다이아몬드 파운드리, AI 칩 발열 잡을 200mm 단결정 다이아몬드 시료 제작 성공

인공지능(AI) 반도체의 전력 소비 증가로 발열 문제가 심화하는 가운데, 미국 인공 다이아몬드 제조사 다이아몬드 파운드리가 직경 200mm 크기의 단결정 다이아몬드 시료를 제작하는 데 성공했다.

미국 IT 전문 매체 톰스하드웨어는 2026년 11월 8일(현지시각) 이번에 공개된 시료가 결정을 성장시킨 직후의 미연마 상태여서 실제 반도체 생산 공정에 투입하려면 정밀 가공을 거쳐야 한다고 보도했다.

고성능 연산장치의 열 방출 한계를 넘어서려는 차세대 방열 소재 개발이 본격화하면서, 고대역폭메모리(HBM) 등 첨단 패키징 공정을 운용하는 글로벌 반도체 가치사슬 전반에도 새로운 방열 소재 대안이 제시됐다.


톰스하드웨어 보도를 보면 다이아몬드 파운드리는 다결정이 아닌 고품질 단결정 구조를 유지하면서 직경 200mm 크기로 다이아몬드를 성장시켰다. 200mm는 일부 전력 반도체와 아날로그 칩 생산에 쓰이는 기판 규격과 같은 크기다.
다이아몬드는 물리적 특성상 열전도율이 구리보다 최소 5배 이상 높은 것으로 평가받는다. 전기가 흐르지 않는 절연 특성을 유지하면서 열을 신속하게 분산할 수 있어 칩 내부의 국소 과열 구역을 줄이는 데 적합하다.

마틴 로샤이센 다이아몬드 파운드리 최고경영자(CEO)는 기술진이 십여 년 동안 거듭한 실험과 장비 개선 끝에 이번 결과를 얻었다고 밝혔다. 학계 연구진인 슈테판 그젤과 마틴 피셔 등이 25년 동안 이어온 단결정 대형화 연구가 이번 성과의 밑바탕이 됐다.


다이아몬드 파운드리는 이번 결과를 토대로 첨단 반도체 양산 라인의 표준 규격인 300mm급 단결정 소재 제작도 2030년 이전에는 가능할 것으로 내다봤다.

다만 상용화까지는 해결해야 할 공정 과제가 남아 있다. 현재 공개된 시료는 표면이 거친 미가공 상태여서, 칩 제조사가 요구하는 나노미터 단위의 표면 평탄도를 구현하기 위한 연마 기술과 가공 수율 확보가 필수다.
방열 소재 시장에서는 다이아몬드를 활용하려는 시도가 잇따르고 있다. 미국 아카시 시스템즈는 2024년 미국 반도체법(CHIPS Act) 지원금 1820만 달러(약 248억 2480만 원)를 확보해 합성 다이아몬드와 질화갈륨을 결합한 방열 소자를 개발하고 있으며 온도를 20도 낮출 수 있다고 주장한다.

다이아몬드 광산 기업 드비어스 그룹은 고성능 연산 장치를 겨냥해 구리 도금 다이아몬드 복합재를 개발 중이고, 프로어 시스템즈는 차세대 그래픽처리장치(GPU) 냉각판 설계에 다이아몬드 기술을 도입하고 있다.


초거대 AI 모델의 고도화로 메모리와 시스템 반도체의 집적도가 높아지면서 삼성전자와 SK하이닉스 등 첨단 메모리를 생산하는 진영에서도 열 제어 기술 고도화가 중요한 연구 과제로 꼽힌다.

고대역폭메모리는 다이를 수직으로 높게 쌓는 구조 특성상 연산 성능이 올라갈수록 내부 열을 얼마나 균일하고 신속하게 분산하느냐가 핵심 패키징 설계 요소로 꼽히기 때문이다.

다이아몬드 소재가 기판 수준의 가공성과 평탄도를 확보하게 된다면 고발열 칩과 패키지 기판 사이에서 열 집중을 완화하는 차세대 서브스트레이트나 방열 보조재 후보군으로 거론될 수 있다.

현재 반도체 가치사슬 전반은 액체 냉각 시스템과 고전도성 몰딩 소재, 정밀 금속 방열판을 주력 솔루션으로 운용하며 차세대 신소재의 물성 연구를 학계와 연구소를 중심으로 지속하는 흐름이다.

향후 시장 진입 속도는 기존 반도체 장비와의 호환성과 생산 단가가 결정할 것으로 보인다. 다이아몬드는 모스 경도가 가장 높은 물질이어서 웨이퍼 형태로 얇게 가공하고 연마하는 데 막대한 비용과 시간이 소요된다.

기존 패키징 냉각 솔루션의 구조 개선을 통해 발열 제어가 충분히 이뤄지거나 합성 다이아몬드의 가공 단가 장벽이 획기적으로 낮아지지 않는다면 대량 양산 라인 도입에는 상당한 시일이 걸릴 수 있다. 구체적인 생산 일정과 납품 계약 체결 여부는 본지 확인 시점 기준 공개되지 않았다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com