우리얘기

최근 스마트폰을 비롯한 초소형, 초박형 제품의 수요가 급증하면서 다양한 기능들을 구현할 수 있는 차세대 비아홀 공정을 도입하는 기업이 늘어나고 있습니다.

이에 따라 하나의 반도체 웨이퍼에 CPU, 메모리, 전원소자, 센서, MEMS 등 다양한 칩을 층층이 쌓고 이들 사이에 전기신호가 원활하게 교환되도록 하는 것이 반도체의 품질을 좌우하는 중요한 요소가 됐습니다.

이를 위해서는 매우 좁고 긴 구멍인 TSV(Through Silicon via ; 실리콘 관통 비아홀)를 뚫어 칩들 사이의 전기 신호를 전달해야 합니다.

TSV는 지름이 수 ㎛ 수준이며 상대적으로 깊이가 깊기 때문에 정교한 기술이 요구됩니다.

특히 수율이 중요한 대규모 제조공정에서 빠르고 정확하게 측정하는 기술은 차세대 반도체 측정장비 시장에서 필수적인 기술입니다.

□ 비아홀은 지름이 매우 좁고 깊어 정밀한 측정기술이 필수적이지만, 그동안 국내에서는 관련 측정기술이 없어 차세대 반도체 시장 진출에 어려움을 겪어 왔습니다.

기존의 비아홀 측정은 X-레이나 SEM(전자현미경)을 활용해 시료를 절개하여 측정하거나 개별 이미지를 촬영하는 방식을 사용했습니다.
 
특히, SEM을 활용해 비아홀을 측정할 경우, 웨이퍼의 단면을 절단해 측정하기 때문에 불가피하게 제품에 손상이 생기고, 측정하는 샘플 수에도 한계가 따라 대량공정에 적용시 어려움이 따랐습니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 길이센터 진종한 박사팀이 개발한 차세대 반도체 패키징 측정기술을 반도체 디스플레이 검사장비 전문기업인 ㈜쎄미시스코으로 이전됐습니다.

이번에 이전한 실리콘 관통 비아홀(Through Silicon via, TSV) 측정기술은 반도체의 집적도를 높이기 위해 실리콘 웨이퍼를 아파트처럼 수직으로 쌓아 올린 후, 각 층의 웨이퍼 간 전기신호를 주고받기 위한 수직 도선인 TSV의 깊이를 고속으로 측정 및 검사하는 기술입니다.

이 기술의 특징은 비아홀의 직경과 깊이를 정확하게 측정하면서도 레이저를 이용해 비접촉으로 제품에 손상 없이 고속측정이 가능합니다.

이번 기술이전으로 현재 기술적인 난제때문에 본격적인 시장형성이 이루어지지 않은 TSV 측정장비 시장을 선점하는 것을 물론 비아홀 고속 측정방법이 상용화될 경우 차세대 반도체 장비시장을 선점할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

한편 KRISS는 이번 기술이전으로 향후 10년간 약 50억 원 이상의 기술료를 받을 전망입니다.

간섭계 측정장치를 이용해 TSV를 측정하는 모습

태양전지 시장은 현재 중국과 유럽 업체들이 주도하는 결정형 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있습니다.

결정형 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만, 제조비용이 높은 단점이 있습니다.

이에 CIGS(Cu, In,Ga, Se2)  박막형 태양전지가 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 낮은 효율과 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있습니다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있는 실정입니다.

이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문입니다.


□ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 '다성분 합금인 CIGS 박막의 조성'을 정확하게 분석하는 기술을 개발했습니다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있습니다.

현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율이 예상됩니다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용하여 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용하여 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술입니다.

이번 분석기술 개발은 공정 조건 변화에 따른 CIGS 박막의 조성 및 깊이분포를 분석하고 모니터링 하여 공정을 최적화함으로써 태양전지 제조에 대한 이력관리를 가능하게 해 국내 박막 태양전지 산업의 새로운 원천기술 개발을 촉진할 전망입니다.

□ 이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했습니다.

균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인했습니다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 방침입니다.

또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC: Key Comparision)를 주도하여 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지킬 계획입니다.

