동의대, 실리콘 카바이드 웨이퍼 소재 국내 최초 개발
동의대SiC크리스탈개발제품
실리콘 카바이드 반도체는 기존의 실리콘 반도체에 비하여 높은 온도에서 작동하므로 컴퓨터칩으로 사용 시 냉각팬이 불필요하며 고온부의 상태를 계측하는 각종 센서용 기판으로 사용된다. 또한 고휘도 발광소자 (LED)의 기판으로 사용되고 있는 고급 반도체 소재이다. 고전압에서 견디는 특성이 우수하여 전력용 반도체 소자의 기판으로 사용되고 있다. 현재 미국 일본 독일 등 극히 일부 기술선진국에서만 크리스탈 성장기술과 웨이퍼 가공능력을 갖고 있어 가격이 실리콘 웨이퍼에 비하여 100배 이상 비싼 실정이다. 우리나라의 경우 응용소자를 개발하는 기업 및 연구소, 대학에서 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 전량 미국 등에서 수입해 왔다.
섭씨 80도 정도의 열에도 취약해 잦은 오작동과 고장을 일으키며 다양한 냉각장치를 필요로 했던 기존 실리콘 반도체 소자와 달리 실리콘 카바이드 반도체 소자는 고온에서도 작동할 수 있는 특성 때문에 실리콘 반도체를 보완하는 기술집약형 고부가가치 소재로 평가되고 있다.
TV 근처에서 헤어드라이어를 켜면 화면이 일그러지는 것과 같이, 실리콘 반도체 소자를 식혀주기 위해 냉각팬이 돌면 전자파 노이즈가 발생한다. 이 순간 전투기나 항공기에선 치명적인 사고가 발생할 수 있다. 또한 태양에서 발생하는 방사선 및 우주공간의 우주방사선 등은 지구의 대기권을 통과하며 상당히 감소하지만, 인공위성 등이 있는 우주공간에서는 전자 칩 등에 치명적인 손상을 입히고 있다. 따라서 미국 공군은 전투기, 항공기, 인공위성 등의 안정성 향상을 위하여 펜실바니아 주립대학내 ARL이라는 연구소를 비롯한 여러 기관에 막대한 연구비를 투자하며 고품질 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 개발시키고 있다. 현재 ARL은 대학의 연구소임에도 불구하고 미국 시민권자에게만 출입이 허용되고 있다.
[실리콘 카바이드 반도체에 대한 외국정부의 개발비 지원은?]
국제적인 시장조사기관인 프랑스 욜사의 보고서에 따르면, 2003년도엔 전세계적으로 20만장(약 1천억원)의 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼가 소모되었으며 2007년도에는 60만장(약 3천억원)이 소모될 것으로 전망되고 있다. 현재는 미국의 시장점유율이 가장 높으며, 일본은 연간 2만4천장, 독일은 연간 6천장 정도를 생산할 수 있다. 따라서 기술선진국에선 막대한 연구비를 투입하여 실리콘 카바이드 반도체 개발에 심혈을 기울이고 있다. 유럽연합에서는 2002년부터 3년간 SOLSIC, ESCAPEE, FLASIC 등 3개 사업에 각각 200만 유로(한화 약 30억원)를 투입하고 있으며, 독일에선 2002년부터 4년간 4개 사업단에 총 800만 유로 (한화 약 120억원)를 투입하고 있고, 스웨덴에선 지난 5년간 2개 사업단에 총 1천만 유로(한화 약 150억원)를 투입한데 이어 작년부터 5년간 5개 사업단에 총 1100만 유로(한화 약 165억원)를 투입하고 있다. 이태리 역시 2002년부터 3년간 3개 사업단에 400만 유로 (한화 약 60억원) 이상의 개발비를 투입하고 있으며, 영국, 스페인 등도 여러 국책 사업단을 운영하고 있다. 일본의 경우, 1998년부터 막대한 정부예산을 투입하여 이제 제품을 내놓고 있는 실정이다. 가장 앞서있는 미국의 경우 시제품이 나왔음에도 불구하고, 국방성(공군, 해군, DARPA), NASA 등 여러 기관에서 1998년부터 투자를 시작하여 현재는 20여개의 개발팀에 2002년부터 향후 5년간 매년 4천만 달러 이상(한화 약 440억원)의 국가예산을 투입하고 있다. 현재 미국에서 생산되는 실리콘 카바이드 반도체의 품질이 가장 높으나 내수를 충당하지 못하여 수출을 제한하고 있는 실정이다.
[우리나라의 개발 현황은?]
우리나라의 경우, 서울대 김형준 교수팀, 한양대 오근호 교수팀 등에서 기초연구를 통하여 기반을 조성한 바 있으며, 현재는 한국전기연구원에서 산업자원부의 지원을 받아 국내 대학 및 기업 등과 사업단(단장 김은동 박사)을 운영하면서 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 응용하는 소자개발에 있어 착실한 실적을 거두고 있다.
[왜 동의대에서 개발해야 했는가?]동의대 전자세라믹스센터(소장 신병철 나노공학부 부교수)는 센터 참여교수들이 합심하여 지역기업의 기술경쟁력 향상 및 지방대 졸업생인 제자들의 취업 및 창업에 유리한 대도시형 신사업에 대한 타당성 검토를 시작하였다. 과기부, 한국과학재단, 산자부, 한국산업기술평가원, 전자부품연구원의 관련 인사 및 여러 전문가의 의견과 각종 자료를 취합하여 몇 가지 아이템으로 특성화 가닥을 잡아갔으며, 실현가능성과 자체 능력을 고려하여 『실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼』를 사업화하기로 하였다. 구체적인 자체 선정 기준은 아래와 같았다.
