대한민국 반도체 산업의 대표 주자, 'DRAM'의 지속가능을 위한 노력

 

대한민국 반도체 산업의 대표 주자, 'DRAM'의 지속가능을 위한 노력

대학생신재생에너지기자단 23기 김예진, 25기 맹주현

 

[대한민국 메모리 반도체 산업의 중심, DRAM이란 무엇일까?]

먼저 반도체에 대해 간단히 설명하자면 전기와 열이 잘 통하는 도체, 전기와 열이 통하지 않는 부도체의 사이에 있는 물질을 반도체라고 한다. 이러한 반도체는 전자 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 하며, 컴퓨터, 통신, 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 사용된다. 이러한 반도체는 다시 한번 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나뉜다. 메모리 반도체에서 RAM은 데이터를 일시적으로 저장할 때 사용하는 휘발성 메모리고, ROM은 전원이 꺼져도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리다. DRAM은 주 기억장치로 사용되는 동적 메모리로, 데이터를 일시적으로 저장하고 접근할 때 사용한다. DRAM은 1개의 셀, 트랜지스터, 커패시터로 구성돼 있으며 다른 RAM에 비해 간단한 기술로 높은 수준의 용량 집적도를 달성한다. 방대한 양의 데이터를 저장할 수 있어 고성능 서버, 데이터 센터, 데스크탑 등에 쓰인다.

[자료 1. 반도체의 분류] 

출처 : Kodex

이러한 DRAM은 대한민국 대표 반도체 기업 삼성전자, SK하이닉스의 주력 분야다. 2023년 3분기 기준 DRAM 시장의 점유율은 삼성전자 38.9%, SK하이닉스 34.3%로 도합 73.2%의 점유율을 보인다. 현재 DRAM 시장은 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 3강 체제이지만, 한국은 DRAM 분야에서 꾸준하게 독과점을 유지하며 강세를 보인다. 따라서 DRAM은 국가 경제의 중요한 부분을 차지하고 있으며, 산업 전략과 기술 혁신을 통해 국내외 경쟁력을 강화하고 있다.

하지만, DRAM을 비롯한 메모리 반도체의 고속화에 대한 연구가 진행됨에 따라, 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 우려도 있다. 고속 메모리 반도체는 더 높은 전력이 필요하며 이는 전력 사용량의 증가로 이어질 수 있다. 또한 더 많은 열을 발산할 가능성이 있고, 높은 열 발산은 냉각 시스템의 요구량을 증가시켜 폐열 발생 및 수질오염 등 추가적인 환경 부담을 초래할 수 있다. 또한, 고속 메모리의 반도체 생산에는 많은 자원이 필요하므로, 에너지 및 자원 등의 측면도 고려해야 한다.

우리나라 기업은 반도체 산업이 미치는 환경의 악영향을 외면하지 않고, 환경친화적인 DRAM을 만들기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 대표적인 한국의 DRAM 제조 기업인 삼성전자, SK하이닉스는 RE100을 선언하며 탄소중립 실현을 향한 의지를 보였다. 본 기사는 DRAM을 주력 기술로 하는 삼성전자, SK하이닉스가 지속가능을 이루기 위해 DRAM에 관하여 취한 환경친화적 노력에 대해 살펴보고자 한다. 

 

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 1: 소재의 재활용]

삼성전자는 구리 슬러지에서 구리를 추출해 구리괴를 만드는 기술을 개발했다. 슬러지는 반도체를 만드는 데 필요한 물을 정화하는 과정에서 배출되는 찌꺼기다. 본래라면 버려질 폐기물을 DRAM 공정에 사용할 수 있는 자원으로 재활용한 것이다. 또한, CV분진으로부터 금, 텅스텐과 같은 금속을 추출하는 데에 성공했다. 생산 라인에서 흡수되는 먼지인 CV분진은 반도체 공정상 필연적으로 발생하고 폭발의 위험성이 있다. 삼성전자는 지속적인 연구와 함께 폐기물을 재활용한 결과로, 2023년 기준 12개의 사업장을 대상으로 '폐기물 매립 제로'의 인증 등급 중, 플래티넘 등급을 획득했다. (폐기물 재활용 비율 100%:플래티넘, 95~99%:골드, 90~94%:실버)

[자료 2. 반도체 공정 중 발생하는 슬러지와 CV분진]

