DGIST, 고해상도 초음파 센서 개발

사진 오른쪽부터 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수, 박현규 석박사통합과정생, 강성후 박사후연수연구원. DGIST 제공.

대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 렌즈 옆면에 나사산 구조를 새겨 초음파 영상의 화질을 떨어뜨리는 내부 잡음을 획기적으로 줄인 '나사산 렌즈 집속형 초음파 센서'를 개발했다고 DGIST가 28일 밝혔다.

이 센서를 활용하면 반도체 칩 내부의 초미세 결함까지 선명하게 확인할 수 있어, 전기차 및 항공우주용 고신뢰성 반도체의 품질 검사 기술 고도화에 기여할 것으로 기대된다.

산업 현장의 반도체 검사 장비는 주로 물기둥을 통해 초음파를 전달하는 방식(워터폴 방식)을 사용하는데, 장착 공간의 제약으로 센서 크기를 키우는 데 한계가 있다. 이로 인해 작은 렌즈 내부에서 초음파가 반사되고 엉키면서 발생하는 불규칙한 '가장자리 잡음'이 영상의 선명도를 크게 떨어뜨리는 고질적인 문제가 있었다.

장 교수팀은 소리의 반사를 막는 무향실(방음실) 벽의 쐐기형 흡음 구조에서 아이디어를 얻어 이 문제를 획기적으로 해결했다. 초음파 렌즈의 밋밋한 옆면에 비스듬한 나사산 형태의 홈을 촘촘히 새겨 넣은 것이다. 렌즈 옆면으로 향한 초음파가 나사산 경사면에 부딪혀 여러 방향으로 흩어지면서, 반사파가 한데 모여 잡음을 일으키는 현상을 물리적으로 원천 차단했다.

연구팀이 개발한 센서로 차량용 전력 반도체 모듈을 검사한 결과, 기존 센서로는 잡음에 가려 전혀 보이지 않던 머리카락 굵기 4분의 1 수준의 금속 선과 미세 기포 등 칩 내부 마이크로 구조와 결함들이 기존 CT 촬영에 버금갈 정도로 선명하게 드러났다.

DGIST 장진호 교수는 "이번 연구는 산업용 검사 장비에 최적화된 초음파 센서 설계의 가장 큰 난제였던 렌즈 내부 잡음 문제를 렌즈 형상 가공만으로 해결했다는 데 큰 의의가 있다"며 "향후 100MHz 이상의 초고주파 초음파 변환기를 대량 생산할 수 있는 제조 기반을 마련한 것"이라고 평가했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 'STEAM 사업', 과기정통부 '이노코어(InnoCORE) 사업', 정보통신기획평가원(IITP) 'AI스타펠로우십'의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 강성우 박사후연수연구원과 박현규 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 비파괴 검사 분야 최고 권위의 국제 저명 학술지인 'NDT ＆ E International'에 게재됐다.