이차이온질량분석기를 활용해 CIGS 박막의 깊이분포 등을 측정하는 모습

 용  어  설  명

CIGS :
Cu(In,Ga)Se2 박막으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 각각 2:1:1:4의 비율로 이루어진 결정성 박막.
CIGS는 4가지 원소 화합물의 첫 스펠링을 조합한 단어로 이를 기판에 증착, 빛을 흡수하여 전기를 생산함.
유리기판 위에 전극 역할을 하는 금속막을 깔고 그 위에 CIGS 박막을 증착한 후 광흡수층·버퍼층·투명전극·반사방지막 등을 배치하고 그 위에 전면전극을 배치함으로써 CIGS 박막 태양전지가 완성됨

이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) :
충분한 에너지를 가진 일차 이온을 고체 시료에 조사하면 시료 표면에서 입자들이 나옴. 이 중에서 이온화된 성분인 이차이온의 질량을 분석해 표면에 존재하는 원소의 종류, 상대적인 조성 및 화학 상태 등을 알아낼 수 있는 대표적인 표면분석 방법임. 이 방법을 활용해 특정 원소의 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있음.

□ 미세먼지에 대한 대기환경기준은 질량농도 ㎍/㎥ 단위(㎥ 당 ㎍)로 규제되고 있습니다.

현재 대기 중 미세먼지 측정 시, 미세먼지 공기역학적 직경이 10㎛ 이상인 먼지를 제거하고, 10㎛ 이하인 미세먼지를 포집하여 질량농도를 측정합니다.

이 때 필요한 것이 입경분리장치입니다.

입경분리장치의 성능은 미세먼지 농도 측정 신뢰도에 큰 영향을 미칩니다.

미세먼지(PM10)의 직경은 사람 머리카락 지름의 4분의 1 정도에 불과해 우리 눈에는 잘 보이지 않습니다.

이 미세먼지는 인체에 유해한 다양한 성분들로 구성되어 있어 인체로 유입되면 호흡기 및 심혈관계 질환을 유발하기도 합니다.

이에 우리나라는 물론 전 세계적으로 대기환경기준을 마련해 대기질을 관리하고 있습니다.

그러나 우리나라는 미세먼지 측정을 위한 입경분리장치를 그동안 주로 외산장비를 사용했으며, 성능평가 또한 외국에서 발행한 성적서로 대체해왔습니다.

□ KRISS(한국표준과학연구원) 대기환경표준센터 이상일 박사팀과 환경측정지원센터 김현호 박사팀이 대기 중 미세먼지(PM10) 측정 시 필요한 미세먼지 입경분리장치의 독자적 성능평가 시스템을 마련했습니다.

연구팀은 이를 국내 환경측정기 제작업체인 ㈜켄텍에 기술이전 해 상용화했고, 미국 환경청(EPA) 기준에 적합한 설계와  테스트도 마쳤습니다.

현재 관련 장치와 대기환경측정장비는 국내 판매는 물론 중국 등 해외로도 수출되어 연 30억 원의 판매실적을 기록하고 있습니다.

현재 우리나라에는 미세먼지 등 대기오염물질에 대한 모니터링을 위해 전국 290개 측정소가 운영 중이며, 각 측정소마다 입경분리장치가 장착된 미세먼지 측정기가 있습니다.

미세먼지 입경분리장치 성능평가 실험을 위해 등속흡입장치를 설치하는 모습

육불화황(SF6)은 반도체, 자동차, 전기절연체, 냉매 등의 생산공정에서 주로 배출되는 온실가스로, 대기 중 농도가 이산화탄소의 1/6에 불과하지만, 지구온난화 효과는 약 2만 4000배나 더 큰 물질입니다.

한국표준과학연구원(KRISS)과 기상청이 UN 세계기상기구(WMO)로부터 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 하나인 육불화황에 대한 세계표준센터로 인증받았습니다.

육불화황(SF6)에 대한 세계표준센터 인증은 우리나라가 세계 최초 입니다.

한국표준과학연구원은 기상청과 '육불화황 세계표준센터' 유치를 위해 지난 2010년부터  관련 기술을 공동으로 개발, 특허를 포함한 기반기술을 확보했습니다.

또 2007년부터는 안면도에 위치한 기상청 기후변화감시센터에서 이를 상시 관측하고 있습니다.

국가표준가스를 생산하는 한국표준과학연구원은 가장 정확한 표준가스 최상위 제조방법인 중량법으로 제조하고 있으며, BIPM(국제도량형국) 주관 국제비교시험에 참가하여 매우 우수한 결과를 획득했습니다.

이번 '육불화황 세계표준센터' 유치 승인은 세계 기후변화감시를 선도하는 관측기술 향상과 유지의 국제적인 대표기관임을 의미합니다.

세계기상기구는 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 3개 물질(CO2, CH4, N2O)에 대하여 세계표준센터(미국, 스위스, 일본, 독일)를 운영하고 있습니다.