출처 : SAMSUNG

SK하이닉스는 글로벌 반도체 기업 최초로 재활용, 재생가능 소재를 제품 생산에 적극 활용하기 위한 중장기 계획을 수립했다고 2월 6일 발표했다. SK하이닉스는 생산하는 제품에서 재활용 소재의 사용 비율을 2025년까지 25%, 2030년까지는 30% 이상까지 높이는 것을 목표로 잡았다. 이러한 목표 달성을 위해 반도체 생산에 들어가는 필수 소재인 구리, 주석, 금 등의 금속 소재를 재활용 소재로 전환한다. 금속 소재는 DRAM 제품에서 차지하는 비율이 높으며, 대체하기가 쉽지 않아 재활용 시 자원 순환 측면에서 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 

[자료 3. SK하이닉스 재활용 소재 목표] 

출처 : SK hynix NEWSROOM

재활용 소재 전환 연구에 박차를 가한 SK하이닉스가 특수가스 기업 TEMC와 협업하여 지난 1일 반도체 업계 최초로 네온가스 재활용 기술을 개발했다. 반도체 노광공정에 쓰인 네온 가스를 포집, 분리, 정제 과정을 거쳐 회수하는 데에 성공한 것이다. 현재 네온 회수율은 72.7%며, 네온 재활용 기술을 반도체 팹에 적용할 경우, 네온의 국내 수급률을 크게 높여 연간 400억 원가량을 아낄 수 있다고 예상된다. 또한, 네온 생산 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 이산화탄소 환산량 기준으로 연간 12,000t 감축한다. 2025년까지 네온, 중수소, 수소, 헬륨 등 4개 가스 소재와 황산 등 화학 소재를 포함한 총 10개 원자재의 재활용 기술을 개발할 계획이라 발표했다.

[자료 4. SK하이닉스 네온 가스 재활용 과정]

출처 : SK hynix NEWSROOM

 

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 2: 재생에너지 활용]

삼성전자는 RE100 달성을 위해 2020년 재생에너지 100% 전환된 미국과 중국 사업장을 시작으로, 2050년까지 전체 글로벌 사업장에 재생에너지 사용 비율을 확대해 전력 사용을 줄이려고 한다. 삼성전자는 2018년 미국, 중국의 모든 사업장에서 100% 재생에너지 사용을 추진하는 계획을 발표한 뒤, 풍력발전소 및 태양광발전소, 재생에너지 인증서(REC) 구입, 풍력발전 PPA(제삼자 간 전력 거래 계약제도, Power Purchasement Agreement) 체결 등을 통해 목표보다 1년 앞당겨 2019년 모든 전력을 재생에너지로 대체했다. 2020년에는 미국, 중국을 포함한 해외 모든 사업장에서 사용되는 전력에 대해 재생에너지 100% 전환을 달성했다. 재생에너지 확보를 위한 다양한 포트폴리오 구축을 통해 DRAM을 포함한 반도체 제조공정에서 사용되는 에너지를 절감했고, 온실가스 감축에 기여했다.

[자료 5. 삼성전자 글로벌 재생에너지 사용량] 

출처 : SAMSUNG

한편, SK하이닉스도 해외 사업장 RE100을 달성했으며, 2022년 기준 녹색 프리미엄 제도를 적극 활용하여 국내 사업장에서 재생에너지 사용 비율 29.6%를 기록했다. 2030년까지 전 세계 사업장 전력 사용량의 33%를 재생에너지로 조달하고, 2050년까지 재생에너지 사용률 100% 달성하는 것을 발표했었다. SK하이닉스의 RE100 이행 전략 중, 재생에너지 생태계 내 다양한 이해관계자와의 협력 체계를 공고히 하겠다고 발표한 내용이 있었다. 이를 실천하기 위해 SK하이닉스는 2월 21일에 SK에코플랜트와 직접 전력 거래계약(PPA)을 체결했다. SK에코플랜트 재생에너지 발전소에서 생산된 전력을 SK하이닉스에 공급하여 안정적인 재생에너지 조달 기반을 마련할 계획이다. 또한, SK하이닉스는 애플의 '협력사 청정에너지 프로그램'에 참여하여 모든 아이폰용 반도체 생산에서 100% 재생에너지로 만든 전력을 쓰겠다는 방침을 내놓았다. 이와 같은 기반을 바탕으로 모바일 DRAM 등의 반도체 제조 과정 전반에서 친환경 기조를 구축하는 데 힘쓰고 있다.

