[Weekly 신기술 및 정책소식] 핵융합로 토카막 상용화 난제 '폭주 전자' 원리 규명

◇ 첨단반도체 테스트베드 구축 사업 예타 통과…7년간 4469억원 투입

과학기술정보통신부는 ‘2024년 제8회 국가연구개발사업평가 총괄위원회’를 28일 열고 2023년 4차 국가연구개발사업 예비타당성조사 대상으로 선정됐던 ‘첨단반도체 양산연계형 미니팹 기반구축사업’을 통과시켰다.

이 사업은 정부와 수요기업, 소재·부품·장비기업이 협력해 첨단반도체 테스트베드를 구축하는 사업이다. 반도체 소재·부품·장비 산업은 수요기업과의 공동개발과 평가, 검증이 중요하지만, 그동안 양산 검증을 위한 기업 간의 협력체계는 미비했다.

이 사업을 추진하는 산업통상자원부는 사업을 통해 수요기업의 부지 내 클린룸에 실제 칩 양산에 활용되는 공정·계측 설비를 구축하고, 소·부·장 기업 개발 제품에 대한 성능 검증, 평가, 컨설팅을 상시 지원할 계획이다. 2031년까지 모두 4469억6000만원의 사업비가 들어가는 사업이다.

◇ 반도체 회로 만드는 시스템으로 인공 골격근 만들었다

KAIST는 전성윤 기계공학과 바이오미세유체 연구실 교수 연구팀이 심기동 기계공학과 교수팀과 공동 연구를 통해 골격근 조직을 제작하는 '바이오 미세유체시스템(Biomicrofluidic system)'을 개발했다고 27일 밝혔다. 

바이오 미세유체시스템이란 반도체 회로 제조 등에 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 공정 등을 토대로 작은 바이오 소재를 만드는 시스템이다. 세포 및 생체조직 배양, 유동 생성 및 제어 등에 활용된다. 

연구팀은 미세유체칩을 기반으로 미세유체시스템을 자체 개발했다. 시스템을 통해 골격근 조직 배양에 큰 비중을 차지하는 '하이드로젤'의 구성 성분, 재료가 젤 형태가 되는 시간, 세포의 농도를 조절해 인공 골격근인 삼차원 근육 밴드를 제작했다. 하이드로젤은 친수성 고분자가 물속에 분산돼 있는 젤리 형태의 물질이다. 

◇ 생산성 6.5배 늘리는 600㎜ 대면적 반도체 패키징 기술 개발

한국기계연구원(기계연)은 송준엽 자율제조연구소 반도체장비연구센터 연구위원, 이재학 자율제조연구소 반도체장비연구센터 책임연구원 연구팀이 반도체 소재 기업 한화정밀기계, 크레셈, 엠티아이와 함께 600㎜ 대면적의 패널 위에서 고집적 다차원 패키징을 구현할 수 있는 'FO-PLP'의 핵심 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 

FO-PLP는 반도체 칩을 대면적 패널 위에 배열해 패키징을 구현하는 기술이다. 기존 FO-WLP 기술이 웨이퍼 단위에서 패키징을 진행하는 것과 달리 대면적 패널을 이용하므로 생산성이 높지만 기술적 난도가 매우 높다. 

연구팀은 원형이 아닌 사각형의 600mmx600mm 대면적 패널을 사용해 패키징을 구현하는 FO-PLP 기술을 개발해 생산성을 극대화했다. 시간당 1만 개 이상의 칩 생산이 가능한 높은 생산성의 본딩 장비와 1~2마이크로미터(㎛‧100만 분의 1m)급 분해능을 갖는 고속 대면적 검사장비를 통합적으로 개발하기도 했다. 

◇ 실시간 진단, 반도체 공정 부품 수명 늘린다

한국표준과학연구원(KRISS) 첨단소재측정그룹이 반도체 플라스마 공정에 쓰이는 부품의 수명을 실시간으로 진단하는 시스템을 개발하는 데 성공했다.

플라스마 공정은 플라스마 상태로 이온화된 기체를 이용해 반도체 기판의 표면을 정밀하게 가공하거나 특정 물질을 증착하는 과정이다. 플라스마 공정에서 반도체 소자의 회로 패턴을 정밀하고 균일하게 구현해야만 설계 단계에서 목표했던 성능을 발휘할 수 있기 때문에 반도체 수율과 직결된 핵심 공정으로 꼽힌다.

연구진은 플라스마 공정 설비에 부착해 장비 내부 부품의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 측정시스템을 개발했다. 시스템은 테스트용 부품 홀더와 포집 장치, 분석 센서로 구성된다. 장비 내부에 테스트용 부품을 부착한 후, 플라스마 노출로 인해 벗겨지는 부품 피막을 포집해 센서로 분석하는 방식이다. 공정 중 발생하는 수 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 이하 크기의 미세 입자를 시간당 수천 개까지 분석해 부품의 상태와 남은 수명을 실시간 진단할 수 있다.

◇ 포항에 폐배터리 해체 시험장 설치…자동화 공정 개발 돌입

한국로봇융합연구원은 경북 포항시 남구 포항블루밸리산업단지 내 이차전지종합관리센터에 폐배터리 해체 시험장을 설치했다고 27일 밝혔다.

