일론 머스크가 말한 'FEL 자유전자레이저' EUV 광원, ASML과 뭐가 다를까

테라팹 조감도, 출처 : terafab.ai

2026년 초, X(트위터)에서 짧은 대화 하나가 반도체 업계를 술렁이게 했습니다. 익명의 사용자가 테슬라·스페이스X·xAI가 함께 짓고 있는 초대형 반도체 공장 "테라팹(Terafab)"의 야간 렌더링 이미지를 보고 "이거 싱크로트론(입자가속기) 아니냐, 자유전자레이저(FEL) 기반 EUV 장비를 지을 계획이냐"고 묻자, 일론 머스크가 직접 "FEL FTW(Free Electron Laser For The Win)"라고 답한 것입니다.

단 세 단어짜리 답변이었지만 파장은 컸습니다. 지금 전 세계 첨단 반도체 생산을 사실상 독점하고 있는 ASML의 EUV 노광 방식과는 완전히 다른 원리이기 때문입니다. 이번 글에서는 이 FEL이라는 기술이 정확히 무엇이고, 왜 머스크가 이 방식을 언급했는지, 그리고 실제로 가능한 이야기인지를 차근차근 짚어보겠습니다.

왜 'EUV 광원'이 반도체 산업의 목을 죄고 있나

3나노미터 이하의 첨단 파운드리 공정은 파장 13.5나노미터의 극자외선(EUV)을 쏘는 노광장비 없이는 만들 수 없습니다. 이 장비는 네덜란드 ASML이 세계에서 유일하게 만들고 있고, 대당 가격도 2~3억 달러를 넘습니다.

문제는 이 장비의 심장이라 할 수 있는 '빛을 만드는 방식' 자체가 대단히 비효율적이라는 점입니다. 킬로와트급 전력을 쏟아부어도 실제 웨이퍼에 도달하는 EUV 빛은 수백 와트에 불과합니다. 빛이 약할수록 노광 시간이 길어지고, 그만큼 웨이퍼 생산 속도가 떨어집니다.

지금의 표준: ASML의 LPP(레이저생성플라즈마) 방식

ASML의 EUV 광원은 '레이저생성플라즈마(LPP)' 방식을 씁니다. 초당 약 5만 개의 미세한 주석(Sn) 방울을 진공 챔버 안으로 쏘아 보낸 뒤, 강력한 이산화탄소 레이저로 각 방울을 두 번씩(초당 총 10만 회) 타격합니다.

첫 번째 펄스는 방울을 납작하게 펴주고, 두 번째 펄스가 이를 가열해 플라즈마로 만들면서 13.5나노미터 파장의 빛이 방출됩니다. 이 빛을 곡면 미러로 모아 마스크와 웨이퍼로 순서대로 반사시키는 구조입니다.

2016년 첫 양산 도입 당시 100W대였던 광원 출력은 250~500W를 거쳐 최근 1,000W 달성이 발표됐고, 1,500~2,000W까지의 로드맵도 나와 있습니다. 하지만 근본적인 약점이 있습니다. 주석 방울의 잔해가 집광 미러를 오염시켜 반사율을 갉아먹기 때문에, 오염 방지를 위한 수소 가스를 분당 약 600리터씩 써야 합니다. 전체 시스템의 전력 효율도 0.1% 안팎으로 추정될 만큼 낮습니다.

머스크가 말한 FEL(자유전자레이저)이란

FEL은 아예 다른 원리로 빛을 만듭니다. 전자총에서 만든 전자빔을 선형가속기로 빛의 속도에 가깝게 가속한 뒤, N극과 S극이 번갈아 배열된 자석열 '언듈레이터'를 통과시킵니다.

전자가 이 교대자기장 속을 지그재그로 지나가며 에너지를 방출하는데, 전자빔과 자신이 낸 빛이 서로 상호작용하며 특정 파장만 증폭시키는 '자발증폭방출(SASE)' 현상을 통해 레이저급 빛이 만들어집니다. 원자에 묶인 전자가 빛을 내는 일반 레이저와 달리 이 전자들은 원자로부터 자유롭기 때문에 '자유전자레이저'라 불립니다.

이 개념은 1971년 스탠퍼드의 존 매디가 처음 제안했을 만큼 오래됐지만, EUV 광원으로 진지하게 검토된 건 2015년 글로벌파운드리의 제안부터입니다. 현재 가장 앞서 연구하는 곳은 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)로, 전자의 에너지를 회수해 재사용하는 '에너지회수형 선형가속기(ERL)' 구조를 채택했습니다.

