서울공대 재료공학부 주영창 교수팀, 차세대 패키징용 초박막 EMI 차폐막 세계 최고성능 달성
- 금속–MXene 이종접합 박막 구조로 ‘두께–성능 딜레마’ 근본 해결
- 1 μm 두께에서 약 70 dB, 1.9 μm에서 약 80 dB 달성… Nature 개제로 글로벌 첨단 패키징 기술 선도


▲ (상) 논문의 교신저자 (서울대 재료공학부 주영창 교수, 광주과학기술원 신소재공학부 연한울 교수)
    (하) 공동 주저자 (서울대 재료공학부 강거산 박사, 서울대 재료공학부 권구현 석박통합과정, 광주과학기술원 전지운 석박통합과정)
 
서울대학교 재료공학부 주영창 교수 연구팀(제 1저자: 강거산-권구현 연구원)은 광주과학기술원 연한울 교수 연구팀(제 1저자: 전지운 연구원)과의 공동연구를 통해, 머리카락 굵기의 1/100 수준(1 μm급) 초박막에서 군사용 규격(MIL-STD-461)을 상회하는 전자파 차폐 성능을 구현하는 새로운 금속–MXene 이종접합 전자파 차폐막(EXIM, Embedded-MXene-in-Metal)을 개발하였다.

개발된 차폐막은 기존 금속 캔 및 다공성 차폐 구조가 가진 두께 증가·공정 비호환성·공간 비효율의 한계를 동시에 극복하며, 차세대 반도체 패키징과 유연 전자소자에 직접 적용 가능한 패키지 레벨 솔루션을 제시한 데에 큰 의의가 있다.    

연구 결과는 2025년 10월 29일, 국제학술지 ‘Nature’에 온라인 게재되었다.

■ 연구 배경

차세대 반도체 패키징 기술은 서로 다른 기능을 가진 칩과 소자를 하나의 모듈로 통합하는 이종집적(heterogeneous integration) 구조로 급속히 진화하고 있다. 칩과 칩, 혹은 칩과 안테나·센서·메모리 등의 이종 소자들이 단일 패키지 내부에서 밀집 배치되면서, 소자 간 전자기 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)이 심화되고 있다. 이러한 간섭은 신호 왜곡, 발열, 오동작 등 시스템 레벨의 신뢰성 저하로 이어지기 때문에, 패키지 단계에 직접 구현 가능한 초박막 전자파 차폐막은, 고집적 패키지의 안정성과 장기 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

기존의 EMI 차폐 기술은 대부분 두꺼운 금속 캔 구조나, 벌크형 도전성 폴리머 복합체에 기반해 개발되어 왔다. 그러나 이러한 방식은 패키지 두께 제약과 반도체 공정과의 공정 적합성에 한계를 갖는다. 특히 두께를 줄일수록 전자파 침투 깊이가 커지는 ‘두께–성능 딜레마(thickness–performance dilemma)’로 인해, 수 μm 이하의 초박막에서는 고주파 차폐 성능이 급격히 저하된다. 이로 인해, 지금까지의 차폐 연구는 두께 증가 또는 다공성 구조화에 초점을 맞추었으나, 이러한 방식은 이종집적 패키징 공정과의 재료·공정적 비호환성을 야기해 실질적 통합이 어려웠다.

■ 연구 성과

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 반도체 공정과 호환되면서도 초박막 구조에서 고차폐 성능을 유지할 수 있는 금속–MXene 이종접합 기반 초박막 차폐막(Embedded-MXene-in-Metal, EXIM)을 제안하였다. 이 접근법은 단순한 두께 축소가 아니라 금속–MXene 계면의 전자적 상호작용을 정밀 제어하는 계면공학적 설계를 통해, 금속 박막이 전자파를 반사하고 MXene 박막이 이를 산란·흡수하도록 유도함으로써, 얇은 두께에서도 높은 차폐 성능을 발현하는 새로운 차폐 패러다임을 제시한 것이다.

연구팀은 구리 박막 사이에 2차원 전도성 세라믹 Ti3C2Tx(MXene)을 적층하여 총 두께 1~2 μm 범위에서 약 70–80 dB 수준의 전자파 차폐 성능을 구현하였다. 기존에는 3차원 물질인 금속 위에 2차원 물질인 MXene 박막을 균일하게 형성하는 것에 공정상 어려움이 있었다. 연구팀은 이를 계면에 SAM(self-assembled monolayers) 처리를 통해, 극복하였으며 이를 기반으로 금속-MXene 이종접합 기반 초박막 차폐막 구조를 제작하였다.   

