▲ 이트륨옥사이드 플라즈마 처리 전후 사진     © 핵융합연구소 제공

일본의 수출 규제 이후 반도체 소재 및 관련 기술의 국산화 필요성이 높아지는 가운데, 국가핵융합연구소(이하 핵융합(연), 소장 유석재)의 기술 지원을 통해 국내 중소기업이 전량 수입에 의존하던 반도체 공정 코팅 소재의 국산화에 성공하는 쾌거를 이뤘다.

핵융합(연)은 지난 2017년 국내 중소기업인 용사코팅 전문업체 ㈜세원하드페이싱(대표이사 곽찬원)에 용사코팅용 재료 분말의 유동성을 향상할 수 있는 플라즈마 기술을 이전하고, 관련 제품 개발을 위한 협력을 추진해왔다.

그 결과 핵융합(연)과 ㈜세원하드페이싱은 미세 분말 상태에서도 응집하지 않는 용사코팅 소재인 이트륨옥사이드(Y₂O₃)를 국내 최초로 개발하는 데 성공했다. 이트륨옥사이드(Y₂O₃)는 플라즈마 에처와 화학증착장비(CVD) 내부 코팅 등 반도체 공정 장비에 적용되는 소재로, 국내 반도체 제조사들이 전량 일본에서 수입해 사용하고 있는 소재이다.

용사코팅은 분말 상태의 재료를 반도체, 자동차. 전자제품 등의 부품 표면에 분사하여 입히는 기술로, 부품의 내열 및 내구성 등을 향상시키기 위해 다양한 산업 분야에서 활용되는 코팅 방식이다.

그동안 산업계는 용사코팅의 높은 치밀도 및 균일성과 빠른 코팅 형성 속도 등을 위해 크기가 작고 유동성이 좋은 용사 분말을 필요로 해왔다. 하지만 분말의 크기가 작아질수록 분사 과정에서 뭉치거나 엉기는 등 유동성이 낮아져, 균일한 코팅이 이루어지지 않는다는 문제가 있었다.

하지만 핵융합(연)의 플라즈마 기술을 적용한 용사 분말은 분말끼리 서로 밀어내는 반발력이 생겨 응집되지 않고 흐름이 좋아지기 때문에 치밀하고 균일한 코팅막을 형성할 수 있다. 특히 25마이크로미터(mm) 이하 크기의 용사분말 유동성을 크게 향상 시킬 수 있어, 그동안 어려웠거나 불가능했던 미세 분말을 이용한 고품질의 용사코팅을 가능하게 한다.

그동안 25mm 이하 크기의 이트륨옥사이드(Y₂O₃)의 경우 유동도가 없어 코팅에 사용하지 못했다. 하지만 핵융합(연)의 플라즈마 기술을 적용해 개발한 제품(20mm 수준)은 유동도가 2(g/sec) 내외로 일본에서 수입해 사용했던 제품(35mm 수준)보다 입자 사이즈가 작으면서도 유동도가 매우 높아 미세하고 치밀한 코팅막을 형성할 수 있다.

▲ 홍용철 책임연구원     © 김정환 기자

해당 기술 개발자인 핵융합(연) 홍용철 박사는 “뛰어난 품질의 미세 용사 분말 제작이 가능한 플라즈마 기술은 반도체 공정 외에도 다양한 소재 산업에 활용할 수 있어, 이를 활용한 소재 기술 국산화 연구를 지속할 계획이다”라고 밝혔다.

㈜세원하드페이싱은 국내 여러 코팅 업체를 통해 핵융합(연)과 공동개발한 이트륨옥사이드(Y₂O₃)의 품질과 신뢰성을 검증받았으며, 가까운 시일 내에 품질테스트를 통해 국내 반도체 생산에 실제로 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

핵융합(연) 유석재 소장은 이번 성과와 관련 “출연(연)이 기업에 이전한 기술을 바탕으로 기업과 협력하여 일본의 수출 규제에 대응할 수 있는 반도체 소재 국산화 성공의 대표적 사례 중 하나이다.”며, “플라즈마 기술이 반도체 공정의 80% 가량을 차지하는 핵심 기술 중 하나인 만큼 국내 기업들의 반도체 장비 및 소재 국산화를 위해 우리 연구소가 보유한 플라즈마 기술 지원을 보다 적극적으로 추진해 나가겠다.”고 밝혔다. 

플라즈마 전문 연구를 수행하는 핵융합(연) 플라즈마기술연구센터는 이번 성과 이전에도 국내 산·학·연과 협력하여 반도체 제조의 핵심 플라즈마 공정 중 하나인 식각(에칭)공정을 시뮬레이션하여 예측할 수 있는 소프트웨어(K-SPEED)의 국산화에 성공한 바 있다.

핵융합(연)은 앞으로도 일본의 수출 규제 대응을 위해 반도체 제조 공정에 필요한 ‘플라즈마 소재/부품/장비 개발 R&D테스트 베드 확충’등 반도체 관련 국내 기업들의 기술 국산화를 지원하고 국내 반도체 관련 기술자립에 기여할 계획이다.