파운드리는 현대 반도체 산업에서 핵심적인 역할을 담당하는 위탁 생산 전문 기업입니다. 반도체 설계 전문 기업인 팹리스가 개발한 반도체 제품을 실제로 생산하고 공급하는 공장을 가진 '반도체 위탁 생산' 업체를 의미합니다. 즉, 파운드리는 반도체 제품의 설계와 기술 개발은 하지 않고, 팹을 통한 반도체 생산에만 집중하는 제조 업체입니다.
파운드리의 어원과 기본 개념
파운드리라는 용어는 원래 주형에 쇳물을 부어 금속이나 유리 제품을 찍어내는 주조 공장을 의미했습니다. 금속을 녹여 거푸집에 넣고 가공하는 생산시설인 주조소에서 유래한 용어로, 반도체 산업에서는 실제 생산을 담당하는 공장이라는 의미로 확장되었습니다. 반도체 설계 기술은 있으나 생산 기반이 없는 기업들이 등장하면서 반도체 위탁 생산에 대한 수요가 증가했고, 파운드리의 개념이 반도체 산업에 적용되기 시작했습니다.
본래 반도체 산업 초창기에는 대부분의 기업이 설계부터 제조까지 모든 과정을 자체적으로 수행하는 IDM 방식이 일반적이었습니다. 그러나 1980년대 중반 뛰어난 기술력을 가졌지만 자본 및 생산시설이 부족한 반도체 설계업체들이 늘어나면서, 종합반도체사의 과잉설비를 이용하거나 전문 파운드리 업체의 필요성이 인지되기 시작했습니다.
파운드리 산업의 역사와 발전
파운드리의 역사는 1987년 설립된 대만의 TSMC와 함께 시작되었습니다. 당시 이미 공고했던 반도체 시장에 진입하기 위해 칩 위탁 생산에만 전념하는 파운드리 사업을 전개했으며, 이는 반도체 산업에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 1981년 서던 캘리포니아 대학교 정보과학부에서 MOSIS라는 이름으로 멀티프로젝트 웨이퍼를 주문하기 시작했고, 이러한 배경과 맞물려 공업기술연구원으로부터 파생되어 창업한 TSMC는 팹리스 회사들의 기반을 제공하며 성장하게 되었습니다.
삼성전자는 TSMC보다 훨씬 늦게 파운드리 사업에 진출했습니다. 2005년부터 파운드리 사업에 손을 댔지만, 사업 팀이 독자적인 사업부로 분리된 때는 2017년입니다. 삼성전자는 Foundry사업부를 출범하고 첨단 공정기술을 기반으로 한 반도체 생산에 주력하고 있습니다. 1980년대 반도체 연구자들과 뛰어난 기술력을 가졌지만 자본 및 생산시설이 부족한 반도체 설계업체들의 생산소요를 안정적으로 감당할 수 있는 파운드리 업체의 필요성이 인지되면서 이 산업은 본격적으로 성장하기 시작했습니다.
파운드리의 역할과 비즈니스 모델
파운드리 업체는 완성된 칩을 생산해 파는 것이 아니라, 실리콘웨이퍼에 고객이 설계한 대로 특정 공정으로 처리해서 웨이퍼 채로 납품합니다. 이를 검사하고 잘라서 칩으로 만드는 것은 기본적으로 다른 반도체 패키징 업체가 담당합니다. 따라서 가격도 칩 당 얼마가 아니고 특정공정으로 처리한 웨이퍼 1장당으로 매깁니다. 예를 들어 14nm FinFET 공정 300mm 웨이퍼 1장 당 1200달러 이런 식입니다.
고객사가 파운드리 업체와 계약을 맺을 때 찍어낼 회로가 담겨져 있는 일종의 원판, 즉 마스크를 파운드리 업체에 주고 계약이 끝나면 도로 다시 회수해갑니다. 마스크에는 고유의 식별번호가 있기 때문에 고객사 외에는 회로 정보를 열람하거나 복제할 수 없습니다. 따라서 파운드리 업체는 생산한 웨이퍼의 양품 여부를 완전히 판단할 수 없습니다.
팹리스 업체가 설계한 칩을 파운드리 업체에 생산을 의뢰하기 위해 설계와 레이아웃과 검증을 끝내는 것을 tape out이라고 합니다. 이때 회로도가 아니라 배치가 끝난 도형정보로 이를 기계가공 NC 머신에 종이테이프로 입력하듯 물리적 마스크를 만듭니다.
