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전은숙 레이저앱스 대표 <사진=김예림 프로>

“크랙 없는 레이저 멜팅 절단 기술 상용화

신뢰성 높은 반도체 유리기판 시대 연다”

인공지능(AI) 반도체 시대를 맞아 ‘유리기판’이 차세대 반도체 기판으로 떠오르고 있다. 유리기판은  반도체의 신호 전달 속도를 높이면서 전력 효율까지 개선할 수 있기 때문이다.

또 유리기판은 표면이 평탄해 미세 회로 구현이 용이하며 열과 휘어짐에도 상대적으로 강해 대면적으로 제작이 가능하다.

다만 유리기판 상용화를 위해서는 넘어서야 할 과제도 많다. 그 가운데 하나가 유리를 자르는 장비기술이다. 유리를 정교하게 자르지 않으면 미세한 균열(크랙)이 발생한다. 결국 기판의 신뢰성이 위협받게 된다.

레이저 앱스는 유리를 자른 후 별도의 후공정이 필요 없는 독보적인 기술을 개발하고 있다.  2~3년 후 상용화가 가능하다는 이 기술에 대해 전은숙 대표에게 직접 들어봤다.

Q: 레이저 관련 분야에서 많은 경력을 쌓은 것으로 알고 있다.

A: 물리학과 전자공학을 공부하고 ATNT 벨랩에서 유리를 직접 개발했다. 이후 액시머 레이저 회사에서 2여년간 글로벌 기업들을 상대로 설비 제작과 미세 가공 업무를 진행했다. 이러한 경험을 기반으로 삼성SDI에서 레이저 응용장비 개발 업무를 했고 이오테크닉스에 들어가서는 반도체 디스플레이, PCB, 솔라셀 LED 등 다양한 분야에 레이저를 접목하는 프로젝트를 진행한 바 있다.

Q: 최근 반도체 유리기판에 관심이 많은데 레이저 전문가로서 유리 절단 분야에서의 성과도 있는가?

A: 유리라는 소재는 디스플레이 업계에서 굉장히 오랫동안 적용되어 왔기 때문에 유리를 절단하는 기술도 많이 축적되어 있다. 지금까지는 유리칼이나 레이저를 이용해 절단한 후 일정 수준의 품질을 만족하기 위해 절단면을 연마하는 공법들을 적용했다. 그런데 우리 레이저 앱스에서는 절단 후 연마가 필요 없는 기술을 10여 년 전부터 개발해 독보적인 기술을 보유하고 있다.

Q: 유리칼이나 레이저로 유리를 절단했을 때는 왜 연마하는 후공정이 필요한가?

A: 레이저 절단의 경우, 물질 내부에 미세 크랙을 형성해 분리를 하기 때문에 절단면에 칩핑이나 미세 크랙이 존재하게 된다. 그래서 케미컬 애칭이나 기계적인 연마 방식 등을 통해서 후처리를 하게 된다. 하지만 이렇게 형성된 미세 크랙이 연마를 하는 과정에서 압력을 받게 되면 절단면 안쪽으로 점점 전파되는 현상이 나타난다. 따라서 한 번 만들어진 미세 크랙은 아무리 연마를 잘해도 일정 부분은 제거될 수 있지만, 전파를 막을 수는 없다는 문제가 있다.

반도체 유리기판 쪽에서는 유리의 특성뿐만 아니라 유리 위 아래에 PCB 레이어가 형성되어 있다는 점도 고려해야 한다. 실제로 어떻게 될지는 좀 더 지켜봐야 하겠지만, 절단시에 기판 내부에 범프 마운트가 발생해 케미컬 애칭을 하기가 어려울 것으로 예상된다. 그렇다고 마스킹 처리를 하면 많은 비용이 발생하기 때문에 지금 주로 검토되는 방식은 구조 변경이 없도록 바로 자르거나, 자른 후에 연마가 필요 없도록 하는 기술이다.

Q: 자를 때부터 제대로 잘라야 한다는 얘기인데 레이저 앱스는 어떤 기술을 갖고 있나?

A: 레이저 앱스는 이러한 문제를 해결하기 위해서 새로운 컨셉의 광학계를 개발했다. 유리 내부를 녹이는 멜팅점을 만들고 그 멜팅점들을 연결시킨 후에 분리하는 기술과 이를 응용한 장비를 보유하고 있다.

Q: 기존의 레이저 절단 방식은 레이저의 열로 녹여서 자르는 방식이 아니었나?

A: 유리 절단 분야에서 제일 많이 이용되는 있는 것은 CO2 레이저 커팅 방법이다. CO2 레이저 커팅 방법은 레이저로 열충격을 가해서 유리를 절단하는 방법으로 규모가 큰 마더 글라스 절단에 많이 적용됐다. 그런데 CO2 레이저는 조사되는 빔의 크기가 아주 크고 표면에 열이 많이 발생하기 때문에 반도체 유리기판에 적용하기는 어려운 것이 사실이다.

Q: 그러면 레이저 앱스에서 개발한 광학계와 그 장비를 이용하면 절단면에 크랙 없이 그냥 절단된다는 얘기인데 어떤 광학계로 이루어져 있나?

