[지식인미나니의 과학현장] 아이폰15 발열 문제 해결할 'K-장비', 디지스트서 만났다…"반도체 완성도 높이는 비결은?"

대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)는 국내 반도체 연구역량이 결집한 핵심 거점으로 평가된다. 특히 나노융합연구부가 최전선에서 연구를 이끌어 나가고 있다. 반도체 소자의 물성 평가를 지속하며 국내 반도체 품질 향상에 기여하고 있다. 

이에 필자(지식인미나니)가 직접 디지스트 나노융합연구부 관계자를 만나 연구와 관련된 자세한 이야기를 들어봤다. 이번 현장 취재는 과학기술정보통신부와 KBSI 한국기초과학지원연구원의 지원으로 진행된 '국산 연구 장비 활용 캠페인'의 일환이다. 

나노융합연구부는 나노소재 합성 및 구조제어 기술, 유무기 융복합소재 합성 및 응용기술, 강자기장 응용기술 등을 바탕으로 고성능 및 신기능 소재의 연구개발에 집중하고 있다. 4차 산업혁명에 필요한 산업소재의 원천기술을 확보하고 자원고갈 및 기후변화 문제에 대응할 수 있는 친환경적인 나노소재기술 제공에 선도적 역할을 수행한다. 

▲고성능 열전소재, 소자 및 시스템 기술 개발 ▲차세대 지능형 반도체 소재 및 소자 개발 ▲광활성 나노소재 합성 및 응용 기술 개발 ▲결정배향 기술 및 나노물질 구조제어 기술 개발 등을 목표로 하고 있다. 이 같은 목표를 달성하기 위해서는 많은 연구 장비가 필요하다. 필자가 방문한 날에도 각종 장비들이 가동되고 있었다. 

다양한 장비 가운데 '반도체 발열 측정' 관련 장비가 유독 눈길을 끌었다. 연구실에서 사용하는 열반사 현미경은 한국기초과학지원연구원 KBSI와 국내 기업 나노스코프시스템즈, 디지스트 이현준 교수가 함께 개발한 장비이다. 열반사 현미경(Thermo-reflectance Microscope)은 측정 샘플의 온도에 따라서 샘플의 광학적 반사율이 변한다는 물리적인 현상을 활용한 것이다.

광학적인 반사율을 측정함으로써 샘플의 온도를 산출해 내는 기술이다. 적외선 영상처럼 전통적인 발열 영상 이미징 기법으로는 얻을 수 없었던 아주 미세한 부분의 고해상도 현미경 열영상 이미징을 가능하게 한다. 이와 관련 이현준 교수는 "공초점은 초점이 하나가 아니라 여러 개라는 뜻인데, 깊이에 관계없이 어느 위치에서든지 열을 측정할 수 있게 되는 것"이라고 말했다. 

연구실의 연구 가운데 가장 눈길을 끌었던 점은 '반도체 발열' 측정이 가능한 장비였다. 매우 좁은 영역에서 나타나는 발열을 측정하기 어렵다는 점이 그간 업계의 고민이었다. 굴지의 국내 대기업들은 반도체를 매우 작은 크기로 만들 수 있으나, 열이 얼마나 발생하는지는 알기 어렵다고 한다. 이런 반도체가 스마트폰에 탑재될 시 발열 문제가 생기는 셈이다. 

이런 문제를 해결하고, 국내 반도체 경쟁력을 높이기 위해 KBSI와 나노스코프시스템즈, 디지스트가 의기투합해 마이크로미터, 서브마이크로미터 등 미세한 영역에서 발생하는 열을 측정하는 장비를 제작했다. 현재 일반적인 현미경으로는 미세한 반도체의 발열 측정이 사실상 어렵다. 그러나 연구실 장비를 통해서 미세한 반도체의 발열까지 모두 잡아낼 수 있다. 

전자제품의 완성도를 높이고, 불량률을 획기적으로 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다. 기존 장비의 경우 확대가 제한적이고, 덩어리 형태로 온도가 측정되지만, 소개한 장비의 경우 열의 흐름도까지 확인할 수 있다고 한다. 다양한 국산 장비들이 즐비하고, 이 장비들이 외국 장비들과 비교해 경쟁력이 높다는 것이 연구소 관계자들의 설명이다. 

이현준 교수는 "보수와 유지 측면에서 국내 기업의 제품들이 강점을 지니고 있다"라며 "연구는 지속돼야 하는데, 외국 장비들은 고장이나 장애가 발생하면 수리하는 데 두 달, 석 달이 소요되기도 한다. 연구실 맞춤형 기능까지 탑재가 가능하기 때문에 이런 측면에서 기술력이 뛰어난 국산 장비를 사용하는 것이 연구 역량을 높이는 방법 중 하나다"라고 밝혔다.  

한편 20만 유튜버 지식인미나니는 국내외 다수의 기관들과 협업을 통해 직접 현장을 다니며 콘텐츠를 제작하고 있다.