게임체인저 될까…AI 시대 뜨는 반도체 유리기판 뜯어보니

[이데일리 김응열 기자] 인공지능(AI) 불길이 반도체 기판으로 옮겨붙었다. AI 솔루션을 위한 고사양 반도체에 대한 수요가 커지면서 이를 받쳐줄 차세대 반도체 유리기판이 주목받고 있다. 이는 기존 기판보다 미세회로를 그리기에 용이하다는 장점 때문에 ‘꿈의 기판’으로 불린다. 그러나 유리 특성상 깨지기 쉬운 점은 해결해야 할 과제다. 주요 전자기업들이 유리기판 개발에 뛰어든 가운데 유리 고유의 단점을 극복해 기판업계의 ‘게임체인저’가 될 수 있을지 관심이 모아진다.

삼성부터 LG, 인텔까지…유리기판 출사표

2일 업계에 따르면 국내외 IT기업들은 유리기판 개발을 진행하고 있다. 삼성전기(009150)와 LG이노텍(011070), SKC(011790) 계열사 앱솔릭스, 미국 반도체 기업 인텔이 대표적이다. 삼성전자의 주요 파트너인 미국 특수유리 제조사 코닝도 최근 유리기판 사업 진출을 알렸다.

삼성전기 유리기판. (사진=삼성전기)

유리기판은 이미 10년 전부터 그 개념이 존재했다. 그런데 국내외 기업들이 올 들어 적극적으로 유리기판 사업에 뛰어드는 건 AI 시대가 본격화하고 있기 때문이다. 최근 반도체업계에선 AI 수요가 폭발하면서 고사양 반도체가 속속 등장하고 있다. 엔비디아뿐 아니라 메타, 마이크로소프트(MS), 인텔 등 주요 기업들이 AI 반도체 개발에 나선 상황이다.

고사양 반도체가 제 성능을 발휘하려면 반도체 기판 역시 그에 걸맞은 스펙을 갖춰야 한다. 현존하는 반도체 기판은 고사양 반도체를 제대로 뒷받침하기 어렵다. 반도체에서 정보가 오가는 통로(I/O)는 많아지고 있는데, 지금의 기판으로선 이 통로를 감당하지 못할 수준이다.

기반-칩 잇는 실리콘 인터포저, AI 시대엔 한계

현재 반도체업계에서는 기판과 반도체 칩 사이에 ‘인터포저’라는 중간기판을 삽입하는 방식으로 첨단 반도체에 대응하고 있다. 인터포저는 기판과 반도체를 원활히 연결해주는 중재자 역할을 한다.

반도체 기판과 반도체 사이에 인터포저를 삽입한 개념도. (사진=TSMC)

인터포저는 소재에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 유기와 실리콘이다. 유기 소재 인터포저는 실리콘 제품보다 가격이 약 10분의 1 정도로 저렴하지만 한계도 뚜렷하다. 반도체 공정에서 발생하는 고온에 약하다는 점이 대표적이다. 잘 휜다는 의미다. 아울러 표면이 울퉁불퉁하고 매끄럽지 못해 배선 간격을 좁게 구현하기에 어려움이 크다. 더 많은 회로를 새기기 어렵다는 뜻으로 성능 자체를 개선하는 데에는 제약이 있다.

이와 달리 실리콘 인터포저는 유기 인터포저의 단점을 해소한다. 표면이 맨들맨들해 배선 간격을 좁힐 수 있다. 그러나 공정이 반도체 전공정과 비슷한 수준으로 복잡하고 제조 비용이 많이 든다.

“기판 트렌드 유리로”…10년 뒤 5.7兆 시장 확대

유리기판은 유기 인터포저, 실리콘 인터포저가 갖는 문제점에서 비교적 자유롭다. 유리 역시 실리콘과 비슷한 수준으로 표면이 매끄러워, 유리기판 표면에 바로 배선 간격을 좁게 설계할 수 있다. 기존 기판과 비교하면 최대 10배의 전기적 신호를 전달하는 게 가능하다. 아울러 고온에서도 휨 현상(워피지)을 방지할 수 있다.

기존 인터포저를 탑재한 반도체 기판(위)과 유리기판(아래) 구조. (사진=앱솔릭스)

유리기판 안에 적층세라믹콘덴서(MLCC) 등을 내장할 수 있고 별도 인터포저가 필요하지 않다는 것도 장점이다. 유리기판 위에 보다 많은 반도체를 올릴 수 있는 동시에 전체 두께를 얇게 만드는 데에도 유리하다. 이 같은 장점 덕에 기판 소재는 유리로 갈 수밖에 없다는 게 업계 안팎의 공통된 견해다. 시장조사업체 퓨처마켓인사이트는 지난해 약 3조2000억원 규모였던 세계 유리기판 시장 규모가 10년 뒤인 2034년에는 5조7000억원으로 커질 것으로 전망하고 있다.

이규하 NH투자증권 연구원은 “유리기판은 시장 확대에 시간은 다소 필요할 것”이라면서도 “반도체 미세화 트렌드를 최적화하기 위해 미래 기판소재의 핵심은 유리가 될 것”이라고 내다봤다.

유리 특성상 깨지기 쉬운 단점 해결 과제

유리기판 역시 단점이 있다. 깨지기 쉽다는 점이다. 반도체 기판은 IT 기기 내 각 부품에 전기를 공급하는 메인보드와 반도체 칩 등 부품을 연결해주는 역할을 한다. 유리기판도 구멍을 뚫고 메인보드에서 각 반도체로 전기가 흐르도록 해야 한다. 구멍을 만드는 과정에서 유리가 파손될 수 있다. 이는 곧 수율과 가격 경쟁력 문제로 이어질 수 있다.

유리기판에 뛰어든 국내외 기업들 입장에선 깨지기 쉬운 유리의 특성을 극복하는 게 가장 중요한 과제다. 유리기판이 실리콘 인터포저를 사용할 때보다 제조 비용이 저렴하다고 해도, 제조 과정에서 깨지는 경우가 많으면 가격 경쟁력 확보와 양산에 차질을 빚을 수밖에 없다.

업계 관계자는 “유리기판이 기존 실리콘 인터포저보다 저렴하다는 장점은 있으나 아직 양산한 곳이 없는 만큼 실제 상용화가 가능할지는 두고봐야 한다”며 “깨지기 쉬운 단점을 어떻게 해소하느냐가 관건”이라고 말했다.