A: 멜팅 광학계라고 한다. 펨토초 레이저(Femtosecond Laser ; 극히 짧은 진동 폭을 가진 펄스를 연속적으로 낼 수 있는 초극단 펄스 레이저)를 사용하게 되는데 펨토초 레이저는 일반 레이저, 즉 나노나 피코레이저 대비 피크 파워 댄시티(Peak Power Density)가 매우 높아진다. 진동 폭이 짧기 때문에 피크 파워 댄스티가 높아지면 플라스마가 형성되고 플라스마 상태의 빔을 유리 안에 국부적으로 조사하면 아주 국부적인 멜팅이 가능해지는 원리이다.

Q: 그러면 현장에서 테스트는 해 보았나? 주로 어느 곳과 같이 같이 일을 하는가?

A: 대부분의 디스플레이 회사와 협업하고 있다고 보면 된다. 우리가 이 기술을 보유한 지 10여 년 되었고 그동안 국내외 디스플레이 업계와 샘플 테스트를 지속적으로 해왔다. 디스플레이 업계 품질 기준이 되는 밴딩 스트랭스 테스트(Bending Strength Test) 등 여러 품질 관련 데이터들을 고객과 함께 도출해 왔다.

Q: 디스플레이 업계에서는 어디에 적용하려는 것인가?

A: 폴더블도 있고 가장 최근에는 IT OLED에 적용을 검토하고 있다. 8.6세대의 적용성을 검증받기 위해서 실험을 많이 했고 고객과 함께 좋은 결과를 내고 있다.

Q: 디스플레이 분야의 유리 절단 용도로 개발했는데 하다 보니 반도체 유리기판에도 적용할 수 있겠다 싶어 접근하고 있는 것인가?

A: 실제로 반도체 유리기판 분야에서의 비전이 예측됐었고 사업 계획서를 준비할 때부터 이 분야의 시장이 열릴 것을 염두에 두고 준비한 지가 올해로 4년 차가 된다.

Q: 그러면 디스플레이 쪽에서는 가시적인 성과가 있었나?

A: 아직 장비가 양산 라인에 적용이 되지는 못했다.

Q: 그러면 언제 정도에 적용될 것으로 기대하고 있는가?

A: 기존의 디스플레이 업계에서는 레이저 절단 또는 휠 절단 후에 다시 연마를 하는 공법이 이용되어 왔고 현장에 관련 장비들이 많이 설치되어 있다.

그래서 신공법이 진입하려면 그만큼의 신규 시장이 열려야 가능하다. 고부가가치의 신규 대규모 시장이 열리는 시점을 기다리고 있고 어느 정도 근접해 있다고 생각한다.

Q: 레이저 앱스의 방식을 도입하면 어떤 점이 더 좋아지는 것인가?

A: 품질도 좋아지고 비용도 줄어드는 장점이 있다.

Q: 반도체 유리기판의 경우에는 유리를 절단한 후에 PCB를 적층하는 것인가, 적층한 후에 절단하는 것인가?

A: 반도체 글라스 패키징의 상태가 약 100에서 2000까지의 공정을 거친 후에 절단을 하게 된다. 즉 유리 위에 PCB 레이어들이 존재하는 상태에서 절단을 하는 것이다. 그렇기 때문에 기존 디스플레이 업계에서 적용했던 공법으로 절단했을 경우, 잠재 돼 있는 마이크로 크랙이 추후에 성장이 돼서 고부가가치 셀의 신뢰성에 문제를 낳는 결과가 생길 수 있다. 그래서 레이저 앱스의 멜팅 공법의 원리적인 부분에 공감을 했던 많은 고객들이 수년 전부터 방문하여 테스트를 진행해 왔다.

Q: 레이저 앱스 외에 유리 절단 회사들이 많을텐데 레이저 앱스 기술이 훨씬 낫다고 볼 수 있는가?

A: 예를 들어 유리를 떨어뜨렸을 때 깨지지 않는지를 검증을 하는 밴딩 스트랭스 밸류의 경우, 디스플레이 업계의 표준 값은 110메가파스칼인데 우리는 연마 없이 평균값이 150메가파스칼 정도 나오고 있다.

Q: 숫자가 높을수록 잘 안 깨진다라는 얘기인데 반도체 유리기판에서도 테스트를 해보았나?

A: 반도체 유리기판에서도 마찬가지이다. 기계적인 품질 값 그리고 서멀 스트레스에 의한 품질 값, 이런 기준들이 반도체 유리기판 쪽으로는 지금 만들어가고 있는 상황이다. 고객들과 함께 기준을 어떻게 잡아가야 할지 테스트를 진행하고 있다.

Q: 유리기판을 도입하려는 반도체 업체들이 많은데 어떤 고객들이랑 주로 일을 하는가? 그리고 그런 회사들은 유리 절단 솔루션을 확정한 것인가?

A: 유수의 반도체 기업들과 협업을 하고 있다고 보면 되겠다. 일부 고객은 오랫동안 준비를 해와서 자체 솔루션을 갖고 있는 경우도 있지만, 장비가 완성돼서 필드에 나가 있는 상태가 아니기 때문에 여러 방면으로 비교 검토가 진행되고 있는 것으로 판단하고 있다.

