2nm 경쟁의 시작과 소재가 중요한 이유
글로벌 반도체 기업들이 2nm 로직 칩 양산에 박차를 가하면서 일본 반도체 소재 업체들이 사업 확장에 나서고 있다. 인공지능(AI), 고성능 컴퓨팅, 첨단 자동차 시스템 수요가 미세화 경쟁을 이끌고 있다. 소재는 이러한 전환을 뒷받침하는 숨은 기반이다. 웨이퍼, 포토레지스트, 용제, 가스, 접착제, 수지는 모두 이전 공정보다 엄격한 공차와 높은 순도 기준, 더 까다로운 균일성을 충족해야 한다. 품질과 정밀성을 오랫동안 인정받아 온 일본 공급업체들은 이 지점에서 성장 기회를 찾고 있다.
목차
2nm 공정에서 주요 반도체 기업들은 게이트 올 어라운드(GAA) 트랜지스터와 더 복잡한 칩 아키텍처를 도입하고 있다. GAA는 트랜지스터 내부의 전류 흐름을 더 정밀하게 제어해, 극도로 작은 크기에서 누설 전류와 전력 사용량을 줄이는 데 도움이 된다. 이러한 설계에는 극자외선(EUV) 리소그래피용 포토레지스트 화학물질, 고순도 산과 용제, 초평탄 실리콘 웨이퍼, 특수 패키징 소재가 필요하다. 각 공정의 허용 범위가 좁기 때문에 소재 성능의 일관성은 수율을 좌우하는 핵심 요소다.
일본 공급업체들의 투자는 이러한 전환점을 겨냥하고 있다. 도쿄오카공업은 아시아 주요 파운드리를 지원하기 위해 서울 인근에 포토레지스트 및 고순도 화학물질 복합시설을 신설할 계획이다. 아데카는 첨단 반도체 화학물질 생산 장비를 업그레이드하고 있다. 300mm 실리콘 웨이퍼 시장의 상당 부분을 함께 공급하는 웨이퍼 선도업체 신에쓰화학과 SUMCO는 2nm 패터닝에 필요한 더 높은 평탄도와 낮은 결함 밀도에 맞춰 기판을 조정하고 있다. 한편 반도체 업체들이 AI 시스템용으로 프로세서와 고대역폭 메모리를 고밀도로 연결하면서 패키징 소재 수요도 늘고 있다. 이러한 움직임은 TSMC, 삼성전자, 인텔이 새 공정 노드를 추진하고 일본 라피더스가 이번 10년 안에 2nm 제조를 국내에서 시작하려는 업계 일정에 부합한다.
투자 주체와 생산능력 확대 지역
일본 소재 업체들의 자본 지출은 반도체 제조의 전공정과 후공정 전반으로 확산하고 있다. 단기적으로는 해외 파운드리의 1세대 2nm 생산을 지원하는 한편, 라피더스 등 일본 내 신규 사업에서 발생할 수요에 대비하는 것이 목표다. 이러한 투자는 소재와 장비 등 강점 분야를 중심으로 첨단 반도체 산업의 핵심 역할을 되찾으려는 일본의 광범위한 변화가 반영된 것이다.
포토레지스트와 고순도 화학물질
포토레지스트 분야의 글로벌 선도업체인 도쿄오카공업은 서울 인근에 EUV 포토레지스트 공장과 고순도 화학물질 공장을 포함한 새 시설을 건설할 계획이다. EUV 노광은 파장이 매우 짧은 빛을 사용하므로 포토레지스트는 높은 감도와 낮은 선폭 거칠기, 최소한의 오염을 동시에 충족해야 한다. 2nm 공정에서는 공정 제어가 매우 엄격해 포토레지스트 조성과 도포 후 처리의 기준이 한층 높아진다. 기업들은 현상액, 박리액, 세정용 화학물질의 생산능력도 늘리고 있다. 추가 세정이나 미량 금속 오염도 소자 성능에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
웨이퍼, 슬러리, 특수가스
신에쓰화학과 SUMCO는 세계 300mm 웨이퍼의 상당 부분을 공급하며, 이들의 제품은 첨단 공정 노드에서 리소그래피 정밀도를 뒷받침한다. 2nm에서는 전공정 패터닝과 검토 중인 후면 공정 모두에서 웨이퍼 평탄도, 입자 제어, 결정 완전성을 한층 개선해야 한다. 화학적 기계적 연마(CMP) 슬러리 같은 소모재도 더 조밀한 패턴 전반에 균일한 제거율을 제공하도록 함께 발전하고 있다. 증착과 식각에 쓰이는 특수가스 역시 GAA 구조를 교란하는 반응을 막기 위해 더 높은 순도를 갖춰야 한다.
