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중소기업 기술로드맵 조회결과

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고주파 반도체
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

고주파 반도체 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 고주파 반도체란 통상 이동통신, 무선랜, 유선통신, 레이다 및 각종 IoT 네트워크 통신에 사용되며 수백 또는 GHz 대 이상의 고주파수 대역 신호를 처리할 수 있는 고주파 시스템에 사용되는 고주파 소자 중 반도체 공정을 이용하여 제작된 반도체를 의미
나. 주요 제품

[ 기능에 따른 분류 ]

기능에 따른 분류
단위 소자 능동 소자 MOSFET, BiCMOS, BJT, HBT, MESFET, HEMT
수동 소자 저항, 인덕터, 캐패시터, 다이오드 등
응용 회로 증폭기 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 일반 증폭기
발진기 전압제어 발진기
혼합기 주파수 상향 변환기, 주파수 하향 변환기
스위치 TDD 스위치
위상 천이기 위상배열용 Phase Shifter
바이어스 회로 BGR (Bandgap Reference)
주파수 분배/체배기 Prescaler, Frequency Divider, Frequency Multiplier
복합 응용 필터 저역 / 대역 / 고역 통과 필터 등
디지털 회로 Logic, Memory
송신기/수신기 RF transmitter, RF receiver
주파수 합성기 PLL, DDFS, ADPLL 등

[ 용도에 따른 분류 ]

용도에 따른 분류
무선 통신용 휴대 이동 통신 1G / 2G / 3G / 4G / 5G
위성 통신 GPS / S-DMB
무선랜 통신 802.11a/b/g/n/ac,ax/ad,ay/af/ah
방송 이동 통신 T-DMB
PAN 통신 Bluetooth / UWB / Zigbee / RFID
THz 통신 초근거리 통신
유선 통신용 케이블 통신 고속 광케이블
광통신 고속 광통신
레이다 자동차 레이다 LRR / SRR
각종 탐지 레이다 드론등 소형 이동체 탐지
기타 고주파 가열기 고주파 열선
각종 무선 센서 Imaging 센서 (THz), 각종 측위 센서
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

이동통신, 무선랜, 고속 유선 통신과 같은 통신 시장의 성장은 고속, 고성능의 통신 시스템의 발전을 이끌었고, 다가올 5G 시대에는 4차 산업혁명의 핵심 통신 인프라인 IoT (Internet of Things)를 위해 초연결 네트워크 통신 시스템을 요구하고 있음. 최근의 가상현실, 증강현실, 홀로그램, 사물인터넷, 자율주행자동차, 인공지능, 로봇 등으로의 연구 개발은 고주파 대역의 무선통신용 반도체 분야 시장을 더욱더 급성장 시킬 것으로 예상됨.

[ 5G 기반 융합 서비스 ]

5G 기반 융합 서비스

4차 산업혁명의 핵심인 IoT 시대에 접어들어 모든 기기가 통신으로 연결된다고 할 때 반도체 수요처인 전자기기의 성장 전망에서 자동차 전장시스템 시장이 가장 높은 연평균 (2015~2020) 성장률 (4.9%)를 보이고 있음.

  • 2020년까지 자동차의 안전 및 편의 시스템, 자동긴급제동, 차선이탈/사각탐지 시스템 및 백업 카메라 등이 가장 많은 반도체를 채택할 것이며, 반도체 품목은 아날로그 IC, MCU 및 센서 등의 제품이 큰 시장을 형성할 것임

[ 세계 전자기기의 성장 전망 ]

세계 전자기기의 성장 전망

* 출처 : IC insights 2015

의료/산업용 전자시스템은 웨어러블기기, 가정건강 진단 등의 분야이며, 2020년까지 성장률 4.3%를 전망하고, 아날로그 IC가 주류를 이룰 것으로 예상됨
통신은 컴퓨터 IC 시장을 추월하여 성장할 것이며, PC (데스크톱, 노트북, 태블릿)에 대한 수요가 둔화되면서 컴퓨터 시스템 시장은 2020년까지 가장 저조한 성장을 보일 것으로 예상됨

