DGIST, 고해상도 초음파 센서 개발

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 렌즈 옆면에 나사산 구조를 새겨 초음파 영상의 화질을 떨어뜨리는 내부 잡음을 획기적으로 줄인 '나사산 렌즈 집속형 초음파 센서'를 개발했다. 이 센서를 활용하면 반도체 칩 내부의 초미세 결함까지 선명하게 확인할 수 있어, 전기차 및 항공우주용 고신뢰성 반도체의 품질 검사 기술 고도화에 기여할 것으로 기대된다.

최전기차와 항공우주 산업 성장으로 높은 전압과 열을 견뎌야 하는 전력 반도체의 신뢰성이 그 어느 때보다 중요해지고 있다. 반도체 내부의 미세한 균열이나 빈 공간(공극)을 기기 손상 없이 찾아내는 데는 엑스레이나 광학 검사보다 내부 침투력이 뛰어난 초음파 검사가 주로 쓰인다.

산업 현장의 반도체 검사 장비는 주로 물기둥을 통해 초음파를 전달하는 방식(워터폴 방식)을 사용하는데, 장착 공간의 제약으로 센서 크기를 키우는 데 한계가 있다. 이로 인해 작은 렌즈 내부에서 초음파가 반사되고 엉키면서 발생하는 불규칙한 '가장자리 잡음'이 영상의 선명도를 크게 떨어뜨리는 고질적인 문제가 있었다.

장진호 교수팀은 소리의 반사를 막는 무향실(방음실) 벽의 쐐기형 흡음 구조에서 아이디어를 얻어 이 문제를 획기적으로 해결했다. 초음파 렌즈의 밋밋한 옆면에 비스듬한 나사산 형태의 홈을 촘촘히 새겨 넣은 것이다. 렌즈 옆면으로 향한 초음파가 나사산 경사면에 부딪혀 여러 방향으로 흩어지면서, 반사파가 한데 모여 잡음을 일으키는 현상을 물리적으로 원천 차단했다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 잡음 억제 효과가 뛰어나면서도 실제 제작이 쉬운 최적의 나사산 규격(높이 500μm, 경사각 30°)을 확립해 렌즈 설계의 새로운 표준 지침을 제시했다. 이 기술은 센서의 전체 크기나 내부 핵심 부품을 바꾸지 않고 렌즈의 겉모양만 가공하면 되기 때문에 기존 좁은 산업용 검사 장비에도 손쉽게 바로 적용할 수 있다.

실제로 새롭게 개발된 센서로 차량용 전력 반도체 모듈을 검사한 결과, 기존 센서로는 잡음에 가려 전혀 보이지 않던 머리카락 굵기 4분의 1 수준의 금속 선과 미세 기포 등 칩 내부 마이크로 구조와 결함들이 기존 CT 촬영에 버금갈 정도로 선명하게 드러났다.

장진호 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 교수는 “이번 연구는 산업용 검사 장비에 최적화된 초음파 센서 설계의 가장 큰 난제였던 렌즈 내부 잡음 문제를 렌즈 형상 가공만으로 해결했다는 데 큰 의의가 있다”며, “향후 100MHz 이상의 초고주파 초음파 변환기를 대량 생산할 수 있는 제조 기반을 마련한 셈”이라고 설명했다. 또한 “앞으로 반도체 제조 기업과의 공동 연구를 통해 다양한 실제 공정 결함을 실증해 현장 맞춤형 차세대 비파괴 검사 시스템 개발에 속도를 내겠다”고 덧붙였다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 'STEAM 사업', 과기정통부 '이노코어(InnoCORE) 사업', 정보통신기획평가원(IITP) 'AI스타펠로우십'의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 강성우 박사후연수연구원과 박현규 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 비파괴 검사 분야 최고 권위의 국제 저명 학술지인 'NDT & E International'에 게재됐다.