 라멘(기둥식) 구조와 모듈러에도 층간소음 1등급 기준을 적용해 100년 이상 가는 장수명 주택의 근간을 마련하겠다"고 덧붙였다. dbman7@newspim.com 2024-11-24 11:00