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[서울=뉴스핌] 배상희 기자 = 빛으로 데이터를 움직이는 광반도체는 AI·데이터센터 시대의 핵심 인프라로 부상하며, 중국은 기술 격차 속에서도 국산화와 양산 확대를 통해 빠르게 존재감을 키우고 있다. 공급 부족과 기술 세대 전환이 맞물린 현재, 중국 광칩 산업은 '추격자'에서 '게임 체인저'로 도약할 수 있는 중요한 분기점에 서 있다.

중국 기업의 경우 CW(고출력연속파) 광원과 고급 EML(전기흡수 변조레이저) 칩 등 핵심 기술 영역에서의 돌파 여부가 글로벌 광통신 패권을 좌우할 변수로 부상한 가운데, 실리콘 포토닉스와 CPO(Co-Packaged Optics) 등 차세대 광인터커넥트의 기반 기술의 트렌드까지 더해지며 기술·수요·공급의 변곡점이 동시에 형성되고 있어 주목된다.

◆ 광반도체 vs 일반반도체 '상호 보완'

정보통신·자동차·AI 반도체 등 반도체가 산업 전반의 핵심 인프라로 자리 잡은 가운데 빛을 쓰는 '광반도체'와 전자를 쓰는 '일반 반도체'에 대한 구분이 중요해지고 있다. 모두 반도체라는 공통점을 갖지만, 다루는 신호와 원리, 재료, 응용 등에서 뚜렷한 차이를 보인다.

광반도체는 빛을 이용해 전기 신호를 변환하는 구조로 광통신·디스플레이·센서 등에서 활용되며 초고속·저지연 데이터 전송에 강점을 가진다. 반면 일반 반도체는 전자 흐름을 기반으로 연산·저장·제어 기능을 수행하며 CPU, GPU, 메모리 등 IT 전반의 핵심 역할을 담당한다.

양자는 동작 원리와 소재에서도 차이를 보인다. 광반도체는 갈륨비소(GaAs), 갈륨인듐인화물(GaInP), 질화갈륨(GaN)과 같은 화합물 반도체를 활용해 빛의 생성과 감지를 구현하는 반면, 일반 반도체는 실리콘(Si) 기반으로 고집적·대량생산에 최적화돼 있다.

이처럼 두 반도체는 여러 면에서 뚜렷한 차이점이 있지만, 두 영역은 분리돼 있지 않고 상호 보완적이다.

데이터센터 광모듈, 스마트폰 카메라, 자율주행차 등에서는 광반도체가 '눈' 역할을, 일반 반도체가 '두뇌' 역할을 하며 함께 동작한다.

향후 AI, 고성능컴퓨팅(HPC), 5G/6G·자율주행·로봇 확산으로 고속·저전력 광반도체와 고성능·저전력 일반 반도체 수요가 함께 커지면서, 두 기술의 발전과 융합 수준이 산업 경쟁력을 좌우하게 될 것으로 예상된다.

◆ 中 업계 'CW∙EML 이중트랙으로 승부수'

광모듈은 AI 시대 최대 수혜처로 꼽힌다. 광모듈의 가장 기본적인 기능은 광신호와 전기신호 간 변환이며, 전체 구조는 광칩과 전자칩이 협업하여 구성된다. 그 중 광칩은 광전 변환의 핵심 역할을 담당하며, 현재 업계에서 비용 비중과 기술 장벽이 가장 높은 부분으로 꼽힌다.

광칩 제조 공정은 매우 복잡하다. 전체 과정은 기판 제작, 외연 성장, 웨이퍼 제조, 테스트 및 패키징의 네 단계로 나뉜다.

고급 인듐인화물(InP) 및 갈륨비소(GaAs) 기판은 일본 스미토모전공 등 해외 기업이 독점하고 있으며, 외연 및 격자 공정은 나노 수준 정밀도를 요구한다.

