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‘특허 1위’의 착시(Optical Illusion)와 실체: 강유전체(Ferroelectrics), 메모리-로직 경계를 넘는 AI 반도체 패권 경쟁 분석

■ Executive Summary 강유전체의 정의 강유전체(Ferroelectrics)는 외부 전기장이 없는 상태에서도 자발 분극(Spontaneous Polarization) 을 가진 절연체로, 인가된 전기장의 방향에 따라 분극의 방향이 가역적으로 전환되며 전기장-분극 곡선에서 히스테리시스 루프(Hysteresis Loop) 를 형성하는 물질로 정의된다.

이우리 기자입력 2026년 1월 18일수정 2026년 5월 26일

▲ 고요한 클린룸 속의 '보이지 않는 전쟁'. 한국이 특허 출원 수에서 앞서가고 있지만, 웨이퍼 위에는 이미 인텔과 TSMC의 시스템 융합 전략이 침투하고 있다. [사진 = 코리아비즈니스리뷰 DB]

■ Executive Summary

강유전체의 정의 강유전체(Ferroelectrics)는 외부 전기장이 없는 상태에서도 자발 분극(Spontaneous Polarization)을 가진 절연체로, 인가된 전기장의 방향에 따라 분극의 방향이 가역적으로 전환되며 전기장-분극 곡선에서 히스테리시스 루프(Hysteresis Loop)를 형성하는 물질로 정의된다.
특허 점유율 지식재산전략원과 특허청이 2012~2023년 주요 5개 권역(IP5)에 출원된 강유전체 소자(Ferroelectric devices) 특허를 분석한 결과, 한국은 395건(점유율 43.1%)으로 1위를 기록했다.

경쟁 구도 데이터상 한국은 커패시터 중심의 양적 성장이 뚜렷한 반면, 인텔(미국)과 TSMC(대만)의 특허 포트폴리오는 로직 공정 융합 및 임베디드 솔루션에 집중된 경향이 관측된다. 이는 단순 메모리 경쟁을 넘어 시스템 반도체 영역으로의 확장을 시사한다는 분석이 있다.

소재 혁명 과거 PZT(납 기반) 소재가 첨단 로직 공정 적용에 제한적이었던 것과 달리, 하프니아(HfO₂, 산화하프늄)는 기존 HKMG CMOS 공정과 재료적 호환성이 높아 진입 장벽을 낮추는 요인으로 평가받는다.

제언 한국은 ‘출원 수 1위’에 안주하기보다, 강유전체를 활용한 차세대 아키텍처(PIM, CXL) 표준 선점과 장비·소재 공급망 내재화에 역량을 배분하는 것이 장기적 관점에서 유리할 수 있다.

■ 데이터 및 기술 환경 기반 심층 분석

1. [Intro] 기술적 배경: 왜 지금 ‘강유전체’인가?

1) AI 반도체의 미싱 링크(Missing Link) 생성형 AI의 확산으로 데이터 처리량이 폭증하면서, 연산 장치(CPU/GPU)와 저장 장치(DRAM) 간 데이터 이동 속도가 전체 성능을 제한하는 ‘폰 노이만 병목’ 현상이 심화되고 있다.

이에 대한 대안으로 PRAM, MRAM, ReRAM 등 다양한 차세대 메모리가 검토되어 왔다. 특히 데이터센터의 전력 효율(PUE) 개선 압박이 커지면서, 데이터 유지를 위해 지속적인 리프레시(Refresh) 전력이 필요한 D램의 물리적 특성을 보완할 기술적 필요성이 제기된다.

2) 하프니아(HfO₂)의 발견과 공정 호환성 강유전체 메모리(FeRAM)는 과거 PZT(티탄산지르콘산연) 등 복잡한 페로브스카이트 소재를 사용했다. 학계 및 산업계에서는 PZT 기반 강유전체가 납(Pb) 오염 및 공정 호환성 이슈로 인해, 수십 nm 이하의 첨단 로직 공정 적용에는 제한적이었다고 평가한다.

