유리기판 핵심 기술 ‘TGV’란? 실리콘 TSV와의 차이로 보는 원리

「유리기판 완전정복」 연재 · 3번째 글
지금까지의 연재:
1. AI 반도체의 새로운 토대, 유리기판이란 무엇인가?: 기초부터 핵심 원리까지
2. AI 반도체 게임체인저, 유리기판 관련주 네비게이션

지난 글에서 우리는 유리기판이 왜 ‘AI 반도체의 새로운 토대’로 불리는지, 그리고 어떤 기업들이 이 시장에 뛰어들었는지를 살펴봤습니다. 그런데 막상 한 걸음 더 들어가 보면 곳곳에서 낯선 단어가 튀어나옵니다. ‘TGV’, ‘TSV’, ‘실리콘 인터포저’ 같은 말들이죠.

이 단어들을 이해하지 못하면 유리기판 뉴스는 그저 ‘어렵고 좋아 보이는 기술’ 정도로만 남습니다. 하지만 반대로 이 핵심 개념 몇 가지만 손에 쥐면, 왜 유리기판의 상용화가 계속 늦어지는지, 무엇이 진짜 기술 장벽인지가 또렷하게 보이기 시작합니다.

그래서 이번 글은 종목이나 투자 이야기는 잠시 내려놓고, 유리기판의 심장이라 불리는 ‘TGV’ 기술 그 자체에 집중합니다. 기존의 실리콘 기술(TSV)과 무엇이 다른지, 유리에 머리카락보다 가는 구멍 수십만 개를 뚫는 일이 왜 그토록 어려운지를, 비유와 데이터로 차분히 풀어보겠습니다.

AI의 거대한 발걸음, 기존 도로는 너무 좁다

먼저 ‘왜 지금 유리기판인가’라는 질문부터 짚어야 합니다. 결론부터 말하면, AI 반도체가 너무 빠르게 커지고 뜨거워지면서 그것을 떠받치는 ‘바닥판(기판)’이 한계에 부딪혔기 때문입니다.

이것을 도시의 교통 시스템에 비유할 수 있습니다. AI 연산이 도심을 오가는 차량이라면, 반도체 패키지는 도로망과 같습니다. 차량(데이터)이 폭발적으로 늘어나는데 기존의 2차선 도로(기존 패키징)로는 감당할 수 없는 상황에 이른 것입니다. 더 넓고 튼튼한 고속도로가 절실해진 셈입니다.

실제 데이터는 이 변화를 극명하게 보여줍니다. 엔비디아 AI 가속기 A100의 열설계전력(TDP, 칩이 최대로 내뿜는 열을 감당하기 위해 필요한 전력량)은 약 400W 수준이었지만, 차세대 칩 B200은 1,000W, 그 다음 B Ultra는 1,200W까지 치솟을 전망입니다 ^[48]. 칩 하나가 가정용 전자레인지만큼의 전력을 쓰는 셈입니다. 여기에 탑재되는 고대역폭 메모리(HBM) 용량은 192GB에 달하고 ^[50], 2028년경 등장할 칩은 현재 노광 장비가 한 번에 그릴 수 있는 최대 면적(레티클)의 최대 8배 크기를 요구할 것으로 보입니다 ^[52][53].

문제는 현재 널리 쓰이는 유기 기판(FC-BGA)의 최대 크기가 약 100mm × 100mm 수준에 묶여 있다는 점입니다 ^[28]. 이보다 커지면 열 때문에 기판이 휘어버려 불량이 발생하기 때문입니다. AI 칩이라는 거대한 빌딩을 지어야 하는데, 기초가 되는 땅(기판)이 너무 좁고 무른 상황입니다.

한 줄 정리: 차세대 AI 반도체는 기존 기판이 감당할 수 없는 수준의 크기, 전력, 메모리를 요구하며, 이것이 ‘새로운 판’을 깔아야 하는 근본 이유입니다.

TGV vs TSV: 실리콘 다리는 왜 더 버티지 못하나

거대해지는 칩을 위해 지금까지 쓰여온 영리한 해결책이 바로 ‘실리콘 인터포저(Silicon Interposer)’입니다. 반도체 칩과 기판 사이에 얇은 실리콘 판을 하나 더 끼워 넣고, 그 위에 여러 칩과 메모리를 촘촘하게 연결하는 기술입니다. 좁은 땅 위에 고층 빌딩을 짓기 위해 건물들 사이에 정교한 ‘중간층’을 하나 더 만드는 것과 비슷합니다.

