인더뉴스 제해영 기자ㅣ국립부경대학교는 일본 산업기술종합연구소 AIST와 강자성과 높은 전기전도성을 동시에 갖춘 철·구리·은 복합 분말 소재를 공동 개발했다고 11일 밝혔습니다.
연구팀은 반도체 미세화와 다핀화에 따라 요구가 커지는 고성능 전도성 소재를 겨냥해 차세대 반도체 테스트 소켓용 전도성 필러 적용 가능성을 검토했습니다.
국립부경대 신소재시스템공학전공 권한상 교수 연구팀과 AIST 멀티머티리얼연구부문 박광재 박사 등 연구진은 국제공동연구를 통해 Fe·Cu·Ag 복합 분말을 개발하고 자기적·전기적·기계적 특성을 분석했습니다. 연구 결과는 11일 일본 삿포로에서 열린 제87회 응용물리학회 추계학술대회에서 발표됐습니다.
연구팀은 강자성을 갖는 Fe에 높은 전기전도성을 지닌 Cu와 Ag를 결합했습니다. Fe·Cu·Ag의 질량비는 3·5·2로 설계했으며 가스 아토마이즈법과 열 플라즈마법을 적용해 서로 다른 크기의 복합 분말을 제조했습니다.
가스 아토마이즈법으로는 평균 입경 약 50㎛의 마이크로 복합 분말을 만들었고 열 플라즈마법으로는 약 100㎚의 나노 복합 분말을 합성했습니다. 마이크로와 나노 분말을 각각 구현했다는 점은 소켓 구조와 공정 조건에 따라 입자 규모를 달리 적용할 수 있는 가능성을 넓혔습니다.
개발한 복합 분말은 기존 반도체 테스트 소켓에 널리 사용되는 니켈 분말과 비교해 더 높은 전기전도성을 나타냈습니다. 자기 특성을 보여주는 포화자화도 마이크로 복합 분말이 약 63 emu·g, 나노 복합 분말이 약 56 emu·g으로 측정돼 니켈의 약 57 emu·g과 비교해 높거나 비슷한 수준을 보였습니다.
기계적 특성에서도 차이가 확인됐습니다. 마이크로 복합 분말의 비커스 경도는 127 HV로 측정돼 니켈 분말의 100에서 110 HV보다 높았습니다. 전도성과 자성뿐 아니라 기계적 강도 측면에서도 기존 소재를 보완할 수 있는 가능성을 확인한 결과입니다.
이번 연구의 핵심은 서로 잘 섞이지 않는 Fe·Cu·Ag의 특성을 활용해 각 금속의 기능을 하나의 분말 내부에 나눠 배치한 데 있습니다. Fe는 자기적 기능을 담당하고 Cu와 Ag는 높은 전기전도성을 담당하도록 복합 미세구조를 구현했습니다.
마이크로 복합 분말에서는 Fe와 Cu가 Ag 기반 조직에 분산된 구조가 형성됐습니다. 반면 나노 복합 분말에서는 Fe가 입자 중심부에 집중되고 Cu와 Ag가 외곽에 분포했습니다. 세 금속의 역할을 분리하면서 하나의 분말 안에서 자성과 전도성을 함께 확보한 점이 이번 소재 설계의 특징입니다.
연구팀은 이 같은 특성이 엘라스토머형 반도체 테스트 소켓의 전도성 필러 소재에 활용될 수 있을 것으로 보고 있습니다. 전도성 필러는 반도체 단자와 검사장비 사이의 전기적 연결을 담당하기 때문에 높은 전도성과 함께 적절한 기계적 강도와 내구성이 요구됩니다.
강자성 소재의 특성을 활용하면 제조 과정에서 자기장을 이용해 전도성 입자를 원하는 방향으로 배열하는 방식도 적용할 수 있습니다. 이는 테스트 소켓 내부에서 전도 경로를 정밀하게 구성하는 소재 설계로 이어질 수 있는 부분입니다.
권한상 국립부경대학교 신소재시스템공학전공 교수는 “이번 연구는 Fe의 강자성과 Cu·Ag의 높은 전기 전도성을 하나의 복합 분말에 구현함으로써 기존 소재의 한계를 보완할 수 있는 새로운 소재 설계 가능성을 제시했다”며 “향후 반도체 테스트 소켓뿐 아니라 자기장에 의해 전도 경로를 제어할 수 있는 다양한 전자·전기 소재 분야로 응용 가능성을 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔습니다.
연구팀은 앞으로 실제 실리콘 고무 기반 테스트 소켓에 적용하기 위해 분말의 조성과 입자 크기, 미세구조를 최적화할 계획입니다. 이어 접촉저항과 반복 사용에 따른 내구성, 신호전달 특성 등을 평가해 실제 반도체 검사 공정에 필요한 성능을 검증할 예정입니다.
해당 기술은 국내외 특허로 출원되고 있으며 연구팀은 향후 반도체 검사 공정용 소재 분야의 기술사업화도 추진할 계획입니다. 소재 성능 검증과 공정 적용성 평가가 이어지면 테스트 소켓용 전도성 필러의 선택 폭을 넓히는 연구 기반으로 활용될 수 있습니다.