기술적 전환점은 2000년대 중반부터 형성되었다. 2006년경 Qimonda와 NaMLab 연구진이 HfO₂ 게이트 절연막의 특이 거동을 관찰하였고, 이어 2011년 NaMLab의 Müller 연구팀 등이 Si 도핑 HfO₂ 박막에서 강유전성(분극 히스테리시스)을 보고한 논문(Appl. Phys. Lett. 등)을 발표하며 연구가 가속화되었다.

HfO₂는 이미 반도체 게이트 절연막(High-k)으로 사용되던 물질이므로, 기존 HKMG CMOS 공정과 재료 호환성이 높아 추가 인프라 부담을 줄일 수 있다는 점이 주요 장점으로 꼽힌다.

2. 시장 데이터의 팩트 체크 (Data Verification)

지식재산전략원과 특허청이 2012~2023년 IP5(한국, 미국, 중국, 일본, 유럽)에 출원된 강유전체 소자 특허를 분석한 데이터를 기반으로 정량적 현황을 기술한다.

1) 국가별 점유율 및 성장 추이

IP5 전체 강유전체 소자 특허 출원 중 한국은 395건을 기록하며 43.1%의 점유율을 보였다. 이어 미국이 260건(28.4%), 일본이 170건(18.5%), 중국이 42건(4.6%), 유럽이 38건(4.1%) 순으로 집계됐다. 성장세(CAGR) 측면에서 한국은 연평균 18.7%의 증가율을 기록해 5개 권역 중 가장 높았으며, 중국(14.7%)과 미국(12.5%)이 뒤를 이었다. 반면, 일본은 동 기간 연평균 -19.8% 감소한 것으로 나타났다.

2) 기업별 출원 순위 및 비중 개별 기업 단위 출원 수는 다음과 같다.

1위 삼성전자: 255건 (IP5 전체 강유전체 소자 출원의 약 27.8%)

2위 인텔(Intel): 193건 (21.0%)

3위 SK하이닉스: 123건 (13.4%)

4위 TSMC: 93건 (10.1%)

5위 난야(Nanya): 49건 (5.3%)

3. 국가별 전략 심층 분석: Fact vs. Interpretation

데이터 이면에 숨겨진 각국의 전략적 흐름을 객관적으로 파악하기 위해, 관측된 사실(Fact)과 이를 바탕으로 한 분석적 해석(Interpretation)을 엄격히 구분하여 기술한다.

① 미국 (Intel): 시스템 반도체 융합

[Fact] 인텔의 강유전체 소자 특허 출원 추이를 보면, 2017년(38건)과 2018년(58건)에 출원량이 급증하는 구간이 관측된다. 인텔은 193건의 다출원 기업으로서 FeFET(강유전체 전계효과 트랜지스터) 관련 연구 결과를 지속적으로 학회에 발표해왔다.Insight 2017~2018년 FeFET 관련 특허 출원이 집중된 점을 근거로, 업계에서는 이 시기 인텔 R&D가 FeFET 기반 임베디드 메모리와 로직 통합 기술 확보에 주력했을 것이라는 해석을 내놓는다. 이를 두고 옵테인(Optane) 사업 재조정 이후, CPU·로직 다이 내부에 고성능 비휘발성 메모리를 내재화하는 옵션을 강화하는 방향으로 선회한 것으로 보는 시각이 보수적이다. 적어도 특허 포트폴리오상으로는 강유전체를 차세대 트랜지스터의 진화형으로 접근하고 있을 가능성이 높다.