파운드리와 팹리스, IDM의 차이점
반도체 산업의 비즈니스 모델은 크게 세 가지로 구분됩니다. 첫째, 팹리스는 반도체의 개발 및 설계만 하고 생산은 파운드리에 맡기는 업체를 뜻합니다. 팹이란 반도체 생산의 핵심인 실리콘 웨이퍼를 만드는 공장을 의미하는데, 팹리스 업체는 기술력은 있으나 대규모 생산 공장을 운영할 정도의 자본이나 인력을 보유하지 못한 경우가 많습니다. 대표적인 팹리스 기업으로는 애플, 퀄컴, 엔비디아, AMD, 미디어텍, 브로드컴 등이 있습니다.
둘째, 파운드리는 반도체 위탁생산 전문업체로, 개발 및 설계를 하지 않는 대신 타사에서 개발한 반도체의 설계 데이터를 기반으로 생산에만 집중하는 업체입니다. TSMC, 글로벌파운드리가 대표적인 반도체 파운드리 업체이며, 삼성전자나 SK하이닉스와 같이 IDM과 파운드리 사업을 병행하는 업체도 있습니다.
셋째, IDM은 반도체의 개발부터 설계, 생산까지 모두 자체적으로 하는 업체를 뜻합니다. IDM 사업을 이어가기 위해서는 기술력은 물론, 자본력이나 인력, 그리고 마케팅 능력까지 높은 수준을 유지해야 합니다. 대표적인 IDM 업체로는 인텔, 삼성전자, SK하이닉스, 텍사스 인스트루먼트 등을 들 수 있습니다.
파운드리와 IDM의 주요 차이점은 비즈니스 모델에 있습니다. 파운드리는 제조에 특화된 모델인 반면, IDM은 설계부터 제조, 판매까지 모든 과정을 통합적으로 운영합니다. 파운드리는 다양한 반도체 설계 회사와 협력하여 폭넓은 고객층을 보유하지만, IDM은 주로 자체 브랜드의 제품을 생산하고 판매합니다.
글로벌 주요 파운드리 기업
전 세계적으로 파운드리 시장은 소수의 초대형 기업들이 주도하고 있습니다. TSMC는 전체 파운드리 시장 점유율의 50% 이상을 차지하며, 초미세공정 분야에서 가장 앞서 있습니다. 2025년 1분기 기준 TSMC의 글로벌 파운드리 시장 점유율은 67.6%에 달하며, 세계 1위 파운드리 기업으로서 압도적인 위치를 차지하고 있습니다. TSMC의 주요 고객사로는 애플, 엔비디아, 퀄컴 등이 있습니다.
삼성전자는 TSMC와 경쟁 구도를 형성하고 있으며, 메모리 반도체 분야에서는 독보적인 위치를 차지하고 있습니다. 삼성전자의 주요 고객사로는 테슬라, 구글 등이 있으며, 최근 GAA 기술을 세계 최초로 도입하며 기술 격차를 줄이려는 시도를 이어가고 있습니다. 그러나 2025년 1분기 삼성전자의 글로벌 파운드리 시장 점유율은 7.7%까지 주저앉았으며, 이는 통계 집계 이래 가장 낮은 수치입니다.
글로벌파운드리는 미국 중심의 중간 시장을 타겟으로 하며, IBM, AMD 등을 고객사로 두고 있습니다. SMIC는 중국 내수 중심으로 성장하고 있으며, 기술력은 다소 뒤처지지만 빠르게 성장 중입니다. 2025년 1분기 SMIC는 6%의 점유율을 기록하며 삼성과의 격차를 불과 1.7%포인트까지 좁혔습니다.
파운드리 공정 기술의 발전
파운드리 업체들은 핀펫(FinFET), 극자외선(EUV) 공정 등 첨단 기술을 통해 미세공정의 한계를 돌파하고 있습니다. 삼성 파운드리는 업계를 선도하며 고성능 애플리케이션을 위한 공정 노드와 더불어 현재와 미래의 플랫폼을 지원하는 핀펫 및 EUV 공정 기술을 최초로 개발했습니다.
EUV(Extreme Ultraviolet) 리소그래피는 반도체 제조 공정에서 파장이 13.5nm인 극자외선을 이용해 초미세 회로를 새기는 기술입니다. 기존의 DUV 리소그래피보다 더 짧은 파장을 사용하여 5nm 이하의 초미세 반도체 공정이 가능해졌습니다. EUV 공정의 장점으로는 초미세 공정 구현, 불필요한 레이어를 줄여 공정 단순화 및 생산성 향상, 반도체 칩 성능 개선 및 전력 소모 감소 등이 있습니다.
