전기먹는 하마 AI 반도체 열·손실 잡는다…'특수유리 기판' 뭐길래

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AI(인공지능) 반도체의 성능 경쟁이 칩을 넘어 '기판'으로 확대되고 있다. 하나의 패키지 안에 여러 연산 칩과 고대역폭메모리(HBM)를 결합하면서 반도체 패키지의 크기와 소비전력이 함께 증가하고 있어서다.

기존 반도체 패키지에는 주로 폴리머 기반의 유기 기판이 사용됐다. 전자제품 안에서 볼 수 있는 파란색이나 녹색 인쇄회로기판(PCB)이 대표적이다. 하지만 AI 반도체처럼 많은 전력을 사용하는 칩에서는 열에 의해 기판이 휘는 '워피지(warpage)' 문제가 발생할 수 있다.

또 기존 기판은 표면이 상대적으로 거칠어 미세 배선을 구현하기 어렵고, 데이터 전송 주파수가 높아질수록 신호 감쇠와 발열이 커진다. AI 반도체의 연산 성능을 높여도 칩 사이에서 데이터를 전달하는 기판이 이를 뒷받침하지 못하면 전체 시스템의 성능이 떨어질 수 있다.

김복현 GIST(광주과학기술원) 고등광기술연구원 수석연구원은 "AI 반도체는 전력 소비가 크고 패키지 크기도 계속 커지고 있다"며 "기존 폴리머 기판은 열에 의해 휘는 문제가 있어 글라스 기판으로 대체하려는 움직임이 나타나고 있다"고 말했다.

이어 "현재 개발 중인 기술은 기존 반도체의 유기 소재 기판을 특수유리 기판으로 바꾸는 데 필요한 핵심 소재 기술"이라며 "AI 반도체를 고성능화하고 전력 효율을 높이기 위한 차세대 기판이라고 보면 된다"고 했다.

반도체용 글라스 기판은 창문이나 디스플레이에 사용하는 일반 유리와 다르다. 고주파 전기신호를 빠르고 손실 없이 전달할 수 있도록 유전율과 유전손실을 낮춘 특수유리다.

유전율(Dk)은 물질이 전기장에 반응해 분극되는 정도를 나타낸다. 유전율이 높으면 신호의 전달 속도와 지연에 영향을 줄 수 있다. 유전손실(Df)은 전기신호의 에너지가 소재 내부에서 열로 사라지는 정도다.

두 수치가 높으면 기판 위의 구리 배선을 따라 이동하는 고속 데이터 신호가 약해지고 노이즈와 발열이 증가할 수 있다. 특히 데이터 전송에 사용하는 주파수가 10~20기가헤르츠(㎓) 이상으로 높아질수록 유리 소재의 유전특성이 중요해진다.

김복현 연구원은 "반도체 기판 위에는 구리 배선이 형성되고 그 위로 고속 데이터 신호가 지나간다"며 "기판 소재의 유전율이나 유전손실이 높으면 신호가 감쇠하고 노이즈와 발열이 발생한다"고 설명했다.

이어 "반도체용 글라스 기판은 단순히 투명하고 단단한 유리가 아니다"며 "저유전 특성과 열팽창 특성, 기계적 강도, 가공성을 함께 갖춰야 하는 특수유리"라고 덧붙였다.

김 연구원 연구팀은 알루미노붕규산염 유리의 조성을 조절해 유전특성과 열적 안정성을 개선했다. 알루미노붕규산염 유리는 이산화규소와 산화붕소, 산화알루미늄 등을 기본 성분으로 하는 유리다.

연구팀이 개발한 유리는 고속 데이터 신호가 기판을 지날 때 발생하는 손실과 발열을 줄이는 데 초점을 맞췄다. 기존 디스플레이용 유리를 반도체 기판으로 전용하는 방식과 달리 처음부터 고성능 반도체 패키징에 맞춰 유리의 성분과 내부 구조를 설계한 것이 특징이다.

전기적 성능만 개선한 것도 아니다. 온도가 변해도 실리콘 칩과 비슷한 수준으로 팽창·수축하도록 만들어 기판이 휘거나 접합부에 균열이 생길 가능성을 낮췄다. 반도체 제조 과정의 높은 온도와 미세가공을 견딜 수 있도록 열적 안정성도 함께 높였다.

김 연구원은 "반도체 기판은 신호전송 성능과 열팽창, 강도, 가공성을 모두 갖춰야 한다"며 "연구팀은 어느 한 가지 성능만 극대화하기보다 실제 반도체 공정에 적용할 수 있도록 여러 물성을 균형 있게 확보하는 데 차별점을 뒀다"고 말했다.

이어 "유전율만 낮다고 해서 좋은 반도체 기판 소재가 되는 것은 아니다"며 "실리콘과 열팽창 특성을 맞춰야 하고 고온 공정에서도 변형되지 않아야 하며, 기판에 구멍을 뚫고 배선을 형성하는 공정도 견뎌야 한다"고 덧붙였다.

글라스 기판의 또 다른 장점은 내부에 빛이 지나가는 통로를 만들 수 있다는 점이다. 연구팀은 이 기술을 '광인터커넥트'로 확장할 계획이다. 칩과 칩 사이를 잇는 기존 구리 배선의 경우 데이터 처리량과 전송 거리가 늘어날수록 발생하는 전력 소비와 신호 손실도 커진다.

광인터커넥트는 전기신호의 일부를 광신호로 바꿔 전달하는 기술이다. 유리 내부에 굴절률이 다른 광도파로(Optical Waveguide)를 형성하면 빛이 정해진 경로를 따라 이동할 수 있다. 구리 배선 대신 유리 속에 '빛의 고속도로'를 만드는 셈이다.

김 연구원은 오는 29일 서울 삼성동 코엑스 B홀 플러스 스테이지에서 열리는 '2026 K-프리미어 딥테크 페스타'(참가신청 : https://vvd.bz/buvX)에서 관련 기술을 소개한다.

그는 "광인터커넥트 기술을 필요로 하는 삼성전기(1,188,000원 ▲25,000 +2.15%)와 같은 반도체 패키지 기업이나 오이솔루션(27,250원 ▲2,550 +10.32%) 등 광트랜시버 기업과 협력하고 싶다"며 "최종 수요기업이 원하는 구조와 세부 사양을 파악해 소재와 광도파로 기술을 공동으로 최적화하는 것이 상용화의 핵심"이라고 했다.

<'K-프리미어 딥테크 페스타(기술이전·사업화)' 참가신청>

-일시: 2026년 10월 29일(목) 오후 1시

-장소: 서울 삼성동 코엑스 B홀 PLUS STAGE

-참가 대상: 기술이전·공동연구·신사업을 검토하는 기업, 출연연 패밀리기업, 투자사

-참가비: 무료 (사전 등록 필수)

-주최: 과학기술정보통신부, KAIST, GIST, DGIST, UNIST, 머니투데이 유니콘팩토리

-후원: 한국과학기술정보연구원(KISTI), 과학기술사업화진흥원(COMPA)

-신청: https://vvd.bz/buvX

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