<국가, 지역, 대학의 발전전략과 일치하는가?>
- 국가의 기술 경쟁력을 높일 수 있어야 한다.
- 기계자동화 등이 뛰어난 부산경남지역의 지역특성을 살릴 수 있어야 한다.
- 우리 대학의 특성화 영역인 전자부품소재이어야 한다.
<국가 발전 및 기업에 도움이 되는가?>
- 국내 기업에서 생산하고 있지 않아야 한다.
- 후발 주자의 기술추적이 어려워야 한다.
- 대기업이 뛰어들 만큼 시장규모가 크지 않아야 한다.
- 기술개발의 의지가 없는 중소기업이 장비만 들여와서 생산하는 아이템이 아니어야 한다.
<우리 대학이 주도할 능력이 되는가?>
- 환경오염이 없고, 공간이 많이 필요 없는 대도시형 시설로 생산할 수 있어야 한다.
- 대학에서 기술을 개발하여 사업화시킬 수 있거나 성공 사례가 있으면 좋겠다.
- 공정이 비교적 단순해야 한다.
- 중급 기술자가 많이 필요한 첨단 산업이어야 한다.
- 공부만 잘하는 인력보다는 창의력과 추진력이 우수한 인력으로 운영할 수 있어야 한다.
- 훈련 받은 인력이 지속적으로 애착을 느껴야 한다.
[개발 착수에서 중간 성공까지]
위의 자체 선정 기준을 모두 만족한 『실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼』로 방향을 정한 다음에는 필요한 기술과 시설을 확보하기 위하여 선진 기관을 조사하고 접촉하였으나 대부분 외국으로의 기술 유출을 통제하고 있거나 냉담하였다. 그러나 여러 차례 출장을 다니고, 전문가들의 조언을 들어가며 설비를 구축하기 시작하였다. 드디어 작년 말부터 본격적으로 실험에 돌입할 수 있었다.
한번 실험에 약 1주일이 소요되므로 실험 계획을 철저하게 세워야 했다. 자동화가 되었지만 혹시 발생할지 모르는 안전사고를 염려하여 24시간 감사하느라 실험에 참여했던 대학원생들이 교대로 밤샘을 하고 있다. 실험 초기에는 황당한 결과도 많이 나왔으나, 실험결과를 동료 교수와 연구원, 대학원생들과 함께 차근차근 분석하고 다음 실험계획을 세우면서 조금씩 know-how가 쌓여가고 개선되고 있어 실험하는 재미를 느끼고 있다.
추석연휴에 실리콘 카바이드 원료를 이용하여 섭씨 2000~2500도의 고온에서 직경 5cm 이상 두께 1cm 이상의 크리스탈로 성장시킨다는 1차 목표를 달성하였다. 이를 잘 가공하면 경제성 있는 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼를 만들 수 있다. 앞서 나온 크리스탈들은 이미 웨이퍼로 가공되었다. 대부분의 가공 장비는 이미 가동 중이고 일부는 조만간 입고될 예정이다. 관련 기술과 장비에 대한 특허를 출원 중이다.
[향후 계획]
이제부터는 품질을 향상시키는 단계로 들어간다. 품질이 좋을수록 가격이 올라가기 때문이다. 이 제품은 제조공정이 매우 어려워 기술보유국이 기술유출 방지에 힘써 온 고급 소재인 만큼 이번 개발 성공은 한국이 진정한 반도체 강국이 됐음을 의미하는 것이다. 소량 생산을 하더라도 내년부터 상당한 순이익이 기대된다. 이번 개발로 한국에서도 품질이 다소 떨어지지만 연간 1천장 정도를 생산할 수 있게 되었다. 제품생산 등 상업화를 위해 연구원 창업으로 `크리스밴드'(대표 구갑렬)를 설립했으며, 내년부터 직경 5cm 실리콘 카바이드 반도체 웨이퍼 시제품을 국내외 LED 제조사, 전력소자 제조사 등에 배포할 계획이다. 향후 참여 연구원들이 웨이퍼 가공 전문회사, 성장장비 제조회사 등을 창업하여 발전해 나가도록 할 계획이다. 미국의 실리콘 밸리처럼 한국엔 실리콘 카바이드 밸리가 생기는 날을 고대해 본다.
[어떤 기관으로 부터 재정지원을 받고 있는가?]
동의대 전자세라믹스센터는 2001년 과학기술부 지역협력연구센터(RRC)로 선정되었고, 이듬해인 2002년 부처간 연계운영시범사업의 일환으로 산업자원부 지역기술혁신센터(TIC)로 추가 지정되어 과학기술부, 산업자원부 및 부산광역시, 동의대에서 사업비를 지원받아 IT소재 관련 기업의 기술개발을 돕고 있다.
신병철
학력: 연세대 공학사/KAIST 공학석사/KAIST 공학박사
박사연구원경력: 미국 펜실바니아 주립대 MRL/일본 동경대 RCAST/포스코 RIST
현재: 동의대학교 나노공학부 부교수 겸 전자세라믹스센터 소장
웹사이트: http://www.deu.ac.kr
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동의대 홍보팀 김지원