세계표준센터의 기능은 관측에 필요한 표준가스 제조 보급, 측정기술에 대한 교육, 국제비교시험 주관 등을 수행하며,  또한 육불화황 국가 표준가스와 관련기술의 수출하게 됩니다.

육불화황 세계표준센터 유치 성공으로 우리나라는 육불화황 측정분야와 분석기술에 관한 국제선도 역할을 수행하고, 아울러 표준가스 및 관련 시스템 수출 기회를 가질 것으로 기대되고 있습니다.

 용  어  설  명

세계기상기구(WMO) :
World Meteorological Organization

세계표준센터(WCC) :
World Calibration Center

교토의정서 규제대상 6개 온실가스 :
이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 염화불화탄소(CFCs), 수불화탄소(HFCs), 육불화황(SF6)

※ QA/SAC : Quality Control / Science Activity Centers

※ CCL : Centeral Calibration Laboratory

※ WCC : World Calibration Centers

※ RCC : Regional Calibration Centers

※ WDC : World Data Centers

※ ESRL : Earth System Reseach Laboratory, NOAA

※ EMPA : Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Dubendorf, Switzerland

※ JMA : Japan Meteorological Agency

※ UBA : German Environmental Protection Agency, Berlin

※ IMK-IFU : Forschungszentrum Karlsruhe, Institute for Meteorology and Climate Research, Garmisch-Partenkirchen, Germany

■ 모 엔진부품 전문업체는 미국의 유명 자동차 회사로부터 오스테나이트 함량이 10% 미만인 스텐레스강을 재료로 하는 연료공급펌프 제작을 의뢰 받았지만, 결국 그 기준을 맞추지 못했습니다.

그 이유는 부품 수명에 결정적인 역할을 하는 오스테나이트가 국내 X-선 회절기로 측정했을 때는 10％ 미만의 함량이었지만, 미국에서 측정한 함량은 10% 이상으로 나타났기 때문입니다.

이 예에서 보듯 높은 수준의 정확도를 요구하는 대일 또는 대미 부품소재 부문에서 국내 업계는 기술 장벽으로 인해 수출에 어려움을 겪어 왔습니다.

이는 측정에 사용되는 인증표준물질 제조 기술이 미국 등 일부 국가만 보유하고 있었기 때문입니다.

■ 금속 등 모든 물질은 사람의 지문처럼 고유의 원자배열을 갖고 있어, 이를 알아내면 물질의 종류를 정확히 파악할 수 있습니다.

이때 활용하는 장치가 X-선 회절기로, 물질의 종류를 파악하고자 할 때 우선적으로 사용하는 장비입니다.

X-선 회절기는 무엇보다 주기적인 교정을 통해 측정 정확도를 유지하는 것이 관건입니다.

하지만 지금까지 X-선 회절기의 교정을 위해 사용하는 표준물질이 없어 측정결과의 신뢰성을 보장할 수 없었습니다.

KRISS가 개발한 인증표준물질의 입자를 전자현미경으로 관찰한 모습

개발한 실리콘 인증표준물질과 김용일 박사

개발한 인증표준물질을 활용해 X-선 회절기를 교정하는 모습

KRISS(한국표준과학연구원)이 내가 현재 있는 곳의 중력가속도 값을 알수 있는 어플리케이션 '대한민국 중력가속도 정보'를 만들었습니다.(검색어는 '대한민국 중력' 입니다)

요즘 일본에서는 지난 봄 후쿠시마 원전 폭발 사고의 영향으로 올해 추수하는 햅쌀이 방사선에 오염됐을지 모른다는 불안감이 퍼지면서 오히려 작년에 수확한 재고 쌀 가격이 급등하고 있다고 합니다.

쌀 판매상에서는 작년에 생산된 쌀을 사려는 소비자들이 몰리면서 품귀현상마저 빚어지고 있습니다.

방사능에 오염된 농식품이 일본 내에서 이미 유통되고 있는 것으로 확인되면서, 식품에 대한 국민적 불안감이 커지고 있기 때문입니다.

이런 가운데 최근 KRISS(한국표준과학연구원) 방사선표준센터 이상한 박사팀이 세계 최초로  우리의 주식인 쌀의 방사능 오염도를 정확히 측정할 수 있는 환경 방사능 측정용 쌀 인증 표준물질 개발에 성공했습니다. 

방사화학분석법을 이용한 쌀 표준물질 제작과정

현재 연구팀은 쌀 인증표준물질 외에도 우라늄동위원소측정용 지하수 인증표준물질 개발을 완료해 산업체에 공급하였고, 토양을 이용한 방사능 측정용 인증표준물질도 개발 완료 단계에 있습니다.

