유리 기판에 실리콘 나이트라이드 적용...기존 플랫폼 대비 10배 높은 집적도 구현
최근 대규모 AI 모델 확산으로 수천 개의 AI 반도체가 동시에 작동하는 ‘AI 팩토리(Factory)’ 구조가 부상하고 있지만, 구리 배선 기반의 기존 데이터 전송 구조는 폭증하는 트래픽을 처리하기 어려워 시스템 성능 저하를 일으키는 ‘통신 병목’ 문제가 지적돼 왔다.
이를 해결할 차세대 기술로 반도체 칩과 광 모듈을 패키지 기판에 직접 집적하는 CPO(Co-Packaged Optics)가 주목받고 있으나, 광 모듈과 외부 광섬유를 고효율로 연결하는 광 결합 기술은 여전히 큰 난제로 남아 있었다.
이 과정에서 물리·광학적 특성이 뛰어나고 패널 레벨 공정과도 호환되는 ‘유리 기판’이 새로운 CPO 플랫폼으로 떠올랐으나, 기존 유리 기반 광도파로 제조 방식(LDW·IOX)은 굴절률 대비가 낮아 굽힘 손실이 크고 고효율 격자 결합기 구현이 어려워 고집적화에 한계가 있었다.
김영현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 유리 기판 위에 SiN을 적용한 신규 광집적 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 6인치 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 기술 대비 10배 이상의 집적도를 달성했으며, 대규모 집적에 필수적인 저손실 스티칭 구조 구현에도 성공했다. 또한 한국전자통신연구원(ETRI) 광패키징연구실(OPAC)과의 공동 실험을 통해 단일 채널 106Gbps PAM-4 초고속 데이터 전송에 성공하며 SiN 기반 유리 플랫폼의 실용성과 확장 가능성을 입증했다.
김영현 교수는 “이번 연구는 저온·대면적 패널 공정과의 호환성을 실험적으로 검증해, 첨단 AI 반도체 패키징에 최적화된 고효율·고집적 광 플랫폼의 기반을 마련한 성과”라며 “향후 웨이퍼·패널 레벨 통신 구조의 핵심 기술로 확장될 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 한양대 BK21 FOUR ERICA-ACE Center 및 삼성전자(IO240103-08448-01)의 지원과 함께, 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 ‘차세대광패키징기술개발사업(No. RS-2025-16068050)’ 및 과학기술사업화진흥원의 ‘2025 지역산업연계 대학 Open-Lab 육성지원 사업(RS-2025-25443741)’의 지원을 받아 수행됐다.
아울러 해당 과제의 일환으로 수행된 관련 연구들도 국제 학술지에 연이어 등재되는 성과를 거뒀다. 먼저, 한양대 ERICA 나노광전자학과 진태원 박사과정생이 주도한 연구 「Silicon Nitride Photonic Platform on Glass for Scalable, High-Density Optical Redistribution Layers in Panel-Level Packaging」은 Optica의 SCI 저널 『Optics Express』에 지난 11월 19일 게재됐다.
이어, 정희윤 석·박통합과정생이 수행한 연구 「Demonstration of a SiN Grating Coupler with a Metal Reflector on a Glass Substrate」는 IEEE SCI 저널 『IEEE Photonics Technology Letters』에 게재가 확정되어 오는 12월호에 발표될 예정이다.
한편, 김영현 교수는 이번 기술을 기반으로 안산 소재 강소기업 FOSTEC에 ‘AI 반도체용 광반도체 기술’을 중대형 규모(5억 원)로 기술이전했으며, 지난 8월에는 AI 반도체용 광패키징 기술 상용화를 위한 ‘(주)와이케이포토닉스’를 창업해 연구–산업 연계를 강화하고 있다.
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