GIST, 고성능·저전력 반도체 칩 제조용 초저유전체 개발

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광주과학기술원(GIST) 연구진이 반도체 칩의 정보 처리 속도를 향상시키면서 전력 손실을 줄이는 세계 최고 수준의 초저유전체를 개발했다. 이 초저유전체는 가볍고 유연하면서도 물성과 기계 강도가 뛰어나고, 전기·열성이 안정돼 있다. 수소자동차, 우주선, 항공기 등 마이크로 전자기기의 절연 및 단열체로 활용될 전망이다.

김봉중 GIST 교수
<김봉중 GIST 교수>

GIST(총장 문승현)는 김봉중 신소재공학부 교수팀이 줄리아 그리어 미국 캘리포니아공대 교수팀과 공동으로 1.1 이하의 낮은 유전 상수 값을 갖는 초저유전 슈퍼 절연체를 개발했다고 15일 밝혔다.

저유전체는 반도체 소자 집적회로(IC) 콘덴서를 충방전시키는 데 소요되는 시간 때문에 발생하는 저항 전기용량 지연을 완화시키고, 전력 소비와 배선 간 신호의 혼선을 줄인다. 안테나와 고주파(RF) 모듈에서는 표면파를 막고 주파수 범위를 확대시키는 역할도 한다. 그동안에는 낮은 유전 상수 외에 기계 강도와 전기 신뢰성, 열 안정성 등을 충족시키지 못해 반도체 공정에 적용하기 어려웠다.

김 교수팀은 저유전체 유전 상수를 낮추기 위해 다공성 구조를 도입했다. 유전율을 공기 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위해 정교한 3D 레이저 식각과 원자층 증착 기술을 이용, 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙 배열된 3D 나노격자 절연체를 개발했다.

3D 나노격자 절연체는 전체 부피 약 99%가 공기로 이뤄져 1.06~1.10 초저유전율을 기록했다. 재료 변형이 없는 탄성 변형 구간 강도와 50% 이상의 압축 변형 후에도 완전히 구조가 복원되는 우수한 연성을 나타냈다. 열 안정성이 뛰어나고 주파수, 전압, 온도의 유전 손실도 매우 낮았다.

김 교수는 “개발된 저유전체는 그동안 학계나 유수한 반도체 및 화학회사뿐만 아니라 미국 항공우주국(NASA)이 개발하고 있는 것보다 100배 이상 우수하다”면서 “초저유전 물질의 강도와 전기·열 특성을 대폭 개선시켰다”고 설명했다.

광주=김한식기자 hskim@etnews.com