 

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 3: 저전력화]

전 세계 인류가 쓰는 천문학적인 데이터를 저장하고 처리하기 위해선 많은 에너지 즉, 전력량이 필요하다. 그린피스 보고서에 따르면, 전 세계 온실가스 배출의 약 72%가 에너지 분야에서 발생한다고 한다. 따라서, 저전력화는 인류의 필수적 과제이며, 삼성전자와 SK하이닉스 모두 에너지 효율성 개선을 위해 노력 중인 분야다. 먼저 삼성전자는 저전력 DRAM인 DDR5를 개발했다. 성능 개선과 전력 감소를 통해 DDR4 대비 30% 높은 전력 효율성을 확보했으며, 전 세계 데이터 센터의 모든 서버용 DRAM을 DDR5로 교체하면 1TWh가 절감된다. 이는 약 15만 가구가 한 달 동안 사용할 수 있는 양이다. (서울시 가구당 평균 전력 사용량 : 221kWh, 한국전력 통계 2022년 상반기 기준) 또한, 데이터 센터 발열을 식히기 위한 전력 소모도 줄어들며, DDR5의 PMIC(Power Management IC)는 전력 관리 효율성과 공급 안정성을 더욱 향상시킨다. 

[자료 6. High-K 물질을 적용한 DRAM 구조]

출처 : SAMSUMG

삼성전자는 업계 최초로 ‘하이케이 메탈 게이트 (High-K Metal Gate, 이하 HKMG)’ 공정을 적용한 업계 최대 용량의 512GB DDR5 메모리 모듈도 개발했는데, 유전율 상수(K)가 높은 물질을 공정에 적용해 고성능과 저전력을 동시에 구현한 것이 특징이다. DRAM에선 전자(-)가 게이트 밖으로 넘어가지 않고 절연막 아래에 얼마큼 채울 수 있는지에 따라 정전 용량이 정해진다. 정전 용량은 절연막의 두께가 얇을수록, 유전율 'K'가 높을수록 커진다. 하지만, 공정의 미세화로 인해 절연막의 두께가 너무 얇아짐에 따라 누설 전류가 발생한다. 이때, 유전율이 높은 물질을 사용하여 누설 전류를 방지하는 것을 '하이케이 메탈 게이트'라 일컫는다. HKMG가 적용된 삼성전자 DDR5 메모리 모듈은 기존 공정 대비 전력 소모가 약 13% 감소해, 데이터센터와 같이 전력효율이 중요한 응용처에서 최적의 해결책이 될 것으로 기대된다.

SK하이닉스는 2022년 11월 세계 최초로 모바일용 DRAM에 ‘HKMG’ 공정을 도입한 LPDDR5X (Low Power Double Data Rate 5X) 개발을 완료했다. LPDDR5X 메모리는 국제반도체표준협의기구가 정한 초저전압 범위인 1.01~1.12V 안에서 작동하지만, 전 세대 제품에 대비해서 소비전력을 최대 25% 줄였다. 반면에 대역폭은 전 세대 대비 33%를 향상해 최대 8.5Gbps까지 기록했다. 작년 8월에는 모바일 DRAM 최초로 24GB까지 용량을 높인 제품을 만들어 고객사 납품을 시작했다. LPDDR5X는 삼성전자도 마찬가지로 차세대 프리미엄 저전력 메모리로 개발해 활용 중이다.

[자료 7. 삼성전자 LPDDR 로드맵] 

출처 : SAMSUNG

 

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 4: 저탄소화]

양사 모두 탄소 배출을 줄이기 위해 RE100을 선언하기 전부터 많은 노력을 기울였고, 저탄소를 위한 노력은 RE100 달성을 도울 수 있는 중요한 요소 중 하나다. 삼성전자는 2020년 DRAM 4종의 제품(SODIMM 8GB, HBM2 8GB, LPDDR5 12GB, GDDR5 8GB)이 ‘카본 트러스트(Carbon Trust)’로부터 제품 탄소 발자국(Product Carbon Footprint, PCF) 인증을 받았다. 카본 트러스트는 원료 채취부터 제조, 유통, 사용 폐기에 이르기까지의 전과정에서 사용되는 탄소의 양을 평가하여 기준을 충족할 경우 ‘탄소 발자국 인증’을 수여하는 친환경 인증 기관이다. 삼성전자는 DRAM을 비롯한 메모리 전 제품군에서 탄소 발자국 인증을 획득하며 전방위적으로 탄소 배출량 감소를 위해 노력하고 있음을 증명했다.