2023년 KEK는 17메가전자볼트급 전자빔으로 파장 20마이크로미터의 적외선 자발광 생성까지 시연했지만, 목표인 13.5나노미터 EUV에 도달하려면 800메가전자볼트급의 훨씬 큰 가속기가 새로 필요해 아직 실증 전 단계입니다. 미국에서는 스탠퍼드 선형가속기센터 출신들이 세운 스타트업 xLight가 페르미국립가속기연구소와 손잡고 관련 기술을 개발 중입니다.

3가지 핵심 차이 — 발광 방식, 설치 구조, 성능·효율

발광 방식은 앞서 설명한 대로입니다. ASML은 주석 방울을 레이저로 때려 플라즈마를 만들고, FEL은 가속된 전자가 언듈레이터를 지나며 직접 빛을 냅니다.

설치 구조의 차이도 큽니다. ASML 방식은 노광장비 1대에 광원 1개가 내장되는 개별 구동 방식입니다. 반면 FEL은 중앙의 대형 입자가속기 1기가 빛을 만들어 배관(빔라인)으로 여러 노광장비에 나눠 공급하는 '중앙 발전소'형 구조로 설계됩니다. 연구·특허 단계에서 언급되는 분배 대수는 대략 8~10대 수준입니다.

성능과 효율에서는 두 가지가 갈립니다. 첫째, FEL은 주석을 쓰지 않기 때문에 미러 오염 문제에서 자유로운 클린 광원입니다. 둘째, KEK 시험장치 기준으로 계산하면 FEL의 전력 효율이 LPP보다 수 배에서 수십 배 높을 것으로 추정됩니다. 다만 이 수치들은 대부분 13.5나노미터 EUV 파장을 실제로 만들어내기 전, 연구·설계 단계의 추정치라는 점은 감안해야 합니다.

FEL이 넘어야 할 벽

가장 큰 문제는 실증 격차입니다. 지금까지 어떤 FEL 장치도 13.5나노미터 EUV 파장을 실제로 발진시킨 적이 없습니다. 앞서가는 KEK조차 아직 적외선 단계에 머물러 있습니다.

투자 규모도 만만치 않습니다. 신규 가속기 건설비만 연구기관 추정 2억 6천만~4억 달러 수준이고, 노광장비들과 빛을 손실 없이 나눠주는 정밀 광배관 시스템도 새로 개발해야 합니다. ASML은 과거 두 차례(약 10년 전과 최근) FEL 방식을 검토했지만, 상대적으로 리스크가 낮은 LPP 로드맵을 택했습니다. 세계 유일의 EUV 장비 제조사가 이미 한 번 걸러낸 대안이라는 뜻입니다.

경제성도 규모에 달려 있습니다. FEL은 '한 광원을 여러 대가 나눠 쓸 때'만 비용 이점이 생기는 구조라, 노광장비가 수십~수백 대 규모로 밀집한 초대형 팹이 아니면 오히려 비효율적입니다.

왜 하필 '테라팹'에서 이 이야기가 나왔나

여기가 이번 이슈의 핵심입니다. 테라팹은 텍사스에 최소 550억~1,190억 달러 규모로 지어질 예정이며, 월 100만 장의 웨이퍼 생산과 연간 1테라와트시(TWh) 규모의 AI 연산능력 확보를 목표로 내걸고 있습니다. AI 칩을 이 정도 스케일로 찍어내려면 노광장비를 수백 대 단위로 깔아야 합니다.

개별 장비마다 광원을 내장하는 지금의 ASML 방식보다, 광원 하나를 여러 장비가 나눠 쓰는 FEL 구조가 이런 초대형 메가팹에서는 총소유비용 측면에서 유리해질 수 있다는 계산이 성립합니다. 다만 이는 어디까지나 설계 개념 수준의 이야기이고, 머스크의 트윗도 구체적 사업 계획이라기보다는 방향성에 대한 짧은 코멘트에 가깝다는 점은 분명히 해둘 필요가 있습니다.

정리하며

FEL EUV 광원은 물리학적으로 근거가 탄탄하고, ASML의 LPP 방식이 안고 있는 오염과 낮은 전력 효율이라는 두 가지 고질병을 이론상 동시에 해결할 잠재력이 있는 기술입니다.

하지만 아직 실험실 단계를 벗어나지 못했고, EUV 파장 자체를 실증한 사례가 전무하며, ASML조차 리스크를 이유로 채택하지 않았다는 점은 냉정하게 볼 필요가 있습니다. 일론 머스크의 "FEL FTW" 한마디가 실제 테라팹의 설비로 이어지기까지는, KEK·xLight 같은 연구기관들이 EUV 파장 발진이라는 첫 관문부터 넘어서야 하는 등 상당한 시간과 자본이 필요할 것으로 보입니다.

참고: IEEE Spectrum, Asianometry, TrendForce, CNBC, Tom's Hardware, KEK 공개 자료 종합