유기금속화학증착(MOCVD), 전자빔리소그래피(EBL) 등 핵심 장비는 납기와 조정 기간이 1년에 달한다. 이러한 엄격한 제조 조건과 긴 인증 주기가 업계의 높은 진입 장벽을 형성하고 있다.

현재 AI 연산력의 지속적인 확장과 함께 고속 광모듈의 세대 교체 속도가 빨라지면서, 업스트림 광칩(광반도체) 공급과 수요의 불일치 문제는 더욱 심화되고 있다.

중국은 중저가 제품에서는 국산화 대체를 일부 달성했고 고급 제품으로 확장 중이다.

아직까지는 해외 선두 기업들이 고급 광칩 생산능력을 독점하고 있으며 AI·데이터센터 시대의 최적 광통신 소재로 꼽히는 인듐인산(InP) 기판 칩은 장기간 품귀 상태다.

중국 기업들은 기술적 난도가 비교적 낮은 CW(고출력연속파) 광원과 고급 EML(전기흡수 변조레이저) 칩의 이중 트랙에서 기술적 돌파를 이뤄가고 있다. 저가·저속 제품이 아닌, 진짜 돈 되고 기술 난이도 높은 두 축에서 승부를 보고 있다는 뜻으로 해석된다.

현지 시장에서는 2025~2027년은 중국 국산 광칩의 대규모 돌파를 위한 유일한 창구가 될 것이라는 진단이 나온다.

해당 기간은 글로벌 통신·AI·데이터센터 투자 사이클과 기술 세대 전환(800G·1.6T 광모듈, CPO 도입 등)이 맞물리는 시점으로, 이 기간 동안 중국이 CW 광원과 EML 칩에서 국산화·양산·신뢰성을 빠르게 끌어올릴 경우, 중국산 광칩이 글로벌·내수 시장에서 한 단계 도약할 수 있는 절호의 기회가 될 수 있다는 뜻이다.

◆ 광반도체 업계 현황 '4대 핵심 포인트'

1. 비용 구조의 개선, 실리콘 포토닉스의 경제성 부각

800G 광모듈 비용 구조를 보면 기존 방식은 100G EML 레이저 8개를 사용하며, 레이저 비용 비중이 21%에 달한다. 반면 실리콘 포토닉스 모듈은 100mW CW 광원 2개만 필요해 레이저 비용 비중이 9%까지 낮아진다.

핵심은 CW 광원이 다채널 분광을 지원하여 하나의 광원으로 여러 신호를 구동할 수 있어 칩 사용량을 크게 줄일 수 있다는 점이며, 고속 세대 교체가 진행될수록 비용 우위는 더욱 확대된다.

2. '기술·생산력·고객'의 삼중 장벽, 높은 '증설 난도'

기술 측면에서 국내 고속 광칩 수율은 30%~40% 수준인 반면, 해외 기업은 60% 이상을 안정적으로 유지하고 있어 외연 및 격자 공정에서 격차가 존재한다.

생산능력 측면에서는 고급 장비 납기가 길고 인듐인산(InP) 기판 공급이 부족해 전 세계적으로 생산 확대 속도가 느리다. 고객 측면에서는 내부 테스트, 모듈 검증, 최종 인증까지 약 2년이 소요되며, 인증 통과 이후 고객 락인 효과가 매우 강해 신규 업체 진입이 어렵다.

3. AI가 수요폭발 견인, 수급부족 2027년까지

수요 증가는 AI 추론 상용화, 데이터센터 네트워크 구조 업그레이드, 클라우드 기업의 주문형반도체(ASIC) 개발이라는 세 가지 요인에 의해 발생한다.

엔비디아 B300, 메타 자체 칩 등은 광모듈 사용 비중을 크게 높였으며, 단일 칩당 최대 800G 광모듈 8개가 필요하다.

현재 해외 InP 광칩 공급 부족은 25%~30% 수준이며, 업계는 고속 광칩 공급 부족이 2027년까지 지속될 것으로 보고 있다.