[자료 8. 탄소 발자국 인증을 받은 HBM2 8Gb DRAM 구조]

출처 : SAMSUNG

SK하이닉스는 2018년부터 DRAM · NAND 제품에 대한 탄소발자국 · 물발자국 인증을 연간 2개씩 획득했다. SK하이닉스는 ‘2단계 방안’을 마련하고, 국내외 인증기관을 통해 추가 인증에 나섰다. 1단계는 ‘제조 전 · 제조 단계 탄소 배출량 산정’으로 현재 진행 중이다. 2단계에서는 기존 인증 제품 대비 탄소 배출량을 더욱 줄인 제품(저탄소 제품)으로 탄소발자국 인증을 추진 중이다. 

 

[대한민국 DRAM 기업의 RE100 달성을 위한 과제]

우리나라 대표 반도체 기업인 삼성전자와 SK하이닉스의 지속가능에 기여할 수 있는 DRAM의 환경친화적 노력에 대해 살펴보았다. RE100은 기업이 100% 재생 가능 에너지를 사용하여 탄소 중립을 통한 지속 가능을 추구하는 캠페인으로, 삼성전자는 2022년 9월, SK하이닉스는 2020년 11월 국내 최초로 RE100에 가입했다. 양사는 RE100 가입 전부터 저탄소, 저전력 DRAM을 만들기 위해 노력 중이었으며, RE100 선언 이후에도 재생에너지 사용 증가, 금속 재활용 등을 통해 지속가능을 추구했다. 양사의 핵심 사업인 DRAM의 지속가능을 향한 노력은 RE100이라는 목표를 향해 나아가는 데 큰 도움을 줄 것이다.

하지만, RE100으로 가는 길이 순탄하지만은 않다. 1년이 지난 지금, 삼성전자의 RE100 이행에 높은 점수를 주기 어렵다는 게 중론이다. 표면적으로 재생에너지 사용 비율은 늘었지만, 재생에너지 확대 효과가 큰 자체 건설이나 재생에너지 전력 구매 계약 대신에, 일반 전기요금에 추가 비용을 지불하는 방식을 주로 사용했기 때문이다. 국내 재생에너지 확대를 위해서 정부에 명시적인 요구를 한 흔적도 거의 없다. 삼성전자는 국내 전력 소비 1위이자 온실가스 배출량 8위 기업이므로 국내외 기후변화 대응 단체, 글로벌 투자자들은 삼성전자가 책임감과 리더십을 발휘해야 한다고 말했다.

비용 문제도 RE100을 향해 나아가는 데 큰 걸림돌이다. 수요에 비해 모자란 공급은 가격상승을 유발한다. 한국은 일조량과 바람이 부족하며, 인구밀도가 높아 재생에너지 발전 여건이 불리하다. 또한 유럽이나 북미와 달리 전력 계통이 고립돼 있어 변동성이 큰 재생에너지 확대에도 제약이 있다. SK하이닉스 해외 사업장의 경우, 2022년 재생에너지 100% 사용률을 기록했지만, 국내 사업장에서는 2021년 4%에서 2022년 29.6%로 올리는 데 그쳤다. 한국의 전체 발전량 중에 신재생에너지의 비율은 9.22%로, 발전량 자체가 부족해 기업의 수요에 대응하기가 벅차다.

기후솔루션은 정부가 11차 전력 기본계획 등 에너지 정책을 통해 국내 기업들이 사용할 수 있는 저렴하고 풍부한 재생에너지를 도입할 수 있는 전력시장을 갖춰야 한다고 권고했다. 이보라 기후솔루션 기업 관여 팀장은 “국내 제조업 산업 경쟁력은 이미 글로벌 수준인데 에너지 정책이 이를 뒷받침하지 못하고 있다”며 “국가 경제를 위해 재생에너지 정책을 국제 기준에 맞춰 정비하는 것이 시급하다”고 말했다. RE100 달성을 위해 양사의 노력도 필요하지만 그에 맞춰 정책도 정비돼야, 삼성전자, SK하이닉스가 DRAM의 친환경적인 노력에 힘입어 RE100이라는 목표를 향해 나아갈 수 있을 것으로 보인다.

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반도체에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "반도체, 너 이것도 해결할 수 있어?", 22기 박재욱, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4338

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참고문헌

[대한민국 메모리 반도체 산업의 중심, DRAM이란 무엇일까?]

1) 최양수, “SK하이닉스, 글로벌 반도체 시장 패권 노린다”, 뉴스워치, 2023.12.06, https://www.newswatch.kr/news/articleView.html?idxno=66315

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 1: 소재의 재활용]

1) SK hynix NEWSROOM, “SK하이닉스, 국내 소부장 기업과 힘 합쳐 반도체 업계 최초 네온 가스 재활용 기술 개발”, 2024.04.01, https://news.skhynix.co.kr/post/neon-gas-recycle.