중심에 선 패키징 소재
칩의 전력과 메모리 대역폭이 커지면서 첨단 패키징은 성능을 좌우하는 요소가 되고 있다. 아지노모토 파인테크노(ABF 빌드업 필름으로 잘 알려짐), 레조낙, 닛산화학, 스미토모베이클라이트, 나믹스 등 일본 기업들은 휨을 제어하기 위해 언더필, 봉지재, 임시 본딩 접착제, 수지 생산을 확대하고 있다. 소재 전문업체들과 라피더스, 일본 첨단 반도체 기술센터가 참여하는 JOINT2 협력체는 칩 정렬과 열 안정성을 유지하는 3D 패키징 공정을 개발하고 있다. 일본 장비 업체들의 정밀 장비도 이러한 전환을 지원해, 패키징을 소재 과제이자 엔지니어링 분야로 만들고 있다.
2nm 공정의 과제
현재 선도 공정에서 2nm로 넘어가는 것은 단순히 회로 선폭을 줄이는 일이 아니다. GAA는 나노시트나 나노와이어를 게이트로 감싸 트랜지스터 구조를 바꾼다. 이를 통해 게이트 제어력이 높아져 극도로 작은 크기에서도 성능을 유지하는 데 도움이 된다. 동시에 고유전율 유전체, 금속 게이트, 일함수 조정 금속을 신중히 선택하고 클린룸 환경을 엄격하게 관리해야 한다. 미량의 오염 물질도 문턱 전압을 바꾸거나 누설 경로를 만들 수 있다.
EUV 리소그래피도 핵심 축이다. 2nm 패턴에는 더 복잡한 다중 패터닝 공정이 필요하며, 차세대 고개구수(High-NA) EUV 장비는 해상도를 더욱 높일 전망이다. 이에 따라 포토레지스트 화학물질, 노광 후 베이크 조건, 결함 검사에 대한 요구 수준이 높아진다. 포토레지스트는 확률적 결함을 최소화하면서 감도, 해상도, 거칠기 사이의 균형을 맞춰야 한다. 포토레지스트에 쓰이는 용제와 세정액도 미세한 구조를 식각하거나 팽윤시키지 않아야 한다.
패키징은 이제 설계 초기부터 고려해야 할 핵심 요소다. AI 가속기는 2.5D 및 3D 기술을 활용해 연산 다이와 고대역폭 메모리 적층을 결합한다. 인터포저, 마이크로범프, 구리 필러, 실리콘 관통 전극(TSV)은 접착제, 다이 접착 필름, 열 인터페이스 소재에 새로운 요구를 제기한다. 이러한 소재는 응력을 제어하고 휨을 줄이며 밀집된 어셈블리에서 열을 배출한다. 열 사이클과 장기간 사용을 견디는 신뢰성 높은 패키징 소재 없이는 2nm 성능 목표를 달성할 수 없다.
라피더스, 정부 지원, 국내 생태계
라피더스는 2nm 칩을 일본에서 생산하려는 일본 계획의 중심에 있다. 이 회사는 2025년 4월 홋카이도 지토세에서 파일럿 생산을 시작했으며, 파트너사들과 2nm GAA 소자의 핵심 요소를 구현했다. 시제품 생산 이후 고객용 샘플을 제공하고 2027년 양산을 목표로 하고 있다. 정부는 1조7,000억 엔이 넘는 지원을 약속했으며 투자와 대출 보증을 위한 새로운 제도도 마련했다. 정책 당국은 핵심 기술과 기업 지배구조를 보호하기 위해 공적 자금 지원에 조건을 부과하는 등 안전장치도 모색해 왔다.
라피더스의 고이케 아쓰요시 사장은 과제의 규모를 간결하게 설명했다. 그는 안정적인 대량 생산에 이르는 길에서 수율 학습과 신뢰성 확보가 결정적인 장벽이라고 지적했다.
양산 기술 개발은 매우 어렵고, 수율을 확인하고 신뢰성을 확보하는 것이 주요 장애물입니다.
그 영향은 한 기업을 넘어선다. 일본이 선도 로직 생산의 기반을 확보하지 못하면 장비·소재 업체들이 고객을 따라 해외로 생산능력을 이전할 위험이 커진다. 이에 라피더스 사업은 소재, 계측, 리소그래피, 패키징 분야의 공동 개발을 아우르는 더 큰 생태계의 플랫폼으로 설계됐다. 이 회사는 피드백을 빠르게 받고 학습 주기를 단축하기 위해 싱글 웨이퍼 또는 배치 처리 공정을 시험하고 있으며, 틈새시장에서 고객 납기를 단축하는 것을 목표로 전공정과 후공정을 통합하는 접근법도 추진하고 있다.
