전남대, AI 반도체용 유리기판 탄소배선 신기술 개발
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기계공학과 한정인 학생 참여 국제공동연구…차세대 반도체 패키징 핵심기술 제시
특히 이번 연구에는 기계공학과 한정인 학생이 참여해 국제 공동연구를 수행하며 차세대 반도체 소재 분야에서 의미 있는 연구 성과를 거뒀다.
전남대학교 한승회 교수 연구팀은 미국 텍사스 A&M대학교(Texas A&M University) 연구팀과 공동으로 '순차적 2단계 극초단펄스 레이저 유도 화학기상증착(ULCVD)' 공정을 개발해 유리 기판 위에 전도성과 접착 안정성을 동시에 갖춘 탄소 배선을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 지원하는 글로컬 R&D 사업과 글로벌기초연구실 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 지역 거점대학의 글로벌 연구 역량을 입증한 성과로 평가받고 있다.
◆AI 반도체 핵심 소재 '유리 기판' 한계 극복
최근 AI 반도체는 초고속 연산과 대용량 데이터 처리를 위해 더욱 높은 집적도와 성능을 요구하고 있다.
이에 따라 여러 개의 반도체 칩을 하나의 패키지 안에 집적하는 광전 동시 패키징(Co-Packaged Optics, CPO) 기술이 차세대 반도체 산업의 핵심 기술로 떠오르고 있다.
특히 유리 기판은 낮은 유전 손실과 우수한 고주파 특성 덕분에 차세대 반도체 패키징 소재로 주목받고 있지만, 표면 반응성이 낮아 전도성 배선을 안정적으로 형성하기 어렵다는 기술적 한계가 있었다.
이 때문에 높은 전도성과 강한 접착력을 동시에 확보하는 것이 업계의 주요 과제로 꼽혀 왔다.
◆2단계 레이저 공정으로 전도성과 접착력 모두 확보
연구팀은 펨토초 레이저와 아세틸렌(C₂H₂) 가스를 활용한 극초단펄스 레이저 유도 화학기상증착(ULCVD) 기술을 적용해 문제 해결에 나섰다.
핵심은 탄소를 증착하기 전 레이저를 이용해 유리 표면을 먼저 개질한 뒤, 최적 조건에서 탄소를 증착하는 순차적 2단계 공정이다.
이 공정을 통해 유리 표면에 전도성 탄소 패턴을 직접 형성하면서도 높은 접착력을 동시에 확보하는 데 성공했다.
실험 결과 면저항은 약 2.58Ω/sq까지 낮아졌으며, 초음파 처리 후에도 탄소 패턴의 잔류 면적이 기존 1.3%에서 91.3%로 크게 향상됐다.
연구팀은 레이저로 형성된 유리 표면의 미세 구조가 기계적 결합력을 높였고, 탄소와 유리 사이에 형성된 C-Si 및 Si-O-C 화학결합이 접착력 향상에 결정적인 역할을 한 것으로 분석했다.
◆AI 반도체 패키징 혁신 기대
이번 기술은 복잡한 마스크 공정 없이 유리 기판 위에 고신뢰성 전도성 배선을 직접 형성할 수 있다는 점에서 높은 경쟁력을 갖는다.
특히 AI 반도체 구현에 필수적인 광전 동시 패키징(CPO)을 비롯해 유리 인터포저, 재배선층(RDL), 유리관통전극(TGV) 등 차세대 반도체 패키징 기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
연구팀은 이번 기술이 초고속 데이터 전송과 저전력 반도체 구현을 위한 핵심 기반기술이 될 것으로 전망하고 있다.
또 반도체 제조 공정을 단순화하면서 생산 효율을 높일 수 있어 산업적 활용 가능성도 매우 높을 것으로 평가했다.
◆국제학술지 게재…글로벌 연구 경쟁력 입증
한승회 전남대학교 교수는 "이번 연구는 유리 기판 전도성 배선 분야에서 가장 큰 과제로 꼽히던 전기적 성능과 접착 안정성을 동시에 확보한 획기적인 성과"라며 "향후 차세대 AI 반도체와 광전 동시 패키징 산업의 핵심 소재 기술을 선도하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 재료·세라믹 분야 국제학술지 'Ceramics International' 게재가 확정됐다.
이 학술지는 2025년 기준 영향력지수(IF) 6.0, JCR 상위 7.4%에 해당하는 세계적인 재료공학 분야 권위 학술지로 평가받고 있다.
한편 이번 연구는 ▲한국연구재단(NRF) 글로컬 R&D 지원사업 ▲한국연구재단(NRF) 글로벌기초연구실지원사업 ▲한국산업기술기획평가원(KEIT) 기계장비산업기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 전남대학교 기계공학과 한정인 학생이 연구에 참여해 국제 공동연구 성과를 함께 이끌어냈다.