2) 김종성, “삼성전자 DS부문, 폐기물 직매립 제로화로 자원순환율 '플래티넘 등급' 인증”, 인천일보, 2021.05.20, https://www.incheonilbo.com/news/articleView.html?idxno=1095863.

3) 박창섭, 김찬오, “반도체 공정에서 발생하는 혼합분진의 폭발 위험성평가”, 전기학회논문지 67권 3호 2018년 3월, pp. 474~475.

4) 이나리, “SK하이닉스 "재활용 소재 사용 비중 2030년 30% 이상 목표"”, ZDNET Korea, 2024.02.26, https://www.newswatch.kr/news/articleView.html?idxno=66315

5) 이재덕, “폐유리 재활용하고, 구리괴 만들고...디스플레이·반도체 기업들 ‘폐기물 제로’에 도전”, 경향신문, 2022.07.20, https://www.khan.co.kr/economy/economy-general/article/202207201651001.

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 2: 재생에너지 활용]

1) SAMSUNG, “재생에너지로 당신의 기분 좋은 하루가 내일도 이어지기를”, https://semiconductor.samsung.com/kr/sustainability/environment/climate-action/the-energy-that-keeps-life-going/

2) SK하이닉스 지속가능경영보고서, pp.24.

3) 이소영, "SK하이닉스 100% 재생에너지 사용…LG이노텍 태양광 활용 애플, 협력사 탈탄소 행보 공개”, THE GURU, 2023.04.06, https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=52066.

4) 전형섭, “SK에코플랜트, SK하이닉스에 재생에너지 전력 공급”, PAXETV, 2024.02.21, https://www.paxetv.com/news/articleView.html?idxno=197066.

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 3: 저전력화 ]

1) ”삼성전자, 업계 최초 HKMG 공정 적용 고용량 DDR5 메모리 개발”, SAMSUNG, 21. 03. 25, https://semiconductor.samsung.com/kr/news-events/news/samsung-develops-industrys-first-hkmg-based-ddr5-memory-ideal-for-bandwidth-intensive-advanced-computing-applications/

2) 이호, “SK하이닉스, 세계 최초로 모바일용 D램에 ‘HKMG’ 공정을 도입한 LPDDR5X 개발 완료”, Next Daily, 2022.11.09, https://www.nextdaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=211792

3) 최태우, “SK하이닉스, 모바일용 D램 ‘LPDDR5X’ 24GB 패키지 양산 개시”, IT Biz News, 2023.08.12, https://www.itbiznews.com/news/articleView.html?idxno=107701

4) SAMSUNG, “알고 있나요? 삼성 저전력 메모리 반도체가 지구 온도를 낮추는 데 기여한다는 사실?” https://semiconductor.samsung.com/kr/sustainability/environment/green-chip/low-power-memory-chips-are-turning-down-the-heat/

5) SAMSUNG, “DDR5” https://semiconductor.samsung.com/kr/dram/ddr/ddr5/

[지속가능을 위한 DRAM의 노력 4: 저탄소화]

1)”삼성전자, 국내외 인증기관에서 탄소 배출 절감 노력 인정받다”, SAMSUNG, 20. 12. 02, https://semiconductor.samsung.com/kr/news-events/tech-blog/nine-of-samsungs-leading-memory-products-receive-environmental-impact-reduction-recognition-from-the-carbon-trust/

2) “SK하이닉스 SSD에 카본 트러스트 인증 획득… 친환경 행보 ‘가속’”, SK hynix NEWSROOM, 22.07.29, https://news.skhynix.co.kr/post/carbon-trust-sk-hynix-ssd

[대한민국 DRAM 기업의 RE100 달성을 위한 과제]

1) 손영호, “한국 'RE100' 기업 소비전력 비중 10% 넘어서, 재생에너지 정책 필요성 부각”, Business Post, 2024.03.07, https://www.businesspost.co.kr/BP?command=print&idxno=344745

2) 이세연, “REC가격은 오르고, 재생에너지 발전율 겨우 9%…속타는 기업들”, 머니투데이, 2024.03.17, https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2024031513304666051

3) 주영재, “‘RE100 선언 1년’ 삼성전자, 성적표는 ‘글쎄…’”, https://m.khan.co.kr/economy/economy-general/article/202309190830011#c2b