차세대 AI 반도체 패키징의 핵심 소재로 주목받는 유리 기판(Glass Substrate) 위에 전도성과 접착 안정성을 동시에 갖춘 탄소 배선을 형성할 수 있는 기술이 개발됐다.

전남대학교 한승회 교수 연구팀과 미국 텍사스 A&M 대학교(Texas A&M University) 연구팀은 유리 기판 위에 고전도성 탄소 배선을 직접 형성하면서도 접착 안정성을 크게 향상시킨‘순차적 2단계 극초단펄스 레이저 유도 화학기상증착(ULCVD)’ 공정을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 (NRF)이 지원하는 ‘글로컬 R&D’ 및 ‘글로벌기초연구실’ 사업을 통해 수행됐으며, 지역 거점대학의 글로벌 연구 역량을 결집해 이룬 성과로 평가받고 있다.

최근 AI 반도체의 고집적화와 고성능화가 가속화되면서 이종 반도체 칩들을 하나의 패키지로 통합해 신호 지연을 최소화하는 '광전 동시 패키징(Co-Packaged Optics, CPO)' 기술이 차세대 게임 체인저로 부상하고 있다. 특히 유리 기판은 낮은 유전 손실과 우수한 고주파 특성으로 차세대 반도체 패키징 플랫폼으로 주목받고 있지만, 표면 반응성이 낮아 전도성 배선을 안정적으로 형성하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 펨토초 레이저와 아세틸렌(C₂H₂) 기체를 이용한 극초단펄스 레이저 유도 화학기상증착 (ULCVD) 기술로 유리 기판 위에 전도성 탄소 패턴을 직접 형성했다. 특히 탄소 증착 전 레이저로 유리 표면을 먼저 개질한 뒤, 최적 조건에서 탄소를 증착하는 2단계 공정을 도입해 전기전도도와 접착 안정성을 동시에 확보했다.

그 결과 약 2.58 Ω/sq의 낮은 면저항을 달성했으며, 초음파 처리 후 탄소 패턴의 잔류 면적이 기존 1.3%에서 91.3%로 향상됐다. 연구팀은 레이저에 의해 형성된 유리 표면 미세 구조에 의한 기계적 맞물림과 탄소-유리 계면의 화학적 결합(C-Si 및 Si-O-C)이 접착력 향상에 기여한 것으로 분석했다.

이번 기술은 복잡한 마스크 공정 없이 유리 기판 위에 고신뢰성 전도성 배선을 직접 형성할 수 있다. 특히 초고속 대용량 데이터 처리가 필수적인 AI 반도체의 광전 동시 패키징(Co-Packaged Optics) 구현을 비롯해, 유리 인터포저, 재배선층(RDL), 유리관통전극(TGV) 등 차세대 반도체 패키징 분야에 혁신적인 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

전남대 한승회 교수는 "이번 연구는 유리 기판 위 전도성 배선에서 가장 큰 난제로 꼽히던 전기적 성능과 접착 안정성을 동시에 확보한 획기적인 사례"라며, "향후 차세대 AI 반도체와 광전 동시 패키징(CPO) 산업의 핵심 소재 기술을 선도하는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

본 연구 결과는 재료·세라믹 분야 국제학술지인 Ceramics International에 게재 확정됐다. 해당 학술지는 2025년 기준 영향력지수(IF) 6.0, JCR 상위 7.4%에 해당하는 우수 국제학술지다.

한편, 이번 연구는 ▲한국연구재단(NRF) 글로컬 R&D 지원사업(연구책임자: 한승회 교수) ▲한국연구재단(NRF) 글로벌기초연구실지원사업(단장: 강현욱 교수) ▲한국산업기술기획평가원(KEIT) 기계장비산업기술개발사업(주관: 한국기계연구원) 등의 지원을 받아 수행됐다.

기백관 기자