또한 후쿠시마원전사고로 인해 해양에 방출된 세슘-137(Cs-137)과 스트론튬-90(Sr-90) 측정결과의 신뢰성확보를 위해 해수를 이용한 인증표준물질 및 수입식품 등에 포함된 방사능측정결과의 신뢰성확보를 위한 인증표준물질의 개발도 진행 중입니다.

연구팀은 개발한 환경방사능 인증표준물질을 국립농산물품질관리원, 원자력발전소를 포함한 산업체, 학교, 연구·시험기관 등에 공급해 방사능 측정 품질시스템 확립과 방사능표준을 유지할 수 있도록 할 예정입니다. 

알파입자분광분석장치를 이용해 핵종 측정 및 분광분석

무병장수는 인간의 근원적인 욕구이고 이를 위해 많은 돈과 노력이 투자되고 있다.
질병의 조기진단은 수명연장에 크게 기여하고 있다.
예를 들면 위 내시경이 보편화 되면서 위암을 조기에 발견할 수 있게 되었고 그 덕분에 위암으로 인한 사망자 수가 급격히 줄었다.
위 속을 눈으로 볼 수 있다는 것만으로도 위암의 위험에서 많이 벗어난 것이다.

그렇지만 위 내시경도 암 덩어리가 눈에 보일 만큼 크지 않으면 소용이 없다.
또한 암인지 여부를 판별하기 위해 조직을 떼어내어 검사해야만 한다.
만약 암을 세포수준에서 발견할 수 있고 또 몸속에서 바로 판별할 수 있다면 암은 더 이상 공포의 대상이 되지 않을 것이다.

KRISS(한국표준과학연구원)에서는 분자수준, 세포수준에서 암세포를 찾아내는 기술을 개발하고 있다. 
비선형 광학 레이저 이미징 기술의 하나인 CARS 현미경이 바로 그것이다.

CARS 현미경을 이용한 생체조직 관찰 실험 장면

반도체 공정에 사용되는 장비 내부는 진공상태입니다.

반도체 소재가 화학적으로 산소와 결합할 경우 산화되거나 성질이 변할 수 있고, 또 작은 티끌이 치명적인 오류를 발생시킬 수 있기 때문입니다.

그런데 기존의 반도체, 디스플레이 등 광학기를 사용하는 산업체에서는 광학기 내부 윈도우에 묻어 있는 오염물질을 쉽게 제거하지 못해 어려움을 겪어왔습니다.

일반적으로 오염입자를 측정하기 위해서는 장치 외부에서 레이저를 주사하고 윈도우에 투과해 오염물질의 양과 크기를 측정하게 됩니다.

하지만 윈도우가 오염될 경우, 레이저가 윈도우를 통해 일정하게 드나들 수 없어 입자에 대한 정확한 측정이 불가능해집니다.

개발한 오염방지모듈이 부착된 오염입자 측정장치를 평가하는 모습

강상우 박사

또한 장비의 국산화를 통해 국내 산업체가 기존 장치에 맞게 변형이 가능하고, 수리나 교정 시에도 외산장비에 비해 시간적, 경제적 비용을 크게 줄일 수 있게 됐습니다.

연구팀은 진공상태에서 초음파를 이용해 장비 내부에 퍼져있는 입자의 위치를 제어함으로써 측정효율을 향상시켰습니다.

또한 선택적으로 입자의 거동을 제어해 특정위치에 집속된 입자크기를 측정할 수 있어, 입자의 제어목적과 환경, 조건에 따라 적합한 방법을 제시했습니다.

연구팀은 진공장치의 윈도우에 개발한 오염방지 모듈을 장착해 오염물질이 부착되지 않고, 부착된 오염물질 또한 쉽게 제거되어 레이저 투과율이 완벽하게 유지되는 것을 확인했습니다.

이에 따라 진공장비 내 오염물질로 인해 광학장비의 클리닝 주기보다 센서의 윈도우 교체 주기가 짧아 센서 교체를 위해 산업체의 생산라인 가동을 중지하는 사태를 상당부분 방지할 수 있게 됐습니다.

연구팀은 관련 기술을 반도체나 디스플레이 업체 등 광학 센서를 사용하는 업체에 기술이전 할 계획입니다.

또한 개발한 윈도우 오염방지 모듈이나 집속모듈 크기를 더욱 작게 만들어 장치설치에 대한 제약을 줄이고, 초음파의 전달 효율을 극대화 할 수 있는 기술 개발도 추진할 예정입니다.