파운드리 업계에서 10nm 혹은 그 이하의 미세공정 양산에 성공한 기업은 현재 TSMC와 삼성 파운드리, 인텔 파운드리, SMIC가 존재합니다. 앞으로는 2nm 이하, 3D 소자 구조 등 더욱 첨단화된 공정 개발이 가속화될 전망입니다.
파운드리 산업의 시장 전망
글로벌 반도체 파운드리 시장 규모는 2024년에 1,485억 달러로 평가되었습니다. 시장은 2025년 1,750억 달러에서 2032년까지 2,582억 달러로 증가하여 예측 기간 동안 5.7%의 CAGR을 나타낼 것으로 전망됩니다. 아시아 태평양은 2024년에 86.33%의 점유율로 글로벌 시장을 지배했습니다.
카운터포인트 리서치에 따르면, 칩 파운드리 성장률은 2025년에 20%에 도달할 가능성이 크며, 이는 주로 TSMC와 AI 열풍을 탄 소규모 경쟁업체들의 주도로 이루어질 것으로 전망됩니다. 2025년 전체 파운드리 활용률은 약 80%가 될 것으로 예상되며, 고급 노드는 성숙한 노드보다 더 높은 활용률을 유지할 것입니다.
시장은 인공지능의 발전, 기계 학습, 5G 및 사물인터넷의 성장에 의해 주도되고 있습니다. 파운드리는 연구 개발에 많은 투자를 하여 7nm, 5nm, 3nm 및 2nm와 같은 고급 프로세스 노드를 개발하고 제공하여 이러한 첨단 응용 프로그램의 요구를 충족시키고 있습니다.
파운드리 산업의 중요성과 필요성
전기 자동차와 자율주행 시스템의 확산은 파운드리 산업에 새로운 기회를 제공하고 있습니다. EV는 배터리 관리, 전력 전자 장치, 모터 제어 및 온보드 충전을 포함한 다양한 시스템을 위한 정교한 반도체 구성 요소가 필요하며, 이러한 구성 요소는 종종 고급 반도체 제조 공정이 필요합니다. Tesla, Rivian, Ford 및 General Motors와 같은 EV 제조업체의 빠른 성장은 고급 반도체에 대한 수요를 급증시켰습니다.
ADAS 시스템은 센서, 카메라, 레이더 및 기타 전자 구성 요소에 크게 의존하여 실시간 데이터를 제공하고 운전자가 도로를 안전하게 탐색하는 데 도움을 줍니다. 반도체 파운드리는 이러한 ADAS 애플리케이션에 필요한 고성능 칩을 제조하는 데 중요한 역할을 합니다. 2021년 TSMC는 자동차 칩 생산 능력을 확대하는 데 28억 달러를 투자했으며, 2022년 GlobalFoundries는 Bosch와 제휴하여 EVS 및 ADAS 애플리케이션을 위한 차세대 밀리미터파 자동차 레이더 시스템 온 칩을 개발했습니다.
AI와 IoT의 발전은 파운드리 산업의 성장을 가속화하고 있습니다. 스마트 홈, 웨어러블, 산업 자동화, 의료 및 자율 주행차를 포함한 다양한 일상 생활에 점점 더 많이 통합되면서 고급 반도체 칩에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
파운드리는 단순한 생산 공장이 아닌 전략적 요충지입니다. 기술력, 수율, 고객 대응 속도, 공정 다양성 등 파운드리의 역량이 반도체 산업 전체 경쟁력을 좌우합니다. 특히 AI용 칩이나 차량용 반도체처럼 고집적·고성능 제품일수록 파운드리의 역할은 더욱 커집니다.
파운드리 제조 공정의 이해
반도체 제조에서 흔히 8대 공정이라는 스텝이 존재하는데, 이는 웨이퍼 제조 공정, 산화 공정, 포토 공정, 식각 공정, 증착 및 이온 주입 공정, 금속 배선 공정, EDS 공정, 패키징 공정을 뜻합니다.
웨이퍼 제조 공정에서는 모래를 뜨거운 열로 녹여 순도 높은 Si 용액을 굳히면 잉곳이라는 실리콘 기둥이 되고, 이 실리콘 기둥을 얇게 slice하면 웨이퍼가 됩니다. 산화 공정에서는 웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려 균일한 산화막을 형성하는 단계로, 이 산화막은 공정 중 웨이퍼 표면을 보호하고 회로와 회로 사이 누설 전류를 차단해 주는 역할을 합니다.