4. 국산 대체 가속화, 'CW 선행+EML 추종' 구조

국내 기업들은 기술 난도가 낮은 CW(고출력연속파) 광원부터 돌파하고 있다.

중국 대표 기업인 원걸반도체(688498.SH), 딩신광전(鼎芯光電∙ETERN LASER), 사가광자(688313.SH)는 각각 70mW급 광원을 양산하고 있으며, 특히 사가광자는 전 출력 구간 제품 라인업을 구축했다.

고급 EML(전기흡수 변조레이저) 분야에서도 실질적인 진전이 나타나고 있으며, 장광화심(688048.SH)은 100G EML 제품을 2025년 2분기 양산했고, 쏘스포토닉스(索爾思光電∙SOURCE Photonics, 중국 동산정밀이 2025년 인수)은 100G/200G EML을 대규모로 공급하면서 해외 AI 공급망에 진입했다.

◆ 광반도체 성장성 확실, 향후 '2대 방향성'

현재 시장의 의견을 종합해보면, 광칩 영역을 아우르는 광모듈 시장은 규모 측면에서 산업 성장의 확실성이 매우 높다.

2025년 글로벌 광모듈 시장 규모는 238억 달러에 달하고, 중립적 가정 기준으로 2030년 글로벌 레이저 시장 규모는 89억3300만 달러에 도달해 연평균 성장률 36.9%를 기록할 것으로 예상된다. 낙관적 시나리오 하에서 2030년 레이저 시장 규모는 115억 달러를 상회할 가능성도 있다.

또한 NPO, CPO, OIO 등 차세대 광인터커넥트 기술이 지속적으로 발전하면서 2030년 CPO시장은 81억 달러 규모로 성장해 고출력 CW 광원 수요를 장기적으로 견인할 전망이다.

참고로 NPO, CPO, OIO는 전통 전기 인터커넥트를 대체하기 위해 '광(光)'을 패키징 방식으로 칩 가까이에 붙이는 '차세대 광 인터커넥트·패키징 아키텍처'들이다.

차세대 광인터커넥트 규모가 커질수록, 그 안에서 데이터를 실어 나르는 '레이저 광'도 더 많이·더 강하게 필요해지기 때문에 고출력 연속파(CW) 광원 수요가 구조적으로 같이 커질 수밖에 없다.

이러한 전망 속 향후 산업은 두 가지 뚜렷한 방향으로 전개될 것으로 예상된다.

첫째, 기술 측면에서는 실리콘 포토닉스 침투율이 지속적으로 상승하며, CPO(Co-Packaged Optics) 기술과 결합해 고속·저전력·저비용 구조가 주류가 될 것이다. 이에 따라 고출력 CW 광원은 장기적으로 공급 부족 상태가 지속될 가능성이 높다.

둘째, 경쟁 구도 측면에서는 해외 기업의 증설에도 불구하고 생산능력 확장은 제한적이며, 국내 기업은 생산능력 확대와 고객 인증 완료를 기반으로 저가 제품에서 고급 데이터통신 시장으로 점진적으로 진입, 국산 대체는 단일 포인트 돌파에서 대규모 확장 단계로 전환될 가능성이 있다.

현재 원걸반도체(688498.SH), 장광화심(688048.SH)，광신과기(002281.SZ), 동산정밀(002384.SZ) 등 주요 기업들은 생산능력을 지속적으로 확대하고 있으며, 이번 공급 부족 사이클의 최대 수혜자로 평가된다.

다만 연구개발 수율이 기대에 미치지 못할 가능성, 다운스트림 수요 변동, 산업 경쟁 심화 등의 리스크도 존재한다. 장기적으로는 종합반도체기업(IDM) 전 공정 역량과 고급 제품 포트폴리오를 갖춘 국내 기업의 성장 가시성이 높을 것이라는 진단이 나온다.

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pxx17@newspim.com