[이슈분석] 유리기판이 뜬다고?... AI 투자자 '집중'

데일리연합 (SNSJTV. 타임즈M) 윤태준 인턴기자 | 최근 엔비디아, AMD, 인텔, 삼성전자, SKC 앱솔릭스 등이 차세대 AI 반도체를 위한 유리기판에 직간접적으로 투자하겠다고 발표하면서 AI 업계에서 유리기판이 주목받고 있다.

AI 반도체는 AI 기술 발전의 핵심이며, 이에 따른 유리기판의 중요성이 부각되고 있다. 유리기판의 역할과 미래 전망에 대해 살펴본다.

유리기판(Substrate)의 등장, 기존 플라스틱 기판의 한계

반도체 기판은 능동소자(반도체 칩)와 수동소자(MLCC, 저항기, 인덕터 등)를 연결하는 필수 부품이다. 쉽게 말해, 레고블록을 생각하면 된다. 레고를 세울 때, 아래 판이 고정을 해준다. 기판 역시 마찬가지 기능을 하는데, 부품이 전자부품이니 전기적 연결까지 해주는 것이다.

기판(Substrate)은 물리적, 전기적으로 위에 실장된 소자들을 보호, 연결해주는 역할을 한다. 기판 아래에는 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)이 있다.

현재까지는 플라스틱 기판이 사용되어 왔다. 가공이 쉽고 절연성이 뛰어나 문제없이 활용되어 왔으나, AI 반도체처럼 연산량이 많고 부품을 고밀도로 실장해야 하는 경우 몇 가지 한계를 드러내고 있다.

발열 문제: AI 반도체는 전력 소모가 많아 고열이 발생한다. 플라스틱 기판은 열에 취약해 변형될 가능성이 높다.
공간적 한계: 표면이 매끄러워야 위에 다양한 부품들을 실장할 수 있다. 플라스틱은 미세 가공에 한계가 있기 때문에 표면이 매끄러운 실리콘 인터포저를 사용해야한다. 다만, 실리콘 인터포저는 매우 비싸고 무게가 늘어나는 단점이 있다.

플라스틱은 가공은 쉽지만, 발열문제와 표면 거칠기 문제가 있다. / 그래픽=데일리연합

이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 유리기판이 주목받고 있다.

유리기판이 해결할 수 있는 핵심 과제들

1. 낮은 열팽창계수, 열에 강한 기판

유리는 열팽창계수가 낮아 온도가 올라가도 변형이 적다. 열팽창계수란 온도에 따라 얼만큼 물질이 팽창과 수축을 하는지를 나타내는 지수이다. 즉, 온도에 얼마나 예민한지를 보는 것이다.

반면, 플라스틱 기판은 온도 변화에 따라 쉽게 팽창하거나 수축하여 반도체의 전기적 신호에 왜곡을 발생시킬 수 있다. 또한, 초미세공정일 수록 더 높은 열을 가해야하는데, 열팽창계수가 높으면 쉽게 변형되어버리기 때문에 선진기술을 적용하는데 한계가 있다.

2. 매끈한 표면, 미세회로 구현 가능

플라스틱 기판의 표면 거칠기는 1~10nm 수준으로, 반도체의 정밀 공정에서는 여전히 울퉁불퉁한 수준이다. 때문에 실리콘 인터포저를 추가로 사용해야 했다.

반면, 유리기판은 표면 거칠기가 0.1nm 수준으로 최대 100배 이상 더 매끈하다. 이로 인해 수동소자를 유리 내부에 내장할 수 있으며, 실리콘 인터포저 없이도 회로를 직접 설계할 수 있어 크기를 줄이고 비용을 절감할 수 있다.

플라스틱 기판 역시 1~10nm(나노미터) 수준이지만, 반도체 세계에서는 울퉁불퉁한 것이다. / 그래픽=데일리연합

3. 전력 효율성 극대화

유리는 절연성이 뛰어나 누설 전류를 최소화할 수 있다. 반도체 칩과 수동소자들이 기판 위에서 전기 신호를 주고받을 때 전력 손실이 발생하는데, 유리기판은 높은 절연성으로 이를 줄여 전력 효율성을 극대화할 수 있다. 절연성이란 외부와 차단하는 성질을 의미한다.

유리기판의 단점과 해결 과제

유리기판이 여러 가지 장점을 갖추고 있지만, 몇 가지 명확한 단점도 존재한다.

1. 깨지기 쉬운 소재 : 유리는 강도가 낮아 생산 공정에서 쉽게 깨질 수 있다. 특히, 기판에 구멍을 뚫어야 하는 공정(TGV, Through Glass Via)에서 파손 위험이 크다. 필옵틱스(코스닥 161580) 등 일부 기업이 레이저 가공 기술을 개발하고 있지만, 아직 완벽한 해결책은 아니다.

유리기판은 만들어지면 내구성이 강하다. 다만, 만드는 것이 문제다. / 그래픽=데일리연합

2. 초정밀, 초순수한 소재 요구: 유리기판은 일반 유리와 달리 불순물이 거의 없어야 하며, 초정밀한 가공이 필수적이다. 코닝(Corning), 와이씨켐(코스닥 112290) 등이 이러한 초고순도 유리 소재를 개발하며 주목받고 있다.

유리기판 상용화, 2026년부터 본격화될까?

삼성전자(코스피 005930)는 유리기판을 직접 수직 계열화하겠다고 발표하며 시장의 기대를 모았다. 그러나 업계 선두업체들도 양산까지는 최소 2026년 이후가 될 것으로 전망하고 있다.

유리기판은 AI 반도체의 성능을 극대화할 수 있는 차세대 기술로 확실한 기대주이지만, 높은 생산 난이도로 인해 신중한 접근이 필요하다. 향후 관련 기술의 발전과 소재 기업들의 협력이 얼마나 빠르게 이루어지는지가 관건이 될 것이다.

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