포토 공정은 웨이퍼 위에 반도체 제조를 위해 설계된 회로를 그려내는 과정입니다. 마스크의 회로도를 웨이퍼에 새기기 위해서는 웨이퍼 위에 형성된 산화막 위에 빛에 반응하는 물질인 감광액을 얇고 균일하게 도포한 후, 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시키면 웨이퍼 표면에 회로도가 찍히게 됩니다.
식각 공정은 웨이퍼 위에 그려진 반도체 회로 패턴 외에 필요없는 부분을 제거하는 단계입니다. 증착 및 이온 주입 공정에서는 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 아주 얇은 박막을 입히고, 전기가 통하지 않는 순수한 Si에 불순물을 주입하여 전도성을 갖게 합니다. 금속 배선 공정은 회로가 동작하기 위해 필요한 전기적 신호가 잘 전달되도록 회로 패턴에 따라 전기가 통하는 길을 만드는 과정입니다.
EDS 공정은 전기적 특성 검사를 통해 품질을 테스트하는 과정이며, 패키징 공정은 선별된 반도체 칩들이 기기에 탑재되기 적합한 형태로 만들어지는 단계입니다.
파운드리 산업의 경쟁 구도
TSMC, 삼성전자, 인텔 등 주요 파운드리 기업들 간의 경쟁은 그 출발선이 다른 만큼 다양한 모습으로 나타나고 있습니다. 이 경쟁구도를 파악하는 데 있어 가장 먼저 파악해야 하는 것은 이들의 고객입니다. 고객을 위해 제품을 생산하는 것이 파운드리 사업의 본질이기 때문입니다.
TSMC는 2나노 반도체 삼성전자와 수주 경쟁에서 판정승을 거두었습니다. 파운드리 가격이 높게 책정됐음에도 고객사 주문이 크게 늘어날 것으로 전망됩니다. 애플과 퀄컴, 엔비디아 등 주요 고객사들이 TSMC를 선택하면서 치열한 2나노 수주 경쟁에서 우위를 점했습니다.
반면 삼성전자는 최근 테슬라의 AI5 칩 추가 수주에 성공하며 반등의 기회를 잡았습니다. 테슬라는 TSMC에 전량 주문하려던 AI5 칩을 삼성전자에 나누며 삼성전자 파운드리 라인을 차지하려는 전략으로 보입니다. 현재 TSMC에 수많은 고객사가 몰려 추가 주문을 받기 어려울 정도인데, 비어 있는 삼성전자 파운드리 라인을 먼저 차지해 AI 칩 공급 주도권을 갖겠다는 것입니다.
결론
파운드리는 현대 반도체 산업에서 없어서는 안 될 핵심 요소로 자리 잡았습니다. 반도체 설계를 전문으로 하는 팹리스 기업과 생산을 전문으로 하는 파운드리 기업의 분업화는 반도체 산업의 효율성을 극대화하고 기술 혁신을 가속화하는 데 기여했습니다. TSMC, 삼성전자, 글로벌파운드리, SMIC 등 주요 파운드리 기업들은 첨단 공정 기술 개발에 막대한 투자를 하며 글로벌 시장을 선도하고 있습니다.
EUV 공정과 같은 혁신적인 기술의 도입으로 5nm, 3nm, 2nm 등 초미세 공정이 가능해지면서 파운드리의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. AI, 전기 자동차, 자율주행, IoT 등 첨단 기술 분야의 발전과 함께 파운드리 시장은 지속적으로 성장할 것으로 전망됩니다. 2025년 파운드리 시장 성장률은 20%에 달할 것으로 예측되며, 2032년까지 2,582억 달러 규모로 확대될 것으로 예상됩니다.
파운드리 산업은 단순히 반도체를 생산하는 것을 넘어, 전 세계 기술 혁신의 핵심 인프라로서 역할을 하고 있습니다. 기술력, 생산 능력, 고객 대응력 등 다양한 요소가 파운드리 기업의 경쟁력을 결정하며, 이는 곧 국가 경제와 산업 경쟁력에도 직결됩니다. 앞으로도 파운드리 산업은 반도체 기술의 발전을 선도하며 디지털 시대의 중추적인 역할을 계속해서 수행할 것입니다.