한편, 스마트폰의 보급 확대로 태블릿 PC, 데스트톱 PC, 노트북 PC의 출하량이 급감하면서, 2017년부터 휴대폰 IC 판매가 PC용 IC를 추월하기 시작할 것임

  • 2017년 휴대폰용 IC 매출은 전년대비 16% 증가한 844억 달러를 예측하고 있는 반면, PC는 9% 증가한 801억 달러로 전망

[ 휴대폰용 IC 시장이 PC용 IC를 능가하기 시작 ]

휴대폰용 IC 시장이 PC용 IC를 능가하기 시작

* 출처 : IC insights 2015

2020년에 상용화가 되는 5세대 이동통신을 포함하여 2022년에는 스마트폰 가입 수가 6.8 billion 이 될 것으로 예측됨

[ 기술별 스마트폰 가입 수 ]

기술별 스마트폰 가입 수

IoT 시대에 접어들어 2022년에는 29 billion의 기기들이 통신을 통해 연결될 것으로 예측되며 특히 Wide-area IoT 는 연평균 30%의 성장세를 나타냄.

  • 고성장이 예상되는 IoT는 크게 반도체, 모듈 및 단말, 플랫폼, 네트워크 등 4가지 기술적 구성요소로 나룰 수 있음. 반도체 부분은 온도, 빛 움직임, 위치 등을 감지하는 센서, 데이터 송수신을 위한 유무선 통신 칩, 그리고 데이터를 처리하는 프로세서와 메모리 등을 포함.

    [ IoT로 연결되는 기기수 ]

    IoT로 연결되는 기기수

    * 출처 : 에릭슨 모빌리티 리포트 2016

  • 사물인터넷 (IoT)의 핵심 통신 기술인 LPWA의 대표 기술은 표준 기술인 LTE-M, NB-IoT와 비표준 기술인 LoRa, SigFox 등이 있음

[ LPWAN의 기술비교 ]

(단위 : 백만 달러, %)

LPWAN의 기술비교
구분LTE-MNB-IoTSigFoxLoRa
커버리지 ~11km ~15km ~12km ~10km
주파수대역 면허 대역(LTE 주파수) 면허 대역(LTE 주파수) 비면허 대역(RFID-USN대역) 비면허 대역(RFID-USN대역)
통신속도 ~10Mbps ~100Kbps ~100bps 10kbps
로밍 가능 가능 불가능 불가능
표준화 3GPP Rel8 3GPP Rel13 비표준 비표준
배터리수명 ~10년 ~10년 ~10년 ~10년

* 출처 : BCC Research(2015), Air Pollution Control Equipment: Technologies and Global Markets '12-'14년 성장률을 이용하여 계산

자동차는 차량 자체의 성능향상, 편안함, 편리함, 안전함을 지키기 위해 전자시스템을 더욱 강화하고 있음. 이에 많은 새로운 IC 시스템이 개발되고 채택되어, 2017년 자동차 IC시장은 전년대비 22% 증가한 280억 달어를 기록할 것으로 예상됨

[ 자동차용 IC 시장 ]

자동차용 IC 시장

  • 마이크로 컨트롤러 (MCU), 아날로그 IC, DRAM, 낸드플래시, 로직 IC등이 자동차 IC를 구성하고 있으며, 이들이 꾸준한 성장을 이끌어 가고 있음
  • 2020년까지 첨단 운전자 지원 시스템 (ADAS)이 자동차용 IC의 가장 큰 수요처가 될 것으로 기대하고 있음. 다양한 ADAS 시스템이 자동차 및 운전자의 도로를 안전하게 유도할 것이며, 향후 10년 이내에 자율자동차의 필수 제품이 될 것임

전자기기에서 반도체의 비중을 살펴보면, 2017년 전자기기의 평균 반도체 내장률은 28.1%에 달할 것으로 예측되며, 이는 매우 높은 비중임.

