일본산보다 월등해…반도체 핵심소재 국산화 성공

'에폭시 밀봉재' 세계 최고 수준의 열팽창특성 구현, 삼화페인트에 기술 이전 양산 준비 완료

생기원에서 개발한 에폭시 수지와 이를 활용해 삼화페인트공업㈜에서 제작한 에폭시 수지 시제품/사진=생기원

국내 연구진이 대일 의존도가 약 87%에 달하는 에폭시 소재를 대체할 국산 원천기술을 개발하고, 일본산 제품보다 열팽창 성능이 우수한 에폭시 밀봉재를 제작, 국산화에 성공했다.

한국생산기술연구원 섬유융합연구부문 전현애 박사 연구팀은 새로운 에폭시 수지 제조 원천기술을 개발하고 이를 이용해 일본산 제품보다 열팽창 성능이 우수한 에폭시 밀봉재를 제작, 국산화했다고 16일 밝혔다.

에폭시 밀봉재는 반도체 칩을 밀봉해 열·습기·충격 등 외부환경으로부터 보호해주는 역할을 한다. 반도체 전·후 공정에 사용되는 유기 소재들 중 세계 시장 규모가 대략 1조 5000억원 규모로 가장 큰 핵심소재이지만 최고 등급의 에폭시 물성이 필요해 대부분 일본산 제품 수입에 의존해왔다.

연구팀에 따르면 대다수의 소재들은 온도 상승에 따라 부피 변화가 동반되며 그 변화 값을 ‘열팽창계수’라고 하는데, 반도체 제조의 가장 마지막 단계인 패키징 공정에선 에폭시 수지의 열팽창계수를 줄이는 것이 공정의 신뢰성·용이성을 크게 좌우한다.

일본산 에폭시는 반도체 칩보다 훨씬 높은 열팽창계수를 지녀 패키징 과정에서 부품 전체가 휘는 불량 문제를 종종 일으켜왔다. 최근 반도체가 점차 대면적화되면서 휨 현상이 심각해짐에 따라 기존보다 더 낮은 열팽창계수를 가진 에폭시 밀봉재 개발이 중요해졌다.

연구팀은 10년의 연구개발 기간을 거쳐 새로운 화학 구조의 에폭시 수지를 독자적으로 설계·합성하고, 이를 기반으로 세계 최고 수준의 저(低)열팽창특성을 갖는 에폭시 소재 기술을 구현했다.

지금까지의 에폭시 소재 기술은 구성 성분의 대다수를 차지했던 보충재(실리카)의 함량을 높여 열팽창계수를 낮추는데 초점이 맞춰졌으나, 점도가 지나치게 높아져 공정 용이성이 떨어지는 한계가 있었다.


반면, 연구팀은 에폭시 수지 구조에 변화를 줘 소재의 공정 용이성을 그대로 유지하면서 열팽창계수를 반도체 칩과 거의 유사한 ‘3ppm/℃’ 수준까지 조절했다.

개발된 기술은 반도체 패키징에 사용되는 모든 형태의 에폭시 소재 제조에 활용할 수 있으며, 대량 합성도 용이하다고 연구팀은 설명했다.

또 이를 활용한 에폭시 밀봉재의 경우, 일본산 제품의 한계였던 12인치(inch) 이상의 대면적 패키징이 가능해 향후 인공지능(AI), 자율주행차 등에 필요한 고성능 반도체 제작에 폭넓게 적용될 것으로 예상된다.

연구팀이 개발한 기술은 상용화를 위해 2018년 10월 도료 제조 전문기업 삼화페인트공업에 이전 했으며, 이 회사는 현재 신규 에폭시 수지 4종의 양산을 안정화해 고순도·고수율의 톤(ton)단위 생산시스템을 구축한 상태다.

전 박사는 “일본기업의 영향이 절대적인 반도체 소재 분야에서 기술 우위를 뒤바꿀 수 있는 독보적 원천기술을 개발했다”며 “앞으로 양산된 제품이 시장에 성공적으로 출시·정착될 수 있도록 지원할 것”이라고 말했다.