전기차, 신재생에너지 설비 등 고성능 장비에 필수적인 탄화규소(SiC) 전력반도체의 불량을 찾아내는 글로벌 판별 기준이 국내 연구진에 의해 15년 만에 새롭게 쓰였다.
한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀은 충남대학교 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과의 산학연 공동연구를 통해 약 15년간 전 세계적으로 잘못 알려진 SiC 반도체 내부 결함의 '특성 발광 파장'을 새롭게 규명하는 데 성공했다.
오랫동안 국제 표준에 반영돼 통용된 기존 파장을 원자 단위에서 정밀하게 검증해 바로잡은 세계 최초 성과다. 장기적으로 소재 품질과 소자 신뢰성 향상은 물론 더 신뢰성 높은 전력변환 시스템과 에너지 효율 향상에 기여할 전망이다.
통상 산업계에서는 반도체 웨이퍼를 깨지 않고 불량을 찾아내기 위해 빛을 쏴 검사하는 '광발광(PL) 검사'를 쓴다. 반도체를 만들기 위해서는 원자를 층층이 쌓아올리는 과정이 필요한데 쌓는 순서가 어긋나 결함이 발생한 층에서는 반사된 빛의 파장이 다르다는 점에 착안한 검사법이다.
SiC 전력반도체에서 대표적인 결함으로는 '프랭크형 적층결함'이 꼽힌다. 그 중에서도 발광파장 424㎚의 프랭크형 적층결함이 국제전기기술위원회(IEC) 기준에 반영돼 있다. 연구팀은 이 기준이 빛의 신호와 실제 원자 구조를 일대일로 꼼꼼하게 대조해 얻어낸 결과가 아닌 만큼 재검증이 필요하다고 판단했다.
나문경 박사팀은 오류를 바로잡기 위해 빛으로 결함 위치를 찾은 뒤 해당 위치를 ㎚단위로 정밀하게 잘라내 원자분해능 주사투과전자현미경으로 실제 원자 배열을 직접 확인하는 고난도 분석을 수행했다. 여기에 슈퍼컴퓨터를 활용한 첨단 이론 계산까지 더해 교차 검증한 결과 해당 결함의 진짜 지문은 424㎚가 아닌 459㎚라는 사실을 증명해 냈다.
연구팀의 분석 역량은 국제 무대에서도 그 권위를 연이어 인정받고 있다. 이번 연구 결과는 금속·무기재료 분야 세계 최고 학술지인 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)'에 게재됐다. 같은 학술지에 'SiC 킬러 결함(사다리꼴 결함)' 내부 구조를 최초로 밝혀내 초고속 게재 승인을 받은 지 4개월 만에 이뤄낸 쾌거다.
이같은 공로를 인정받아 나문경 박사는 최근 일본 분석·계측 전문기업 호리바가 주관하는 국제 연구상 '2026 호리바 마사오상'을 수상하는 영예를 안았다. 2004년 첫 시상 이후 국내 연구기관 소속 연구자가 이 상에 이름을 올린 것은 이번이 처음이다.
나 박사는 “빛의 신호와 실제 원자구조를 한 치 오차 없이 직접 연결해 오랫동안 굳어져 있던 글로벌 판별 기준의 오류를 바로잡았다는 데 의미가 크다”면서 “이번 최고 권위 학술지 연속 게재와 국제상 수상은 우리가 축적해 온 분석 기술이 세계 최고 수준임을 보여주는 결과인 만큼 앞으로도 국내 전력반도체 산업의 품질 경쟁력을 높이는 든든한 기반이 되겠다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