이 실리콘 중간층에 위아래로 전기 통로를 뚫는 기술이 바로 TSV(Through-Silicon Via, 실리콘 관통전극)입니다. 그리고 똑같은 일을 ‘실리콘’ 대신 ‘유리’에 하는 것이 이번 글의 주인공 TGV(Through-Glass Via, 유리 관통전극)입니다. 즉 TGV와 TSV는 ‘무엇에 구멍을 뚫어 길을 내느냐’의 차이입니다. 그런데 이 소재의 차이가 생각보다 큰 결과를 만듭니다.

실리콘 인터포저(TSV)는 세 가지 구조적 약점을 안고 있습니다.

• 전기적 손실: 실리콘은 반도체이긴 하지만 완벽한 절연체가 아닙니다. 유전율(Dielectric Constant, 물질이 전기 신호를 얼마나 방해·지연시키는지를 나타내는 값)이 11.7로 매우 높은데 ^[25], 이는 고속 신호가 지나갈 때 불필요한 간섭과 전력 손실을 유발합니다. 고속도로 노면이 거칠어 자동차 속도를 갉아먹는 것과 같습니다.

• 열 전이 문제: 실리콘은 열전도율이 148 W/m·K로 매우 높습니다 ^[28]. 좋은 것 같지만 패키지 안에서는 독이 됩니다. 뜨거운 연산 칩(로직 다이)의 열이 바로 옆 HBM 메모리로 그대로 전달돼 데이터를 손상시키거나 성능을 떨어뜨리기 때문입니다 ^[30].

• 생산성 한계: 실리콘 인터포저는 동그란 반도체 웨이퍼(원형 300mm)에서 만들어집니다. 원형 판에서 네모난 칩을 잘라내다 보니 버려지는 면적이 많아, 한 장에서 쓸 수 있는 면적은 약 70,659mm²에 그칩니다 ^[32]. 반면 유리는 네모난 패널(515mm × 510mm) 형태로 만들 수 있어 한 장의 면적이 262,650mm²에 달합니다 ^[32]. 칩이 커질수록 이 차이는 곧 비용 차이로 직결됩니다.

여기에 더해, 실리콘 인터포저는 결국 플라스틱 소재의 유기 기판 위에 올라가는데 두 물질이 열을 받았을 때 팽창하는 정도(열팽창계수)가 달라, 온도가 오르내리면 연결 부위에 스트레스가 쌓여 신뢰성 문제를 일으킵니다 ^[25]. AI 시대가 요구하는 극한의 ‘대면적화’ 앞에서 실리콘이라는 다리가 더는 최적의 답이 되기 어려워진 것입니다.

한 줄 정리: TGV와 TSV는 ‘유리냐 실리콘이냐’의 차이이며, 실리콘(TSV)은 높은 신호 손실·열 전이·낮은 면적 효율이라는 태생적 한계로 차세대 AI 칩을 감당하기 어려워졌습니다.

유리라는 해답, 그리고 TGV라는 관문

실리콘의 한계에 대한 해답으로 등장한 것이 바로 ‘유리’입니다. 유리는 표면이 지극히 매끄럽고, 열에 의한 변형이 적으며, 전기적으로는 거의 완벽한 절연체에 가깝습니다. 실리콘 인터포저의 단점을 대부분 뒤집는 소재인 셈입니다.

구체적으로 유리의 강점은 세 가지로 요약됩니다. 첫째, 평탄도입니다. 유리는 대면적에서도 휨(Warpage)이 20μm(마이크로미터, 머리카락 두께의 약 5분의 1) 이하로 유지되는데, 유기 기판이 50μm 이상 휘는 것과 비교하면 절반 이하입니다 ^[25]. 평탄할수록 더 가늘고 촘촘한 회로를 새길 수 있습니다. 둘째, 낮은 신호 손실입니다. 유리의 유전율은 2.5~3.0 수준으로 낮아, 테스트 결과 기존 소재 대비 유전 손실은 60% 낮고 신호 전송 속도는 40% 이상 빨라질 수 있다고 제시됩니다 ^[25]. 셋째, 열 격리입니다. 유리는 실리콘보다 열전도율이 훨씬 낮아 연산 칩의 열이 옆 메모리로 번지는 것을 막아줍니다 ^[30].

