韓 연구팀, 성능 100배 최고 수준 '전자파 차폐 기술' 개발…네이처 발표

GIST-서울대-KIST 공동연구팀
'꿈의 소재' 맥신 활용…반도체 패키징 난제 풀어
기존 기술 대비 100배 ↑ 성능 달성

연한울 GIST 연한울 교수, 주영창 서울대 교수 공동연구팀. GIST 신소재공학과 이문규·신동훈 학생, 연한울 교수 (뒷줄 왼쪽부터) /김다애·정인혜·전지운·김유진·이빈형 학생 (앞줄 왼쪽부터) /사진=GIST

국내 연구팀이 반도체 패키징의 오랜 난제를 극복한 초박막 전자파 차폐 기술을 개발했다. 세계 최고 수준의 기술로 인정받아 국제 저명 학술지 '네이처'에 실렸다.

GIST(광주과학기술원)는 연한울 신소재공학과 교수 연구팀이 주영창 서울대 교수, 김명기 고려대 교수, 이성수 KIST(한국과학기술연구원) 박사 연구팀이 공동으로 '맥신'(MXene) 소재를 활용한 초박막 전자파 차폐 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구 성과는 네이처에 30일 온라인 게재됐다.

연구팀은 전자파 차폐막의 두께를 크게 줄이면서도 차폐 성능은 기존 대비 최대 100배 이상 높였다. 반도체 패키징의 난제였던 '두께-성능 딜레마'를 근본적으로 해소한 성과로 인정받았다. 두께-성능 딜레마는 막을 얇게 만들수록 차폐 성능이 떨어지는 현상이다.

전자기기에서 발생하는 전자파 간섭은 통신 오류, 오작동, 발열 등을 유발해 기기의 성능과 안정성을 떨어뜨린다. 전자파 차폐 기술이 반도체 패키징, 스마트기기 설계의 핵심 요소인 이유다.

최근 유연성과 작은 크기를 강조한 전자기기가 출시되면서 두껍고 무거운 금속 기반 차폐막 대신 얇고 가벼운 차폐막 소재가 떠올랐다. 하지만 두께-성능 딜레마 탓에 경량화와 고성능을 동시에 구현하기 어려웠다. 차폐막 내부에 미세한 구멍(기공)을 여러 개 뚫어 전자파 산란 효과를 높이는 연구도 시도됐지만, 반도체 공정과 호환하기 어렵고 기공도 불균일하게 형성되는 탓에 실제 반도체 패키징에 적용하는 데 한계가 있었다.

EXIM 차폐막 이미지 /사진=GIST

연구팀은 기공을 만들지 않고 기존 반도체 패키징 공정 장비만 이용해 금속과 맥신 박막을 층층이 쌓는 'EXIM 차폐막' 구조를 새롭게 제시했다.

EXIM 구조에서는 금속 박막이 전자파를 가두는 '벽' 역할을 한다. 내부에 있는 맥신 박막이 전자파의 산란과 흡수를 유도한다. 이를 통해 두께 2μm(마이크로미터·머리카락 굵기의 약 50분의 1 수준) 미만에서도 전자파 약 99%를 차단하는 성능을 보였다. 이는 기존 차폐막 대비 100배 이상 높은 성능이다.

맥신 두께를 1μm에서 200nm(나노미터·머리카락의 약 500분의 1 수준)로 줄여도 성능이 거의 유지됐다. 하지만 금속-맥신 계면에 4nm 두께의 유기막만 삽입해도 성능이 급격히 줄었다. 차폐 성능의 핵심이 '금속-맥신 이종접합 계면의 품질'에 있음을 밝혀낸 셈이다.

반도체 공정 적용 시 소재가 고온·고습 환경을 견딜 수 있는지 확인한 결과, 85도(°C) 이상 고온과 고습(85% RH) 환경에서도 48시간 이상 산화나 부식 없이 성능을 안정적으로 유지했다. 이는 연구팀이 습기 등 외부 환경에 강한 '크롬-알루미늄 캐핑(capping) 층'을 도입했기 때문이다. 캐핑층은 외부 환경으로부터 내부 소재를 보호하기 위해 최상단에 형성하는 보호막을 말한다.

연구팀은 이 기술을 상용 플래시 드라이브 반도체 칩과 유연 소자에 적용해 공정 호환성과 성능을 입증했다. USB 3.0 플래시 드라이브의 IC 칩에 초박막을 적용한 결과 블루투스 스피커 신호 간섭이 완전히 제거됐다. 전류를 한 방향으로만 흐르게 만드는 부품인 '다이오드'에 적용하자 전자파로 인한 전류 변동이 기존의 20분의 1 이하로 감소했다.

연 교수는 "전자파 차폐재에서 오랫동안 해결되지 않았던 '두께-성능 딜레마'를 극복했다"며 "극도로 얇고 유연하면서도 뛰어난 성능을 갖춘 차폐 기술로 차세대 반도체 패키징과 스마트기기, 플렉서블 전자소자 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 2023년도 지역혁신 메가프로젝트 사업 및 2024년도 반도체 첨단 패키징 핵심 기술개발 사업의 지원을 받았다. 기술이전 관련 문의는 GIST 기술사업화센터에서 진행한다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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