  • 전자기기 시장의 성장은 그다지 높지 않은데, 반도체 시장은 고성장을 나타내고 있음. 일반적으로 전자기기 시장에 비해 반도체 시장의 연평균 성장률이 높게 나타나는데, 이는 전자시스템에 사용되는 반도체의 가격상승 또는 채택률 증가에 기안함

세계 IC칩 시장규모는 2016년 119억 달러로서 2017년부터는 큰 폭의 증가추세를 보여 2012년에는 151억 달러로 성장할 것으로 전망하고 있음

[ IC칩 분야의 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

IC칩 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 11,916 12,129 12,820 13,551 14,323 15,139 5.7

* 출처 : 참고자료를 바탕으로 추정함. Global Industry Analysts inc(2009.2), iSuppli 2007, 2008, IDTechEx(2005, 2006), Gartner(2007.12, 2008.4)

향후 반도체 산업은 대체로 IoT 성장, AI (인공지능) 반도체 개발 가속, 신메모리 시대 진입 등의 요인에 의해 크게 성장할 것으로 예상됨.

  • IoT 도입이 확대됨에 따라 반도체가 새로운 성장을 맞이할 것으로 전망됨. 이는 IoT 도입을 통해 인구증가, 고령화, 도시화 등 사회 문제를 해결하기 위해 각국이 정책을 적극적으로 폎쳐나가기 때문
나. 국내시장

세계 이동통신 시장은 90년대 773억 달러(2G)에서 2000년대 5,047억 달러(3G), 2010년대 1조 5,500억 달러 (4G) 규모로 20배 성장함. 국내 시장도 24.7억 달러 (2G), 234.5억 달러 (3G), 370.6억 달러 (4G) 규모로 꾸준히 성장함. 5G 이동통신은 2020년 상용화 서비스가 개시되어 기존 3G, 4G 시장을 점진적으로 대체할 것으로 예상되며, 2026년 5G 시장은 이동통신 전체 2조 3,175억 달러의 50%인 1조 1,588억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됨. 국내의 경우 2020년 5G 상용화시, 2026년 국내 이동통신 시장 635억 달러의 60%인 381억 달러 규모로 성장할 것으로 기대됨

[ 고주파 반도체 분야의 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

고주파 반도체 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 2,265 2,369 2,463 2,562 2,664 2,771 4

* 출처 : 참고자료를 바탕으로 추정함. 반도체재료 데이터북, 2008, 파워디바이스 2009년 정보통신연구진흥원, 2008 전자신문, iSuppli 2009, 지식경제부 이차전지산업발전전략(2009.12), OIDA report(2006)의 Source & Detectir 부문의 자료 인용

[ 세계/국내 이동통신 시장 전망 ]

세계/국내 이동통신 시장 전망

* 출처 : 한국전자통신연구원 2013

반도체 전체 품목에서 한국은 세계 시장의 19%를 점유하는 세계 2위의 반도체 국가임. 그러나 세계 1위인 미국과의 격차가 크며 메모리에 치중된 산업 구조이기 때문에 고주파 반도체 등 시스템 반도체로의 품목 다변화가 절실히 필요함.

[ 세계 반도체 시장의 국별 시장 점유율 ]