Q: 그러면 레이저 앱슨 개발한 광학계를 만드는 다른 회사은 없는가?

A: 없다. 유리를 녹여서 멜팅점을 만든 후에 분리를 하면 품질이 좋을 수 있다는 것은 유리를 다루는 분들은 누구나 생각하고 있다. 기존에 유리에 미세 크랙이 있으면 토치나 여러 다른 열원으로 미세 크랙을 힐링을 한 사례들이 많기 때문이다. 그래서 다른 분들도 멜팅 광학계를 시도한 사례가 많지만 성공한 경우는 없는 것으로 알고 있다. 일반적으로 유리를 녹이게 되면 분리가 되지 않고 용접이 일어나는 현상을 극복하지 못한 것이다.

그래서 멜팅을 해서 분리를 할 수 있으면 좋은 품질이 나올 수 있다는 것은 누구나 직관적으로 짐작을 할 수 있지만 녹인 다음에 분리를 해낼 수 있는 광학계적인 컨셉을 갖는다는 것은 어려운 일이다.

Q: 보유하고 있는 광학계에 특별한 점이 무엇인가?

A: 유리를 자르게 되면 멜팅점들을 다 연결해야 하는데 멜팅점을 한 번에 몇 개 만들 수 있느냐가 생산성과 연관이 있다. 한 번에 한 개만 만들게 되면 그만큼 많은 시간이 소요되는 것이다. 그래서 우리 레이저 앱스에서는 멜팅점 여러 개를 한 번에 만들어낼 수 있는 버티컬 멀티빔 즉 레이저를 위에서 한 번 쏘면 수직 방향으로 다중의 빔이 생기는 광학계를 개발해내는 데 수년간의 연구개발을 거쳐온 것이다.

Q: 몇 개에서 몇 개 정도 되는가?

A: 충분히 좋은 에너지 레벨의 레이저만 있다면 얼마든지 많은 멜팅점을 만들 수 있지만, 지금 보유하고 있는 레이저로는 수직 방향으로 4점을 만들 수 있다.

Q: 자체 개발한 것인가?

A: 전적으로 자체 개발한 것이다. 외부에서 조달할 수가 없다. 왜냐하면 빔 간의 간격, 빔의 개수 그리고 각각의 점의 에너지 컨트롤들이 다 조합이 되어야만 유리를 절단하는 데 적합한 특성을 만들어낼 수가 있기 때문이다.

Q: 관련 기술은 특허화되어 있는가?

A: 2016년 국내에만 특허 등록했다.

Q: 자금 조달이나 이런 부분들은 어떻게 하고 있는가?

A: R&D 중심의 회사로서 현재 채무가 없는 재정적으로 건실한 벤처기업이기는 하다.

Q: 매출이나 이런 것들은 외부에 공개할 수 있는가?

A: 장비 매출을 시작한 것은 2019년도부터이다. 혼자 창업을 해서 여러 대의 강화유리 커팅 장비를 대만에 수출한 이력이 있다. 그런데 대만이나 중국 쪽에는 후가공 인프라가 너무 잘 갖춰져 있어서 그때부터 연마가 필요 없는 유리 절단 공법 및 장비를 개발하지 않으면 미래가 없다는 생각을 했다. 인건비가 비싼 우리나라의 유리 가공 기술 경쟁력이 떨어질 수밖에 없는 현실을 깨닫게 된 것이다. 그래서 후처리가 필요 없는 기술을 개발하고 내부적으로 데모 시스템도 갖추고 또 저와 같은 생각을 하고 또 기술을 업그레이드를 할 수 있는 연구원들을 뽑아서 육성하는 데 오랜 시간이 걸렸다. 또 작년부터는 PCB 레이어를 가공하는 장비와 플라스마 멜팅 절단 장비가 일체화된 장비개발을 정부 과제로 시작했다. 스테이지 구성은 되어 있는데 안타깝게도 올해 정부 과제 예산이 삭감되어 자금 마련을 마련해야 하는 상황이다.  장비에 탑재할 레이저들을 준비하는 데 필요한 자금도 유치하기 위해 노력하고 있다.

Q: 필요한 자금이 얼마나 되는가?

A: 장비업체로 유리기판 절단 시장에서 이익을 창출할 수 있는 시기를 앞으로 2~3년 정도 후로 예상하고 있다. 내년부터 매뉴얼 장비 한 대씩은 출하할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그런데 우리만 잘한다고 되는 것이 아니라 고객사의 모든 공정들의 완성도가 어느 정도 올라와야 설비투자가 진행되지 않겠는가.

그래서 앞으로 2~3년 동안 R&D 다음 레벨의 장비를 고객사에 직접 시연할 수 있도록 준비를 하고 현재 우리 연구원들의 연구 철학을 보고 배우고 또 같이 시장을 열어갈 수 있는 인력들 까지 수급이 되려면 최소 60억 원 정도의 자금이 필요하다고 보고 있다.

정리_정일규 프로 jw92424@thelec.kr

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