인재 확보는 여전히 제약 요인이다. 라피더스는 엔지니어들을 파트너 연구소에 보내 첨단 공정을 익히게 하는 한편, 일본 안팎에서 인력을 채용하고 있다. 소재 업체들도 같은 방식으로 일본과 한국의 고객 팹 인근에 팀을 꾸려 신속한 시험과 현장 공정 조정을 지원하고 있다.
일본 내 글로벌 기업과 현지 공급업체 수요
일본의 소재 산업 성장세는 국내 생산 기반 확충과 맞물려 있다. 구마모토에 있는 TSMC 자회사는 제2공장을 증설하고 있으며, 이에 따라 현지 웨이퍼, 화학물질, 포토레지스트 수요가 늘고 있다. 현지 조달은 납기를 단축하고 품질 관리를 개선해 새 공정 노드의 생산 확대에 도움이 된다.
삼성전자도 일본 내 입지를 강화하고 있다. AI 작업에 필요한 프로세서와 메모리 간 연결을 개선하기 위해 요코하마에 첨단 패키징 연구센터를 개설할 계획이다. 이 연구소는 일본 소재·장비 공급업체 및 대학과 협력해 연구, 파일럿 라인, 상용 공정 간 연계를 강화할 예정이다. 나믹스와 레조낙 같은 패키징 선도업체들은 대형 고객사의 연구개발 프로그램과 가까이 협력함으로써 차세대 언더필, 다이 접착 필름, 저휨 수지를 공동 개발할 기회를 얻을 수 있다.
이러한 투자는 2nm 웨이퍼 생산이 여러 지역에서 계속되는 가운데 일본을 첨단 소재의 주요 거점으로 키우고 있다. 글로벌 파운드리들은 앞으로도 일본산 웨이퍼와 포토레지스트, 소모재에 의존할 것이다. 해외 수요와 새로운 국내 생산 거점의 결합은 현지 공급업체의 고객 기반을 넓힌다.
AI, 자동차, 에너지 사용 측면에서 본 2nm의 의미
AI 학습과 추론 작업으로 데이터센터의 전력·냉각 한계가 시험대에 오르고 있다. 첨단 패키징 및 고대역폭 메모리와 결합한 2nm 칩은 와트당 연산량을 높이는 것을 목표로 한다. 이를 통해 클라우드 사업자의 에너지 비용과 탄소 배출량을 줄이는 한편, 더 큰 모델과 더 빠른 사용자 추론을 가능하게 할 수 있다. 엣지 기기에서는 효율성 개선으로 로봇, 산업 시스템, 웨어러블, 가전제품에서 온디바이스 지능을 강화할 수 있다.
자동차 업체들은 운전자 보조와 미래 자율주행 기능에 필요한 신뢰성 높은 연산 능력을 필요로 한다. 온도 변화와 긴 수명에도 견디는 칩이 필요하다. 패키징과 인터커넥트 소재는 이러한 신뢰성을 확보하는 데 핵심 역할을 한다. 일본 자동차·전자 기업을 포함한 업계 전반은 2nm 진전을 면밀히 지켜보고 있다. 국내에서 선도 로직 칩을 확보하면 공동 설계가 빨라지고 공급망이 단축될 수 있기 때문이다.
통신, 의료, 방위 등 국가적 우선순위 측면에서 2nm 생산능력은 회복력을 높인다. 핵심 연산 자원을 여러 지역에서 확보할 수 있다면 시스템 업체들은 조달처를 다변화할 수 있다. 소재 분야의 강점은 이러한 다지역 생산 모델에서 일본의 영향력을 높여준다.
위험 요인과 제약, 공급업체의 대응
2nm 전환에는 잘 알려진 위험이 따른다. 새 공정 노드의 양산 확대 과정에서는 수율 변동성, 핵심 장비 공급 제약, 비용 압박이 자주 발생한다. 고개구수 EUV 장비와 포토레지스트 스택은 안정적인 양산 공정 조건을 확립해야 한다. 숙련 엔지니어 확보는 업계 전반의 과제이며 인재 경쟁도 치열하다. 자금 조달도 변수다. 2nm 생산 체계를 완비하려면 수조 엔의 자본이 필요하므로 수년에 걸친 공공 지원과 민간 투자가 함께 이뤄져야 한다.