세계 반도체 시장의 국별 시장 점유율

* 출처 : IC Insight 2017

  • 한국은 2013년에 역사상 처음으로 일본을 추월하며 세계 2위 반도체 생산 국가로 부상했음
  • 중국은 2단계로 조성하는 국가집적회로 산업 투자기금을 반도체 업체 인수합병에 활용하려 했으나 미국이 기밀 유출을 이유로 막아서자 반도체 설계가 주력인 팹리스 육성에 1500억 ~ 200억 위안에 이르는 규모의 20 ~ 25%를 투자하기로 함
  • 한국은 20년 가까이 세계 반도체 시장의 70% 이상을 차지하는 시스템 반도체, 팹리스 반도체 설계 산업 육성에 관심을 기울여 왔으나 2017년 현재 한국 팹리스 산업은 글로벌에서 존재감을 찾기 어려움
  • 자율주행자동차, 사물인터넷, 인공지능 등 4차 산업혁명 유관 산업은 과거 휴대폰 산업 이상으로 국내 팹리스 반도체 설계업계에는 기회의 시장임을 감안하면 글로벌 경쟁에서 밀리며 고사 위기의 형편에 놓은 업계를 위해 과감한 정책 지원이 필요함
  • 산업통상자원부는 2025년까지 시스템반도체 산업 시장 점유율을 10%까지 높이기 위해 민관 합동으로 4,645억원을 투입하기로 함. 시스템 반도체 3대 유망 기술인 저전력, 초경량, 초고속 반도체 기술 확보에 2,645억원을 투자하고 관련 전문 인력도 4년간 2,880명 이상을 양성하기로 함 (2017)
  • 과학기술정보통신부와 산업통상자원부는 2조5000억원 규모의 범부처 반도체 연구 R&D 국책 과제를 기획하고 있음. 계획기간은 10년임. 한국전자통신연구원 (ETRI), 한국과학기술연구원 (KIST), 전자부품연구원 (KETI), 한국표준과학연구원 (KRISS) 등 정부출연 연구기관의 반도체 분야 박사들과 국내 각 대학 교수 50여명이 새로운 국책 과제 기획 작업에 참여함. 과학기술정통부와 산업부는 9월 공청회를 거친 뒤 기획재정부와 한국과학기술기획평가원 (KISTEP)에 예비타당성 조사를 신청할 계획임
    • 기획될 반도체 국책과제는 크게 1. 인공지능 분야, 2. 사물인터넷 분야, 3. 차세대 반도체 생산 관련 장비, 재료 분야로 분류되어 원천기술 개발과 상용화 기술 개발 모두를 아우르며 원천기술은 과기정통부, 상용화 기술은 산업부가 각각 관장하기로 함.

국내 수요기업은 일부 국내 팹리스 업체로부터 고주파 반도체를 조달하고 있으나, 국내 제품의 포트폴리오 한계, 신뢰성, 고주파 반도체의 성능 문제 등으로 대부분 수요를 해외기업으로부터 주로 조달

  • 삼성은 차세대 5G 무선 통신에 핵심 역할을 할 통신칩 개발에 성공함. 개발에 성공한 5G 무선통신용 RFIC 칩은 28GHz 대역을 지원함. (2017.2)
  • 국내 팹리스 집적회로 설계 업체 FCI, 아이엔씨테크놀로지, 라온텍 등은 2G/3G/4G 통신칩, Mobile TV, Digital TV, 802.11 a/b/g/n WiFi SoC 칩들을 상용화 했음
4.기술분석
가. 기술환경 분석

연구 개발 동향

  • 고주파 반도체 기술은 크게 이동통신, 무선랜, 사물인터넷 통신 등 시스템의 요구사항에 따라 발전하여 왔음
  • 모바일 IT 및 IoT 시대가 도래하면서 무엇보다도 광대역 및 다중 대역의 신호를 높은 주파수 대역에서 처리해야하는 고성능 고주파 반도체와 함께 저전력의 소형 고주파 반도체가 동시에 요구됐으며, 이후에는 고주파 반도체와 디지털 프로세서가 하나로 통합하는 SoC 형태로 발전해 옴

최근 자동차, 모바일, 웨어러블, IoT 등에 활용되는 고주파 반도체 칩에 대한 관심이 집중되어 있어 국가적 차원의 지원과 산업화가 필요함

  • 5G에서는 센티미터파 (3~30GHz), 밀리미터파 (30 ~ 300GHz)의 높은 주파수 대역에서 수백 MHz 이상의 광대역 폭을 이용해 데이터를 고속으로 전송할 수 있어야 함.
  • 차량용 레이다의 할당 주파수 대역은 24GHz (200MHz), 77GHz (1GHz), 79GHz (4GHz) 등이며 이중 24GHz는 저가형 레이더로, 79GHz는 자율주행차 보급에 따라 시장이 늘어날 전망임. 레이더용 RF 반도체는 초고주파 아날로그 회로 설계 기술이 필요하며 특히 장거리용 RF 반도체는 화합물 반도체 (SiGe) 기반으로 상용화 됨. 이 때문에 77GHz용 RF IC를 제품화한 업체는 인피니언과 프리스케일을 이수한 NXP 반도체 정도임. 후발 업체들은 CMOS 기반 레이더용 RF 반도체 개발에 열을 올리고 있음.
  • 광대역 무선랜 표준인 802.11ad는 60GHz대역을 사용하는 것으로 2012년에 공개됨. 그러나 802.11ad와 호환성을 가지는 802.11ay는 속도를 몇 배 더 높이기 위해 개발된 것으로 채널 본딩, MIMI 기타 기능을 활용하면 속도가 200Gbps에 육박하고 도달 거리는 약 300미터 이상이 될 것이라고 업계 관계자들이 밝힘.
  • 고주파 반도체를 위한 IoT의 네트워크 영역을 좀 더 자세히 살펴보면 크게 1 근거리 통신망, 2 저전력 장거리 통신기술, 그리고 기존 셀룰러 네트워크등을 사용하는 방식으로 나눌 수 있으며 LPWA 분야에서 향후 고성장이 예상됨.