여기에 더해, 부품을 기판 안에 직접 심는 구조를 쓰면 전력이 흐르는 길 자체가 짧아집니다. 기존 구조에서 전력은 ‘MLCC(전기를 잠깐 저장했다 공급하는 작은 부품) → 기판 → 실리콘 인터포저 → 칩’이라는 긴 경로를 거치지만, 유리기판에 부품을 내장하면 ‘MLCC → 칩’에 가깝게 줄어 전력 소모를 최대 50%까지 절감할 수 있습니다 ^[27][46]. 제조 시간도 플라스틱 기판의 약 4개월에서 유리기판은 약 1.5개월로 단축됩니다 ^[26].

이렇게 보면 유리는 거의 완벽한 소재처럼 보입니다. 그런데 바로 여기서 ‘유리의 역설’이 시작됩니다. 이 모든 장점을 실제로 누리려면, 단단하고 잘 깨지는 유리판에 수십만 개의 미세한 전기 통로를 뚫어야 합니다. 그 통로가 바로 TGV이고, 이 가공이야말로 유리기판의 운명을 가르는 진짜 관문입니다.

한 줄 정리: 유리는 평탄도·신호 손실·열 격리에서 실리콘을 앞서는 이상적인 소재이지만, 그 장점을 쓰려면 ‘TGV’라는 극악한 가공 관문을 반드시 통과해야 합니다.

유리의 역설: 구멍 하나가 아니라 수십만 개의 정밀 통로

TGV가 왜 그토록 어려운지는, 그 규모를 알면 단번에 이해됩니다. 유리기판 한 장에는 직경 80~100마이크로미터(μm), 깊이 400~800μm에 달하는 미세한 구멍을 수십만 개 뚫어야 하고, 그 하나하나가 모두 같은 품질을 가져야 합니다 ^[41]. 깊이 대 직경 비율이 최대 10:1에 이르는 이 작업은, 좁고 깊은 우물 안을 물 한 방울 남기지 않고 채우는 것과 비슷한 난이도입니다.

비유하자면, 단단하고 깨지기 쉬운 다이아몬드 원석에 머리카락보다 얇은 구멍 수십만 개를 단 하나의 균열도 없이 완벽하게 뚫는 일과 같습니다. 이 과정에서 발생하는 대표적인 난제가 셋입니다.

• 미세 균열 (세와리 불량): 레이저로 구멍을 뚫을 때 눈에 보이지 않는 미세 균열이 생길 수 있습니다. 비정질이면서 잘 깨지는 취성 재질인 유리는 한 번 미세 크랙이 생기면 연마로도 완전히 제거하기 어렵습니다 ^[37]. 이 균열은 이후 열이나 압력을 받으면 기판 전체를 수직으로 갈라버리는 치명적 불량, 이른바 ‘세와리(背割り)’ 불량으로 이어져 수율을 급격히 떨어뜨립니다 ^[36][37].

• 충전 불량 (보이드 발생): 이 미세한 구멍들을 구리로 빈틈없이 채우는 것도 보통 일이 아닙니다 ^[41]. 조금이라도 빈 공간(Void)이 생기면 전기가 제대로 통하지 않아 칩 전체가 불량이 됩니다.

• 박리 현상 (Delamination): 유리는 표면이 너무 매끄러워 금속인 구리와 잘 달라붙지 않습니다 ^[36]. 여기에 열팽창계수 차이까지 더해져, 오래 사용하면 구리 배선이 유리 표면에서 들뜨거나 벗겨지는 박리가 일어나 칩 수명을 단축시킬 수 있습니다 ^[40].

이런 복합적 난제 때문에 현재 유리기판의 양산 수율은 기존 유기 기판의 90~95%에 한참 못 미치는 75~85% 수준에 머물러 있는 것으로 파악됩니다 ^[36][41]. 수율이 낮다는 것은 불량품이 많다는 뜻이고, 곧 생산 비용 급증으로 이어집니다. 유리기판 상용화의 가장 큰 발목을 잡는 핵심 원인이 바로 여기에 있습니다.

그래서 업계는 균열을 줄이는 새로운 가공법에 주목합니다. 단순 레이저 드릴링만 쓰면 처리량이 낮고 숨은 미세 균열과 열응력으로 수율 손실이 큽니다 ^[38]. 이를 보완하는 것이 LIDE(Laser Induced Deep Etching) 같은 2단계 방식입니다. 극초단 펄스 레이저로 유리 내부에 변형 영역을 만든 뒤, 화학적 습식 식각으로 그 부분만 골라 녹여내 미세 균열 없이 구멍을 만드는 방식입니다 ^[40].