② 대만 (TSMC, Nanya): 파운드리 생태계의 확장

[Fact] TSMC는 IP5 전체 93건, Nanya는 49건의 출원을 기록했다. 특히 TSMC는 2021년(18건), 2022년(26건), 2023년(23건) 등 최근 3년간 출원 수가 증가하는 추세다. 산업계에서는 GlobalFoundries, NaMLab 등이 22nm FD-SOI 공정 기반 임베디드 FeFET 어레이를 공개한 바 있으며, TSMC도 기술 심포지엄 등을 통해 eNVM(임베디드 비휘발성 메모리) 공정 로드맵을 제시해 왔다.Insight 이러한 데이터는 TSMC가 파운드리 고객사(Fabless)에게 제공할 eNVM 솔루션 포트폴리오를 강화하고 있음을 시사한다. 엣지 AI·MCU 설계 고객사 입장에서는, 공정 내에서 비휘발성 메모리를 통합할 경우 칩 수와 패키지 비용을 절감할 수 있어 매력적인 선택지가 될 수 있다. 일각에서는 이러한 흐름이 삼성전자와 SK하이닉스의 범용 메모리 시장 일부를 파운드리 내장형 메모리가 대체할 수 있는 잠재적 위협 요인이 될 수 있다고 분석한다.

③ 한국 (Samsung, SK Hynix): 메모리 고도화 및 미세화

[Fact] 삼성전자와 SK하이닉스는 합산 378건의 특허를 출원하며 IP5 전체의 40% 이상을 점유했다. 공개된 특허의 주요 내용은 커패시터(Capacitor) 구조 개선, 식각 공정 최적화, 신뢰성 향상 등에 집중된 경향을 보인다.Insight 한국 기업들의 전략은 기존 주력 제품인 DRAM과 3D V-NAND의 미세화 한계를 돌파하기 위한 ‘지속적 혁신(Sustaining Innovation)’에 방점이 찍혀 있는 것으로 해석된다. 다만, 포트폴리오가 소자 및 커패시터 구조 개선에 상대적으로 집중되어 있어, PIM·CIM 같은 시스템 아키텍처 레벨의 특허 비중은 경쟁국(인텔 등) 대비 낮을 가능성이 있다는 지적이 제기된다.

④ 일본 (Toshiba, Kioxia, TEL): 소재·장비의 공급자(Enabler)

[Fact] 일본의 특허 출원은 2012~2023년 기간 동안 연평균 19.8% 감소했다. 반면, 도쿄일렉트론(TEL), ADEKA 등 일본 기업들은 HfO₂ 및 HZO(하프늄-지르코늄 산화물) 박막 형성을 위한 ALD(원자층증착) 장비와 전구체 시장에서 글로벌 상위권 점유율을 유지하고 있는 것으로 각종 시장조사기관(Gartner, TechInsights 등)에서 보고된다.Insight 일본 기업들이 PZT 기반 연구 비중을 줄이면서 전체 출원 수는 감소했으나, HfO₂/HZO 관련 소재·장비 시장에서의 영향력은 여전하다는 점에 주목해야 한다. 이는 완성품 경쟁보다는 핵심 공정의 조력자(Enabler) 역할에 집중하여 실리를 취하는 전략으로 해석하는 것이 타당하다.

4. 산업 생태계의 지각변동: AI 컴퓨팅의 아키텍처 혁신

1) SCM(Storage Class Memory)으로서의 시나리오

3D 적층 FeFET 또는 FeRAM 구조는 DRAM과 NAND 사이의 성능 격차를 메우는 SCM 후보군 중 하나로 꼽힌다.

AIP(미국물리학회) 등의 최근 리뷰 논문(J. Appl. Phys. 등)은 28/22 nm급 FeFET 어레이 데모와 기업 시연 사례를 근거로, 상용 SCM 제품이 2028~2030년경 등장할 수 있다는 시나리오를 소개하고 있다. 다만, 이는 공정 난이도와 수율 확보 여부에 따라 변동성이 큰 전망임에 유의해야 한다.