    [ IoT의 무선 Connectivity ]

    IoT의 무선 Connectivity

  • 광대역 무선랜 표준인 802.11ah는 반경 1km 내외에서 사물통신 서비스를 제공하는 광역 와이파이 기술로 1GHz 이하 비면허 대역 주파수 및 TV 유휴 주파수 대역을 동시 사용하는 시스템으로 시장 확대 전망됨

    [ 광역 와이파이 개념도 ]

    광역 와이파이 개념도

고주파 반도체 기술은 사용 대역폭과 사용주파수에 따라 기술의 난이도가 달라지고, 주요 설계 이슈로는 고집적화, 저전력화, 고안정화, 다기능화 등임. 최근 응용 시스템 주요 분야가 기술이 고도화되고 복잡화되어 다중대역처리, MIMO, CA, 초고주파 대역 설계, 광대역폭 처리, 빔포밍등 집적회로의 개발이 점점 어려워지고 있음

[ 고주파 반도체 분야 기술 개발 동향 ]

고주파 반도체 분야 기술 개발 동향
주요 분야집적회로주요 이슈
이동통신 4G/5G
  • 다중 대역 처리
  • MIMO (Multiple Input Multiple Output)
  • CA (Carrier Aggregation)
  • mmWave의 초 고주파 대역 설계
  • 수백 MHz 이상의 대역폭 처리
  • 빔 포밍 설계
무선랜 통신 광대역 무선랜
  • 다중 대역 처리
  • MIMO (Multiple Input Multiple Output)
  • 수백 MHz 이상의 대역폭 처리
  • 빔 포밍 설계
  • 디지털 프로세서와의 SoC 집적회로 설계
협대역 무선랜
  • 소형화를 통한 저가격화
  • 디지털 프로세서와의 SoC 집적회로 설계
IoT 통신  
  • 소형화를 통한 저가격화
  • 디지털 프로세서와의 SoC 집적회로 설계
레이다 자동차용 레이다
  • mmWave의 초 고주파 대역 설계
  • 안테나 설계
  • 빔 포밍 설계
일반 탐지 레이다
  • mmWave의 초 고주파 대역 설계
  • 빔 포밍 설계
5. 핵심요소기술 선정
  • 확정된 요소기술을 대상으로 산․학․연 전문가로 구성된 핵심요소기술 선정위원회를 통하여 중소기업에 적합한 핵심요소기술 선정
  • 핵심요소기술 선정은 기술개발시급성(10), 기술개발파급성(10), 단기개발가능성(10), 중소기업 적합성 (10)을 고려하여 평가

[ 고주파 반도체 분야 요소기술 도출 ]

고주파 반도체 분야 요소기술 도출
분류핵심요소기술개요
플랫폼 개발 집적회로 검증 플랫폼 기술 집적회로 설계 및 검증 위한 플랫폼 기술
사물인터넷을 위한 다중 접속 통신 플랫폼 기술 IoT를 위한 다중 접속 통신 플랫폼 개발 기술
상용 SoC 개발 저전력 집적회로 설계 기술 저전력 디바이스 개발을 위한 집적회로 설계 기술
저전력 집적회로 규격 및 구조 기술 저전력 디바이스 개발을 위한 규격 및 구조 기술
저전력 SoC 고도화 및 상용화 기술 저젼력 디바이스 개발을 위한 상용화 기술