▲ 한국기계연구원이 개발한 워터젯·레이저 융합가공기로 레이저를 발산하고 있다.

전기차 기술이 빠르게 성장하면서 차량용 고부가 반도체 수요가 높아지고 있는 가운데, 국내 연구진이 레이저와 수압을 함께 이용해 자동차 반도체의 핵심 부품을 가공하는 장비를 개발, 반도체 기술 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 광응용장비연구실 안상훈 책임연구원 연구팀은 가공이 어려운 고강도 물질을 자유롭게 가공할 수 있는 레이저·워터젯 융합가공기 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

차량용 반도체는 전자장비, 엔진 등을 제어하는 핵심 부품이다. 전기차나 자율주행차는 일반 내연기관차에 비해 많은 전기장치가 필요해 사용하는 반도체 수도 늘어난다.

차량용 반도체 재료인 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)는 높은 온도에서 안정적이며, 뛰어난 전기 전도성과 고전기적 특성으로, 실리콘보다 우수한 성능을 제공한다. 하지만 높은 경도로 가공이 까다로워 수입 가공기에 의존하고 있다.

하지만 이번에 개발한 물을 높은 압력으로 분출시켜 다양한 소재를 정밀하게 가공하는 ‘레이저·워터젯 융합가공기’를 통해 국내에서 SiC를 자유롭게 가공할 수 있다.

연구팀은 그동안 외산에 의존했던 200W급 그린 나노초 레이저를 국내 최초로 개발에 성공했고, 제품 가공시 외산 대비 9배 긴 시간 동안 가공 위치를 정밀하게 유지할 수 있는 안정적인 광학 시스템 또한 개발했다.

또한, 연구팀은 고압 펌프를 통해 만들어진 고압수를 워터젯 노즐에 통과해 가공 장치 내부에 50㎜ 이상 길이로 층류가 형성되도록 한 다음, 레이저 빔을 층류 내부 한군데로 모아 워터젯 물줄기를 따라 레이저로 제품을 가공할 수 있도록 장비를 설계했다.

반도체 웨이퍼를 분할 할 때 사용되는 기존 나노초 레이저 가공 장비는 가공 속도가 빠르나 정밀한 가공이 어려우며, 디스플레이 유리를 절단할 때 사용되는 기존 극초단 레이저 가공 장비는 정밀한 가공이 가능하나 가공 속도가 느리다는 단점이 있다.

이번에 개발한 레이저·워터젯 융합가공기는 빠른 속도로 정밀하게 가공할 수 있으며 기존 레이저로 가공하면서 발생했던 다량의 미세먼지와 연기 등은 워터젯을 통해 배출할 수 있어 깨끗한 작업 환경을 유지할 수 있다. 또 이 융합가공기는 수입 융합가공기 대비 20% 저렴하다.

기계연 안상훈 책임연구원은 “국내 최초로 레이저 융합 가공기 개발에 성공해 우리나라 미래 반도체 장비 산업 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있게 되어 기쁘다”며 “이번 개발로 차량용 반도체 산업 경쟁력을 확보하고, 우리나라 기업들의 시장점유율 확대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 ‘고강도 난삭재 가공용 고출력 레이저 융합가공기’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.