소재 업체들은 몇 가지 뚜렷한 방식으로 대응하고 있다. 아시아와 일본의 고객 팹 인근에 생산능력을 배치해 신속한 시험과 적시 납품을 지원하고 있다. 환경 기준을 충족하기 위해 친환경 화학물질, 회수 시스템, 수처리에도 투자하고 있다. 많은 업체가 EUV 포토레지스트, 저유전율 필름, 열전도성 패키징 소재의 조성 변경을 앞당기기 위해 대학 및 연구개발센터와의 협력을 강화하고 있다. 일부 공급업체는 고가의 공장 건설에 따른 위험을 분담하기 위해 합작투자도 검토 중이다.
경쟁은 세계적으로 이어지고 있다. 중국 파운드리들은 성숙 공정에서 생산을 확대하고 있으며 소재 가격과 공급 양상에 영향을 줄 수 있다. 첨단 공정에서는 TSMC, 삼성전자, 인텔이 소재 업체들이 충족해야 할 공정 기준을 정할 것이다. 대규모 생산에서도 일관된 품질을 입증하고 고객이 결함과 편차를 줄이도록 지원할 수 있는 기업이 시장 점유율을 높일 것이다.
일본 소재 산업의 전망
일본은 강점을 지닌 반도체 공급망의 핵심 분야를 장악해 업계 위상을 회복하려 한다. 그 중심에는 소재가 있다. 도쿄오카공업, 아데카, 신에쓰화학, SUMCO, 아지노모토 파인테크노, 레조낙, 나믹스 등이 사업을 확장하면서 일본은 해외 1세대 2nm 팹과 국내 신규 생산능력을 지원할 수 있는 입지를 갖추고 있다. 2030년까지 국내 반도체 매출을 늘리려는 정부 목표는 양쪽에서의 진전을 전제로 하며, 연구 협력과 보조금이 격차를 좁히는 데 도움이 될 전망이다.
주목할 이정표로는 라피더스 시제품의 완성도와 초기 고객 확보, 고개구수 장비용 EUV 포토레지스트 및 고순도 화학물질의 신규 출하, JOINT2를 통한 3D 패키징용 수지·접착제의 기술 혁신, TSMC 구마모토 증설과 삼성전자 요코하마 패키징 시설의 건설 진척 등이 있다. 이들 각각은 일본산 소재 수요가 강해지고 있음을 보여주는 신호다.
2nm 시대 일본의 역할은 단일 공장에 달려 있지 않다. 웨이퍼, 화학물질, 패키징 전반에 걸친 소재 생태계의 신뢰성이 관건이다. 공급업체들이 품질을 유지하고 고객과 함께 혁신한다면 다음 반도체 제조 단계에서 없어서는 안 될 존재가 될 수 있다.
핵심 내용
- 일본 소재 공급업체들은 해외 파운드리와 일본 내 신규 사업을 겨냥해 2nm 칩 생산 지원을 위한 자본 지출을 늘리고 있다.
- 도쿄오카공업은 서울 인근에 EUV 포토레지스트 및 고순도 화학물질 복합시설을 신설할 계획이며, 아데카는 첨단 반도체 화학물질 생산 장비를 업그레이드하고 있다.
- 글로벌 300mm 웨이퍼 시장의 상당 부분을 함께 차지하는 신에쓰화학과 SUMCO는 2nm에 필요한 더 엄격한 공차에 맞춰 기판을 조정하고 있다.
- 아지노모토 파인테크노, 레조낙, 스미토모베이클라이트, 나믹스 등은 언더필, 접착제, 저휨 수지에 투자하며 패키징 소재를 성장 분야로 삼고 있다.
- JOINT2 협력체는 소재 업체와 라피더스, 첨단 반도체 기술센터를 연결해 AI 시대 칩용 3D 패키징 기술을 발전시키고 있다.
- 라피더스는 2025년 파일럿 생산을 시작했으며 핵심 기술 보호 조치와 함께 1조7,000억 엔 이상의 공적 자금 지원을 받아 2027년 양산을 목표로 하고 있다.
- TSMC는 구마모토에서 증설을 진행하고 삼성전자는 요코하마에 패키징 연구개발센터를 세울 계획으로, 이에 따라 일본산 소재와 장비의 현지 수요가 늘고 있다.
- 2nm 공정에는 GAA 트랜지스터, EUV 포토레지스트의 발전, 전 공정에 걸친 극도의 순도가 필요해 소재의 일관성과 결함 제어 기준이 높아진다.
- 수율 개선, 장비 확보, 인력 부족, 자금 조달이 위험 요인으로 꼽히지만 공급업체들은 현지 생산능력 확대, 친환경 공정, 연구개발 협력 강화로 대응하고 있다.