2) 연산과 저장의 통합: PIM & 뉴로모픽

강유전체 트랜지스터(FeFET)는 전압 크기에 따라 채널 전도도가 아날로그적으로 변하는 특성이 있어, 뉴로모픽 칩의 시냅스 소자로 연구되고 있다. 학술 논문 수준에서는 기존 디지털 구현 대비 에너지 효율 개선 가능성이 보고되지만, 실제 대량 양산 시 어느 정도의 전력 절감이 실현될지는 아직 불확실성이 존재한다.

5. 리스크 요인 분석

1) 원천 특허 리스크

[Fact] HfO₂ 기반 강유전성 발견 및 초기 FeFET 구조 관련 특허는 NaMLab, GlobalFoundries, 인텔 등 서구권 진영이 선점한 것으로 알려져 있다.Insight 한국 기업들은 이들 원천 특허를 피하면서 최적화 설계를 해야 하므로, 특허 포트폴리오가 회피 설계나 방어적 개량 특허 중심으로 구성될 가능성이 있다. 실제 특허 분쟁 시의 방어력은 세부 클레임 분석이 추가적으로 필요한 사안이다.

2) 소부장 공급망 의존도

[Fact] HZO 박막용 ALD 장비 및 전구체 시장에서 AMAT, Lam Research(미국), TEL(일본) 등의 비중이 높게 보고되며, 국내 공급망의 비중은 글로벌 톱티어 대비 상대적으로 낮은 것으로 파악된다.Insight 핵심 장비와 소재 공급선이 일부 해외 기업에 집중되어 있는 구조는, 향후 무역 규제나 지정학적 갈등 발생 시 생산 차질을 빚을 수 있는 잠재적 취약점으로 지적된다.

■ 결론 및 제언 (Outlook & Strategic Consideration)

[Data-Driven Insight]

데이터는 한국이 ‘IP5 출원 수 1위’임을 보여주지만, 경쟁국들은 강유전체를 단순 저장 공간을 넘어 로직 칩의 성능을 극대화하는 수단으로 활용하려는 움직임을 보이고 있다. 이는 한국이 주도하는 메모리 시장의 일부가 시스템 반도체 영역, 특히 파운드리의 임베디드 솔루션으로 흡수될 가능성을 시사한다.

[KBR Strategic Suggestion]

한국 반도체 산업이 이러한 구조적 전환기에 대응하기 위해 고려해야 할 전략적 방향성은 다음과 같다.

1) R&D 포트폴리오 확장 소자 단위의 성능 개선뿐만 아니라, 강유전체 특성을 활용한 PIM, CXL 기반 공유 메모리 등 시스템 아키텍처 표준 특허 확보에 R&D 리소스를 추가 배분하는 것이 장기 경쟁력 확보에 유리할 수 있다.

2) 소재 기술의 독자성 강화 해외 기업의 표준 전구체에 전적으로 의존하기보다, 독자적인 도핑 레시피와 열처리 공정 기술을 확보하여 소자 성능을 차별화할 필요성이 제기된다.

3) 오픈 이노베이션 활용 플랫폼 특허를 보유한 해외 연구기관(IMEC, NaMLab 등)과의 공동 연구를 확대하고, 필요시 IP 인수 등을 통해 잠재적인 특허 분쟁 리스크를 선제적으로 관리하는 방안을 검토하는 것이 바람직하다.

[분석 기준 및 범위]
본 기사는 2012~2023년 IP5(한국·미국·중국·일본·유럽)에 공개된 강유전체 소자 관련 특허 데이터와 주요 학술 리뷰(AIP, IEEE 등), 기업의 공개 로드맵을 바탕으로 KBR경영연구소가 분석한 내용이다.

기업의 비공개 R&D 프로젝트나 내부 전략은 본 분석에 포함되지 않았다. 본문에 사용된 ‘시사한다’, ‘해석된다’, ‘전망된다’ 등의 표현은 공개된 데이터를 기반으로 한 분석적 판단이다.

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