국내 연구진, SiC전력반도체 불량잡는 '진짜 빛깔' 15년 만에 규명

전기연구원 나문경 박사팀, 충남대 등 산학연 공동연구 쾌거

빛의 지문 결함 판별 국제기준 424㎚→459㎚ 개정 근거 마련

금속·무기재료 분야 국제학술지 'Acta Materialia' 무수정 통과

[창원=뉴시스]한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등 산학연 공동연구를 통해 SiC(탄화규소)반도체 내부 적층결함의 '진짜 빛깔(특성 발광 파장)'을 약 15년 만에 원자구조 관찰, 광발광 측정, 이론 계산을 연계해 규명한 데이터.(자료=한국전기연구원 제공) 2026.10.25. [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등 산학연 공동연구를 통해 전 세계적으로 잘못 알려져 온 SiC(탄화규소)반도체 내부 결함의 '진짜 빛깔(특성 발광 파장)'을 약 15년 만에 규명하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

이는 오랫동안 국제 표준에 반영돼 통용된 기존 파장 424㎚를 원자 단위에서 정밀하게 검증해 459㎚로 바로잡은 세계 최초의 성과다.

SiC전력반도체는 고온·고압의 가혹한 환경을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어하기 때문에 사람 몸의 근육 같은 역할을 하며, 특히 전기차와 신재생에너지 설비 등 높은 전압과 열을 버텨야 하는 첨단 산업에 널리 쓰인다.

하지만 반도체를 만드는 과정에서 원자들이 겹겹이 쌓이다가 미세하게 어긋나는 이른바 '적층결함(Stacking Fault)'이 생기면 제대로 성능을 낼 수 없어 꼼꼼한 품질관리가 필수적이다.

산업계에서는 반도체 원판(웨이퍼)을 깨지 않고 불량을 찾아내기 위해 빛을 쏘아 검사하는 '광발광(PL) 검사'를 사용하는 데, 빛을 비춘 뒤 결함에서 방출되는 빛의 파장이 다르다는 점을 사람의 지문처럼 활용하는 것이다.

공동연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 담긴 10만여 개의 결함 데이터를 분석한 결과, 프랭크형 적층결함이 상용 웨이퍼에서 중요한 결함군으로 나타났다. 특히 '(4,1) 프랭크형 적층결함'은 약 15년간 424나노미터(㎚)의 빛을 내는 것으로 알려져 국제전기기술위원회(IEC) 기준에도 반영돼 있었으나, 빛의 신호와 실제 원자 구조를 1대1로 꼼꼼하게 대조해 얻어낸 결과가 아니라는 한계가 있었다.

나문경 박사팀은 이러한 오류를 바로잡기 위해 빛으로 지문(결함 위치)을 찾은 뒤 바로 그 위치를 나노(10억분의 1m) 단위로 정밀하게 잘라내어 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 '지문의 주인(실제 원자 배열)'을 직접 확인하는 고난도 분석을 수행했다.

이를 위해 머리카락보다 훨씬 얇은 나노 시편을 176개나 직접 깎아 관찰했고, 여기에 슈퍼컴퓨터를 활용한 첨단 이론 계산(밀도범함수이론·DFT)까지 더해 교차 검증을 마친 끝에 해당 결함의 진짜 지문은 424㎚가 아닌 459㎚라는 사실을 완벽하게 증명했다.

[창원=뉴시스]금속·무기재료 분야 국제 학술지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)'에 실린 한국전기연구원 등 국내 연구진의 SiC전력반도체 결함 판별 기준 오류를 바로잡은 연구 논문.(사진=한국전기연구원 제공) 2026.10.25. [email protected]

눈에 보이지 않는 반도체 소재의 품질검사 정확도를 획기적으로 높였다는 점에서 산업적 파급력이 클 것으로 기대된다.

불량 원인을 정확히 추적해 제조 공정을 고치면 전기차와 전력변환 시스템의 연비와 안전성을 크게 끌어올릴 수 있기 때문이다.

이번 연구는 산업통상부 '화합물전력반도체고도화기술개발사업' 지원을 받아 수행했으며, 성과는 금속·무기재료 분야 세계 최고 학술지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내)'에 게재됐다.

특히 심사가 깐깐하기로 유명한 데 아무런 수정 요구 없이 투고 원고 그대로 게재 승인을 받아 완벽성을 입증했다.

KERI 나문경 박사는 이러한 일련의 규명 공로를 인정받아 최근 일본 분석·계측 전문 기업인 호리바(HORIBA) 주관 국제 연구상 '2026 호리바 마사오상(Masao Horiba Awards)' 시상식에서 국내 연구원 중 처음으로 Honorable Mention을 수상했다.

나 박사는 "빛의 신호와 실제 원자구조를 한 치의 오차 없이 직접 연결해 오랫동안 굳어져 있던 글로벌 판별 기준의 오류를 바로잡았다는 데 의미가 크다"면서 "이번 최고 권위 학술지 연속 게재와 국제상 수상은 우리가 축적해 온 분석 기술이 세계 최고 수준임을 보여주는 결과이며 국내 전력반도체 산업의 품질 경쟁력 제고를 위해 더욱 노력하겠다"고 포부를 전했다.


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