DGIST 장진호 교수팀, 초음파 잡음 잡는 혁신 센서 개발

[프라임경제] DGIST(대구경북과학기술원) 연구진이 초음파 영상의 선명도를 떨어뜨리는 내부 잡음을 줄여 반도체 내부의 미세 결함을 정밀하게 확인할 수 있는 새로운 센서 기술을 개발했다. 

기존 장비의 크기를 유지하면서 렌즈 구조만 개선한 방식으로, 전기차와 항공우주 분야에 사용되는 고신뢰성 반도체의 품질 검사에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀은 초음파 렌즈 측면에 나사산 형태의 홈을 적용한 집속형 초음파 센서를 구현했다고 밝혔다. 

연구팀은 소리의 반사를 억제하는 무향실 내부 구조에서 착안해 렌즈 주변에서 발생하는 불필요한 초음파 반사를 줄이는 데 성공했다.

전력반도체는 전기차와 항공우주 산업 등에서 핵심 부품으로 활용되며, 높은 전압과 열을 견뎌야 하는 만큼 내부 결함을 정밀하게 찾아내는 검사 기술이 중요하다. 

특히 반도체 내부에 발생한 미세 균열이나 공극은 제품의 성능과 안정성에 영향을 줄 수 있어 부품을 파손하지 않고 내부 상태를 확인하는 비파괴 검사 기술이 주목받고 있다.

초음파 검사는 소재 내부까지 신호를 전달해 결함을 확인할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 산업 현장에서 사용하는 워터폴 방식의 검사 장비는 설치 공간이 제한적이어서 센서 크기를 자유롭게 확대하기 어렵다. 

작은 렌즈 안에서 초음파가 반복적으로 반사되면 불규칙한 잡음이 발생하고, 이로 인해 실제 결함을 구분하기 어려워지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 초음파 렌즈의 측면을 매끄러운 형태로 두는 대신 일정한 경사면을 가진 나사산 구조로 설계했다. 

렌즈 옆으로 전달되는 초음파가 경사면을 거치며 여러 방향으로 분산되도록 해 반사파가 집중되는 현상을 억제한 것이다. 

이를 통해 센서 내부에서 발생하는 잡음을 줄이고 영상의 식별력을 높일 수 있도록 했다.

컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 설계 검증에서는 나사산 높이 500㎛, 경사각 30도가 잡음 저감 효과와 제작 편의성을 고려한 최적 조건으로 제시됐다. 

센서의 주요 부품이나 외형 크기를 바꾸지 않고 렌즈 표면의 형상만 조정하면 적용할 수 있어 기존 산업용 검사 장비와의 연계 가능성도 높다는 게 연구팀의 설명이다.

실제 차량용 전력반도체 모듈을 대상으로 진행한 검사에서도 성능 개선이 확인됐다. 기존 센서로는 잡음에 가려 식별하기 어려웠던 가느다란 금속 구조와 미세 기포 등이 새 센서에서는 보다 뚜렷하게 관찰됐다. 

연구팀은 이를 통해 반도체 내부의 미세 구조와 결함을 기존 컴퓨터단층촬영(CT) 영상에 견줄 만한 수준으로 확인할 가능성을 제시했다.

장진호 교수는 "이번 연구가 렌즈의 형상 설계만으로 초음파 검사 장비의 고질적인 내부 잡음 문제를 개선했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다. 

이어 "100MHz 이상의 초고주파 초음파 변환기를 대량 생산할 수 있는 기반을 마련하고, 향후 반도체 제조기업과 협력해 실제 생산 공정에서 발생하는 다양한 결함을 검증함으로써 현장 적용성이 높은 비파괴 검사 시스템 개발을 추진하겠다"고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 STEAM 사업, 과기정통부의 이노코어 사업, 정보통신기획평가원의 AI스타펠로우십 지원으로 진행됐다. DGIST 강성우 박사후연수연구원과 박현규 석·박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 비파괴 검사 분야 국제 학술지인 'NDT & E International'에 게재됐다.