이는 기존 금속 캔형 차폐체나 벌크형 복합체보다 수십 배 얇은 두께에서 달성된 결과로, 기존의 ‘두께–성능 딜레마’를 근본적으로 해소하였다. 두께–성능 딜레마는 두께를 줄일수록 전자파 침투 깊이가 커지는 현상으로 이로 인해 얇은 두께에서 높은 차폐 성능을 갖는 차폐막 제작에 어려움이 있었다. 연구팀은 금속 박막을 거울면으로 활용하고, MXene 박막을 AMIR(Absorption during Multiple Internal Reflections)의 층으로 활용하여 전자파를 효과적으로 차폐하였다. 

또한 EXIM 구조는 물리적 증착(PVD) 및 스프레이 코팅 공정을 통해 칩과 패키지 공정에 직접 적용 가능하며, 실제 USB 3.0 플래시 드라이브에 적용한 결과, 블루투스 신호 간섭이 완전히 제거됨을 확인하였다. 이로써 EXIM 구조가 기존 패키지 공정에 실질적으로 통합 가능한 공정 호환형 초박막 차폐 솔루션임을 입증하였다. 아울러, 고온 (85 °C)·고습 (85 % RH) 환경에서도 장기간 성능 저하 없이 안정적으로 동작하여, 초박막 차폐막에서도 내환경 신뢰성(reliability)을 확보할 수 있음을 보여주었다.
    
■ 기대 효과

이번 연구는 금속–MXene 이종접합 기반 초박막 차폐막(EXIM)을 제시함으로써, 기존 두꺼운 금속 캔 형태의 차폐체가 가진 공정 비호환성·부피 증가 문제를 근본적으로 해소하였다. 개발된 구조는 반도체 공정과 직접 호환되는 초박막 형태(1–2 μm)로 구현되면서도 군사용 규격(MIL-STD-461)을 능가하는 약 70–80 dB의 차폐 성능을 달성하여, 두께 감소 시 성능이 급격히 저하되던 기존 ‘두께–성능 딜레마’를 실질적으로 해결하였다.

또한 EXIM 구조는 칩·패키지 단에서 바로 적용 가능한 공정적합형 EMI 솔루션으로, 고집적 패키징 환경에서 증가하는 전자파 간섭을 소자 수준에서 직접 제어할 수 있다. 실제 USB 3.0 장치에 적용해 블루투스 신호 간섭을 완전히 억제한 바와 같이, 패키지 레벨에서 즉각적인 전자기적 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.

아울러 본 초박막 차폐막은 고온·고습(85 °C / 85 % RH)에서도 성능 저하 없이 안정 동작함을 입증해, 차세대 패키징 플랫폼에서 요구되는 내환경 신뢰성까지 확보하였다. 더불어 이번에 제시된 금속–MXene 계면공학 기반 접근법은 MXene 외 다양한 2차원 소재로 확장 가능해, 차세대 반도체 등 폭넓은 산업 분야에서 활용될 수 있는 세계 최초의 패키지-레벨 초박막 차폐 기술로 평가된다.

■ 연구진 의견

이 연구를 이끈 서울대학교 재료공학부 주영창 교수는 “이번 연구는 기존 두꺼운 금속 기반 차폐 구조를 대체할 수 있는 새로운 접근법으로, 이종집적(heterogeneous integration) 시스템의 전자기적 신뢰성 향상과 차세대 패키징 플랫폼의 안정성 확보에 중요한 기술적 전환점을 마련하였다는 점에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

■ 연구진 진로

논문의 주저자인 강거산 박사(서울대 재료공학부)는 졸업 후 SK 하이닉스에 재직 중이며, 권구현 연구원(서울대학교 재료공학부 석박통합과정)은 반도체 첨단 패키징에서 나타나는 전기적·열적 스트레스에 기인한 신뢰성 열화 현상의 메커니즘을 심층적으로 규명하고, 이를 토대로 장기 수명 확보형 패키지 구조 설계 전략을 정립하는 연구를 이어갈 예정이다.



▲ 그림 1. EXIM (Embedded-MXene-in-metal) 차폐 필름의 개념 및 미세구조 분석.상단: 기존 금속 캔(Shielding can) 및 기공 제어형(Pore-engineered) 쉴드와 대비되는, 1-2 µm 두께의 얇고 유연하며 밀착성(Conformal)이 우수한 EXIM의 모식도.하단: EXIM 차폐막의 적층 구조와 계면을 보여주는 단면 SEM, TEM 이미지 및 EDS 원소 매핑 결과.


▲ 그림 2. 금속-MXene 이종 적층 구조에 의한 EMI 차폐 성능 향상. (a)이종 계면(Heterointerface)의 수(2~12개) 증가에 따른 구조 모식도 및 주파수 대역별 EMI 차폐 효율(SEtotal, SEA, SER) 변화. (b)다양한 두께 범위에서 EXIM 쉴드와 기존 보고된 금속, MXene 및 탄소 기반 복합 소재들의 평균 차폐 성능(Average total SE) 비교.


[참고 자료]

- 논문/저널명: ‘Electromagnetic interference shielding using metal and MXene thin films’, Nature
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09699-0