이 시험장은 다품종 전기차 폐배터리팩을 재활용하기 위해 사람과 로봇이 협업해 해체할 수 있는 기술을 개발하는 곳이다.

연구원은 산업통상자원부, 경북도, 포항시 지원으로 2022년부터 91억원을 들여 피엔티, 포항공대, 뉴로메카, 한국기계연구원, 성일하이텍과 함께 폐이차전지 분해·해체 자동화 공정과 로봇 기술 개발에 나서고 있다.

연구원은 전기차 보급으로 리튬, 코발트, 니켈 등 주요 원료 가격이 상승하면서 폐이차전지 원료 회수를 위한 재활용 시장 규모가 커지고 있어 2030년에는 세계적으로 400만대 이상의 폐이차전지가 발생해 약 60조원 규모 재활용 시장이 형성될 것으로 추정한다.

◇ 韓 연구진, ‘웨어러블 OLED’ 상용화 핵심기술 확보

한국연구재단은 충북대 권정현 교수와 KAIST 김택수 교수 공동 연구팀이 초고유연 봉지막 기술을 기반으로 고신뢰성 웨어러블 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 기존의 봉지 기술 한계를 뛰어넘는 유·무기 하이브리드 멀티배리어 구조를 개발했다.

이 구조는 알루미늄 산화물과 실란계 유·무기 하이브리드 폴리머층을 번갈아 쌓아 구성하는데, 이때 유기층은 유연성을 제공하고, 무기층은 수분과 산소로부터 보호 기능을 담당하게 된다.

기존 봉지 기술이 외부 스트레스에 약했던 반면, 해당 연구에서 설계된 멀티배리어 구조는 높은 인장성을 지닌다. 연구팀이 봉지층의 고유한 기계적 특성을 평가한 결과, 기존 무기 재료의 한계를 뛰어넘는 2.8%의 연신율을 보이며 유연성을 입증했다.

◇ 서울대 연구팀, 핵융합로 토카막 상용화 난제 '폭주 전자' 원리 규명

한국연구재단은 서울대 원자핵공학과 나용수 교수 연구팀이 핵융합로 토카막을 시동할 때 발생하는 폭주 전자의 형성 원리를 규명했다고 28일 밝혔다. 토카막 시동을 위해서는 번개의 원리와 같이 강한 전기장이 필요한데 이 전기장은 폭주 전자를 발생시키는 문제가 있다.

폭주 전자는 강한 전기장으로부터 끊임없이 에너지를 받아 가속을 억제할 수 없는 고에너지 전자를 말한다. 폭주 전자는 플라즈마를 형성시키기 위해 외부에서 인가한 에너지를 빼앗아 플라즈마 형성을 방해하고 장치에 치명적인 손상을 가할 수 있다.

이 때문에 토카막 상용화를 위해서는 폭주 전자의 형성 원리를 규명하고 발생을 정확하게 예측할 수 있는 기술이 필요하다. 

이에 연구팀은 독일 막스 플랑크 연구소, 국제핵융합실험로(ITER) 국제기구와 공동연구를 통해 폭주전자를 기술할 수 있는 동역학 이론을 일반화해서 폭주 전자의 새로운 발생 기작을 규명하며 핵융합 상용로 시동 설계의 이론적 병목을 해결했다.

◇ 전남대 연구팀, 실리콘 기반 리튬이온전지 제조 기술 개발

전남대학교는 25일 화학공학부 전영시 교수 공동연구팀이 실리콘 기반 리튬이온전지 제조 기술을 개발했다고 밝혔다.

전영시 교수(교신저자)와 이태규 박사과정생(제1저자)은 한국화학연구원 김윤호 박사(교신저자)와의 공동연구에서, 화학 결합 형성을 통한 음극의 기계적·전기화학적 안정성을 크게 높이는 방법을 제시했다.

이 기술은 낮은 음극 부피 팽창 등의 강점으로 높은 방전용량과 전기화학적 안정성을 달성해 과학·기술적 가치가 높은 것으로 평가받았다.

네덜란드 화학공학분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(영향력지수 13.4, JCR 상위 3.1%)에 게재됐으며, 전남대 산학협력단을 통해 관련 특허를 주식회사 지엘켐에 기술을 이전하고 대량생산 상용화의 길도 텄다.

◇ '열의 순환' 이용해 폐플라스틱 대규모 처리한다

한국에너지기술연구원(에기연)은 황병욱 CCS연구단 책임연구원 연구팀이 화력발전소의 보일러에 주로 활용되는 '순환유동식 공정'을 적용해 폐플라스틱을 재활용하고 열분해유를 대량 생산할 수 있는 공정 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

현재 국내에서 폐플라스틱을 열분해하는 데 '킬른 방식'이 사용된다. 킬른 방식은 원통 안에 폐플라스틱을 넣고 외부에서 열을 가해 발생되는 유증기를 응축시켜 열분해유를 얻는 공정이다. 공정 설계가 간단하지만 원통이 커질수록 외부에서 내부 중심까지 열전달이 어려워 공정의 규모를 키우는 데 한계가 있다. 

연구진은 기존 공정의 한계를 극복하고자 순환유동식 공정을 통해 폐플라스틱을 재활용하는 기술을 개발했다. 연구진은 세계 최초로 순환유동층 공정을 폐플라스틱 열분해에 적용해 기존 공정의 한계인 연속 공정과 대형화를 가능케 했다.