□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 신소재공학부 김봉중 교수팀은 캘리포니아 공대 줄리아 그리어(Julia Greer) 교수팀과 함께 반도체 집적소자의 정보처리속도를 향상 시키면서 전력 손실을 줄이는데 필요한 가볍고, 강하며, 유연한, 그리고 전기적, 열적으로 안정적인 초저유전, 슈퍼-절연체를 개발하였다.

       * 저 유전 유전체(low-k dielectric) : 일반적으로 4이하의 낮은 유전 상수(dielectric constant, 전하 사이에 전기장이 작용할 때 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위) 값을 가진 물질.

□  저 유전 상수를 가진 물질의 개발은 컴퓨터 프로세싱, 무선통신, 자율주행차 등 고효율 마이크로 전자기기의 응용분야에 핵심적인 역할을 수행함으로써 최근 중요한 연구주제로 각광받고 있다.

∘ 반도체소자의 배선 사이에 사용되는 저 유전 물질의 유전상수 값을 낮추는 것은 반도체 소자의 집적화로 인해 생기는 저항-캐퍼시턴스 지연(RC delay*)을 완화시키고, 전력 소비와 배선 간 신호의 혼선(Cross-talk*)을 줄인다. 또한 저 유전 특성은 멀티 칩 모듈 기술과 마이크로파 통신 산업을 위한 3D 회로에서, 인덕터, 커패시터, 저항과 같은 수동소자의 직접화에 있어서 핵심요소이다. 특히 안테나와 RF모듈에서는 표면파의 전파를 막고, 주파수 범위를 증가시키기 위해 저 유전 물질의 기판을 필요로 한다. 더 나아가 저유전율 구조는 우주선과 항공기, 그리고 수소자동차 등 고전압을 사용하는 시스템에서 절연 및 단열 목적으로 활용될 것으로 주목을 받고 있다.

        * RC delay : 저항과 콘덴서로 구성된 회로에서 콘덴서를 충 방전시키는 데 걸리는 시간에 의한 지연

        * Cross talk : 대개 어떤 통신 회선의 전기 신호가 다른 통신 회선과 전자기적으로 결합하여 다른 통신 회선의 작동을 간섭하는 현상

□  그러나 저 유전 물질의 중요성에도 불구하고 재료 개발이 늦어지고 있는 이유는 유전상수가 낮아질수록 다른 요구되는 특성들을 만족시키기 어렵기 때문이다. 실제로 저 유전 물질이 반도체 공정에 적용되기 위해서는 낮은 유전상수 외에도 기계적 강도, 전기적 신뢰성, 열적 안정성들이 모두 만족되어야 한다.

∘ 최근 유전상수를 낮추기 위해 다공성 구조를 도입하는 것이 해결책으로 여겨지고 있다. 즉 다공성이 증가할수록 재료의 유전상수는 공기층의 낮은 유전율(약 1.0)로 인해 감소한다. 그러나 이러한 저밀도 구조에서는 단단한 무기물질을 활용하여 기공의 밀도, 크기, 분포를 제어하는 것이 어려워, 기계적 강도 및 연성, 열적 안정성, 그리고 전기적인 신뢰성이 매우 취약하다. 이러한 문제 때문에 지금까지 (1) MHz의 주파수 범위에서 유전상수가 1.45보다 낮은 재료를 제작하지 못했고, (2) 이러한 초저유전율 영역(k < 1.5)에서 재료의 다양한 특성을 연구한 사례는 전무한 실정이었다.

□  유전율을 공기의 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위하여, 공동 연구팀은 정교한 삼차원 레이저 식각(3D laser printing)과 ALD(원자층 증착)기술을 이용하여, 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 3차원-나노라티스(3D-nanolattice) 구조를 적용시키는데 성공했다. 특히, 이러한 나노라티스 구조의 윗면과 아랫면에 전극을 증착 할 수 있는 평면층을 도입하여 유전율과 그 밖의 다른 물리적 특성을 정량화 할 수 있었다.

∘ 제작된 3차원 나노라티스 커패시터는 전체 부피의 약 99% 공기로 이루어져 있어 1.06-1.10(1 MHz에서 측정)의 초저유전율을 보였다. 기계적 특성은 30 MPa의 Young’s modulus*와 1.07 MPa의 Yield strength*, 그리고 50%이상의 압축 변형 후에도 완전히 구조가 복원되는 우수한 연성을 보였다. 열적안정성은 800oC까지 TCK가 2.43 × 10-5 K-1로 거의 무시할 수고, 넓은 주파수(105~106 Hz), 전압(-20V~20V), 온도(상온~섭씨 800도)범위에서 dielectric loss 값은 0.01 ~ 0.1로 매우 낮은 수준이었다.

       * Young’s modulus : 물체를 양쪽에서 잡아 인장 또는 압축 시킬 때 물체의 길이의 변화율과 인가된 응력의 비율로서 재료의 영구변형이 없는 탄성 변형구간의 강도를 의미.

       * Yield strength : 재료가 영구 변형을 나타낼때의 응력으로, 탄성한계의 실제적인 근사값.

□   이번에 개발된 저 유전체의 성능은 그 동안 학계나 유수한 반도체 및 화학회사들 뿐만 아니라 미국 NASA에서 개발 중인 것보다 물성이 월등히 뛰어나고, 기계적 강도 측면에서는 이들과 거의 100배나 우수하게 나타났다.

□   김봉중 교수는 “이번 연구결과는 마이크로 전자기기의 응용분야에서 활용되는 저 유전 물질 연구 분야에 최초로 세라믹 3D 나노라티스 구조가 성공적으로 적용된 연구로써, 초저유전 물질의 강도 및 전기적 그리고 열적 특성을 총체적으로 개선한 획기적 사례”라고 말했다.

□   이 연구는 광주과학기술원의 Caltech-GIST Research Collaboration grant로 수행되었으며, 이 연구 성과는 나노분야 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 11월 7일자에 온라인 게재되었다. <끝>    

- 논문명 :   Enabling Simultaneous Extreme Ultra Low-k in Stiff, Resilient, and Thermally Stable Nano-Architected Materials - 저자 정보 :   교신저자 : 김봉중 교수 (GIST 신소재공학과), 공동 교신저자 : Julia R. greer 교수 (Caltech), 공동 제1저자 : 김민우 박사과정 (GIST 신소재공학과), 공동 제1저자 : Max L. Lifson (Caltech)