한양대 김영현 교수팀, 구리 대신 유리 기판에 칩·광 모듈 고집적 구현 … AI 반도체 '통신 병목' 해결 기대

한양대학교는 ERICA캠퍼스 차세대반도체융합공학부 김영현 교수 연구팀이 첨단 인공지능(AI) 반도체에서 발생하는 '통신 병목' 문제를 해결할 수 있는 '유리 기판 기반 실리콘 나이트라이드(SiN·질화규소) 광집적 플랫폼'을 개발했다고 27일 밝혔다.

최근 대규모 AI 모델 확산으로 수천 개의 AI 반도체가 동시에 작동하는 'AI 팩토리(Factory)' 구조가 부상하고 있다. 하지만 구리 배선 기반의 기존 데이터 전송 구조는 폭증하는 트래픽을 처리하기 어려워 통신 병목에 따른 시스템 성능 저하가 문제로 지적됐다. 이를 해결할 차세대 기술로 반도체 칩과 광 모듈을 패키지 기판에 직접 집적하는 CPO(Co-Packaged Optics·공동 패키징 광학기술)가 주목받고 있다. 그러나 광 모듈과 외부 광섬유를 고효율로 연결하는 광 결합 기술은 난제로 남아 있었다.

이에 물리·광학적 특성이 뛰어나고 패널 레벨 공정과도 호환되는 '유리 기판'이 새로운 CPO 플랫폼으로 떠올랐다. 문제는 기존 유리 기반 광도파로 제조 방식(LDW·IOX)은 굴절률 대비가 낮아 굽힘 손실이 크고 고효율 격자 결합기 구현이 어려워 고집적화에 한계가 있다는 점이다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 유리 기판 위에 SiN을 적용한 신규 광집적 플랫폼을 개발했다. SiN은 유리 기판(SiO₂)과 높은 굴절률 대비를 형성해 기존 LDW/IOX 기반 플랫폼보다 훨씬 높은 집적도를 구현할 수 있다. 또한 유리 기판 아래로 누설되는 빛을 반사하는 금속 반사기 구조와 결합해 기존에 불가했던 '고효율 격자 결합기'를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 6인치(15.24㎝) 유리 기판 위에 금속 반사기를 증착하고, 저온 박막 공정을 통해 SiO₂–SiN 층을 형성한 뒤 노광·건식 식각 공정을 거쳐 격자 결합기, 링 공진기, MMI 결합기, MZI 등 다양한 핵심 수동 소자를 제작했다. 개발된 구조는 기존 기술보다 10배 이상의 집적도를 달성했다. 대규모 집적에 필수적인 저손실 스티칭 구조 구현에도 성공했다.

또한 한국전자통신연구원(ETRI) 광패키징연구실(OPAC)과의 공동 실험을 통해 단일 채널 106Gbps PAM-4 초고속 데이터 전송(펄스 진폭 변조 방식으로 1초에 106기가비트 데이터 전송)에 성공했다. SiN 기반 유리 플랫폼의 실용성과 확장 가능성을 입증했다.

김 교수는 "이번 연구는 저온·대면적 패널 공정과의 호환성을 실험적으로 검증해 첨단 AI 반도체 패키징에 최적화된 고효율·고집적 광 플랫폼의 기반을 마련한 성과"라며 "앞으로 웨이퍼·패널 레벨 통신 구조의 핵심 기술로 확장될 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 한양대 두뇌한국(BK)21 FOUR ERICA-ACE Center와 삼성전자, 한국연구재단의 차세대광패키징기술개발사업, 과학기술사업화진흥원의 2025 지역산업연계 대학 Open-Lab 육성지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구 과제 중 한양대 ERICA 나노광전자학과 진태원 박사과정생이 주도한 '패널 수준 패키징에서 확장 가능하고 고밀도 광 재분배층을 위한 유리 기반 질화규소 광 플랫폼' 연구는 광학·포토닉스 분야의 국제 학술단체인 'Optica'의 SCI 저널 '옵틱스 익스프레스(Optics Express·광학 속보)'에 지난 19일 게재됐다. 정희윤 석·박통합과정생이 수행한 '유리 기판 위 금속 반사체를 갖춘 SiN 격자 커플러의 구현' 연구는 국제전기전자학회(IEEE)의 SCI 저널 'IEEE 포토닉스 테크놀로지 레터스(IEEE Photonics Technology Letters·광(光)기술 속보저널)'에 게재가 확정돼 12월호에 발표될 예정이다.

한편 김 교수는 이번 과제를 기반으로 한 'AI 반도체용 광반도체 기술'을 경기도 안산시 강소기업 'FOSTEC'에 5억 원 규모로 기술이전 했다. 지난 8월에는 AI 반도체용 광패키징 기술 상용화를 위해 ㈜와이케이포토닉스를 창업했다.