한양대, AI 반도체 ‘통신 병목’ 해결할 차세대 첨단 광패키징 플랫폼 개발

▲유리 기판 위에 웨이퍼 레벨 SiN 기반 광학 인터커넥트가 구현된 개념도(자료=한양대)

한양대학교 ERICA 캠퍼스 차세대반도체융합공학부 김영현 교수 연구팀이 AI 반도체 성능 저하의 핵심 원인으로 지적돼 온 '통신 병목(Bottleneck)' 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 유리 기판 기반 실리콘 나이트라이드(SiN) 광집적 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

대규모 AI 모델 시대를 맞아 수백~수천 개의 반도체가 동시 연산하는 'AI 팩토리(Factory)' 개념이 급부상하며, 기존 구리 배선 기반 전기적 데이터 전달 구조는 폭증하는 트래픽을 감당하지 못해 속도 저하가 발생해 왔다. 이 한계를 넘어설 차세대 솔루션으로 광모듈과 반도체 칩을 기판에 직접 집적하는 CPO(Co-Packaged Optics) 기술이 주목받고 있으나, 고효율 광 결합 구조 구현이 기술적 난제로 남아 있었다.

■ 유리 기판 위 SiN 도입… 기존 방식 뛰어넘는 고집적·고효율 구조 구현

유리 기판은 물리·광학적 특성과 패널 레벨 공정 호환성으로 차세대 플랫폼으로 주목받아 왔으나, 기존 LDW·IOX 기반 유리 광도파로는 굴절률 대비가 낮아 굽힘 손실이 크고 고효율 격자 결합기를 구현하기 어렵다는 한계가 있었다. 김영현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 유리 기판 위에 SiN 박막을 형성하는 신규 광집적 구조를 개발했다.

SiN은 유리(SiO₂)와 큰 굴절률 대비를 형성해 기존 대비 최소 10배 이상의 집적도를 확보할 수 있으며, 유리 기판 아래로 누설되는 빛을 반사시키는 금속 반사기 구조와 결합해 고효율 격자 결합기 구현에 성공했다.

연구팀은 6인치 유리 기판 위 금속 반사기 증착, 저온 박막 공정을 통한 SiO₂–SiN 층 형성, 노광 및 건식 식각 기반 핵심 광소자 제작 등 일련의 패널 레벨 공정을 완성해 격자 결합기, 링 공진기, MMI 결합기, MZI 등 주요 수동 소자를 제작하는 데 성공했다. 또한 대규모 칩 설계에 필수적인 저손실 스티칭 기술까지 확보하며 실용성을 크게 높였다.

특히 한국전자통신연구원(ETRI) 광패키징연구실(OPAC)과의 공동 실험에서는 단일 채널 106Gbps PAM-4 초고속 데이터 전송을 구현해 실리콘 나이트라이드 기반 유리 플랫폼의 상용화 가능성을 입증했다.

▲(왼쪽부터) 한양대 진태원 연구원, 한양대 정희윤 연구원, 한양대 김영현 교수 (사진=한양대)

■ 국제 학술지 연이은 게재… 기술 신뢰성 세계적으로 인정

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.

송기우 기자 kwsong@ekn.kr