한 줄 정리: TGV의 본질은 ‘구멍을 뚫는 기술’이 아니라, 수십만 개의 미세 통로를 균열·보이드·박리 없이 다음 공정과 이어내는 통합 수율 문제이며, 이것이 유리기판 수율을 75~85%에 묶어 두고 있습니다.

그래서 유리기판은 언제 양산되나?

이러한 기술 난제는 곧바로 양산 일정에 반영됩니다. 시장의 뜨거운 기대와 달리, 유리기판의 대규모 양산 로드맵은 계속 뒤로 밀려 왔습니다. 조 단위 투자를 집행하고 실제 공장에서 안정적인 수율을 확보하는 데 예상보다 긴 시간이 걸리기 때문입니다.

대표적인 사례가 상용화 선두주자로 꼽히던 한 기업의 일정 변화입니다. 당초 상업화 목표 시점은 2024년이었지만, 공장 준공과 수율 확보 문제로 2025년으로 한 차례 밀렸고, 다시 2026년 고객사 인증 완료로 수정됐습니다 ^[56]. 이는 특정 기업만의 문제가 아니라, 유리에 균열 없이 구멍을 뚫고 채우는 일 자체가 그만큼 어렵다는 방증입니다.

업계 전반의 일정도 비슷합니다. 일본의 DNP는 2027년 양산을 목표로 하고 있고 ^[24], 국내 주요 기업도 2027년 이후 본격 양산을 바라보고 있습니다 ^[59]. 이러한 상황을 종합해 국제반도체장비재료협회(SEMI)는 유리기판의 초기 대량 생산 시점을 2028년경으로 전망했습니다 ^[62].

여기서 한 가지는 분명히 해두는 게 좋습니다. 양산이 늦어지는 이유는 ‘수요가 약해서’가 아니라 ‘요구 수준이 너무 높아 검증에 시간이 걸려서’입니다. 마라톤 출발선에 선 선수는 많지만 기록 기준을 통과하는 선수는 적은 상황에 가깝습니다. 그래서 유리기판은 단기 테마가 아니라, 수율 개선·장비 입고·샘플 테스트 통과 같은 기술적 마일스톤을 길게 추적해야 하는 영역입니다.

한 줄 정리: 유리기판 양산이 2027~2028년경으로 늦춰진 것은 수요 부족이 아니라 TGV 수율 검증에 시간이 걸리기 때문이며, 그래서 투자도 기술 진척을 길게 지켜보는 관점이 필요합니다.

결론: 기술을 알면, 뉴스가 다르게 보인다

지금까지 우리는 유리기판의 심장인 TGV 기술을 들여다봤습니다. AI 반도체가 너무 커지고 뜨거워지면서 실리콘 다리(TSV)가 한계에 부딪혔고, 그 대안으로 유리(TGV)가 등장했지만, 유리에 균열 없이 수십만 개의 미세 통로를 뚫고 채우는 일이 상용화의 진짜 관문이라는 이야기였습니다.

이 기술 원리를 손에 쥐면, 앞으로 쏟아질 유리기판 뉴스가 전혀 다르게 읽힙니다. ‘수율을 90% 이상으로 끌어올렸다’, ‘세와리 불량을 잡았다’, ‘대면적 패널 가공에 성공했다’ 같은 소식이 왜 중요한 신호인지가 보이기 때문입니다. 화려한 비전보다 이런 기술적 진척이 유리기판의 진짜 바로미터입니다.

물론 같은 ‘TGV’라는 목표를 두고도 기업마다 접근하는 방식은 제각각입니다. 어떤 곳은 가장 이상적인 완전 통합형을, 어떤 곳은 안정적인 하이브리드형을 택합니다. 이 기업별 전략의 차이와 양산 경쟁 구도는 다음 글에서 본격적으로 다루겠습니다. 기술이라는 토대를 먼저 이해한 지금, 그 경쟁의 의미가 훨씬 선명하게 다가올 것입니다.

한 줄 정리: 유리기판의 승부처는 ‘TGV 수율’이며, 이 기술 원리를 이해하면 어떤 뉴스가 진짜 진척 신호인지 가려낼 수 있습니다. 기업별 전략 비교는 다음 글에서 이어집니다.

References

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amadas80

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