Update2024.05.18 (토)
‘후막 세라믹 제조’, 전자제품 輕薄短小 핵심
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의 및 분류
과거 다양한 산업에 사용되던 부품들은 주로 부품 자체 용도에만 한정돼 사용됐으나, 최근 첨단 산업이 급속하게 발달함에 따라 부품의 물성 개선에 대한 요구가 증대되고 있다. 특히 신기능 및 복합 다기능성을 가지는 부품에 대한 개발 요구가 점점 늘어나면서 기존의 부품에 새로운 기능 부여가 가능한 부품 표면 처리 기술의 중요성이 점점 커지고 있다.
소재의 표면에 다양한 기능을 가지는 세라믹 소재를 코팅하는 세라믹 표면 코팅 기술은 형성되는 코팅층의 두께에 따라 박막 혹은 후막 공정기술로 분류된다. 일반적으로 수 ㎛에서 수백 ㎛ 두께의 세라믹 코팅층을 제조하는 공정 기술을 후막 세라믹 제조공정 기술이라 일컫는다.
후막의 두께 범위는 기존의 박막 공정 기술을 사용해서 제조하기에는 너무 두꺼우며, 수 mm 두께의 벌크 세라믹을 가공해서 얻기에도 용이하지 않다는 어려움이 있다. 하지만, 최근 급격한 산업 발달로 인해 특정 두께 범위의 후막을 요구하는 분야가 증가함에 따라 다양한 후막 제조공정 기술들이 개발돼 광범위하게 사용되고 있다.
◇ 작동원리 및 적용부품
후막 세라믹 제조공정 기술은 종래의 부품 표면에 다양한 기능을 가지는 후막 세라믹을 형성함으로써 전혀 새로운 성질과 기능의 구현이 가능하다. 따라서 후막 세라믹 제조공정 기술은 전자, 환경, 에너지, 의료 산업 등 그 응용 범위가 매우 다양하다. 특히, 기존의 박막 세라믹이 사용되지 못했던 다양한 분야에 새롭게 응용됨으로써 무한한 가치 창출이 가능하다는 장점을 가진다.
현재 후막 세라믹 제조공정 기술이 가장 많이 사용되는 분야 중의 하나는 전자 세라믹 소재를 후막 형태로 형성해 적층함으로써 복잡한 회로와 구조 및 형상을 구현할 수 있는 전자 부품 산업 분야이다. 특히, 후막 소재 기술은 경제적이고, 신뢰성이 높으며, 고성능 부품의 경박단소(輕薄短小)화가 가능하기 때문에 기존의 벌크 형태의 전자 부품들을 빠르게 대체하고 있다.
이밖에도 기계 산업에서의 구조용 내마모·내구성 코팅, 반도체/LCD 제조장비 부품산업에서의 내식성 코팅, 에너지 산업에서의 연료전지 및 이차전지 분야, 환경 산업에서의 광촉매 코팅, 의료산업에서의 임플란트 표면 생체 활성 코팅 등의 다양한 분야에 후막 세라믹 제조공정 기술이 적용되고 있으며, 앞으로 그 적용 범위가 더욱 늘어날 것으로 기대된다. 고품질 세라믹 후막 제조공정 기술의 필요성 대두
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 전자 부품의 경박단소화, 고집적화 및 고성능화로의 요구
전자 부품에 대한 초기의 공정 기술은 단순히 벌크 형태의 제품과 전자소자 제조 중심으로 이루어졌다. 이후 전자 산업이 발달함에 따라 반도체 기술과 함께 급성장한 박막 공정 기술이 보편적인 세라믹 공정 기술로서 주도해 왔다.
최근 이동 통신기술의 발달에 힘입어 각종 소형 디지털 제품이 상용화됨에 따라 전자 부품의 경박단소화, 고집적화에 대한 요구가 증가해왔다. 이에 따라 미세패턴화, 소형화, 융합화 및 대면적화가 가능한 후막 세라믹 제조공정 기술 개발에 대한 요구가 커지고 있다.
◇ 고품질 세라믹 후막 제조공정 기술의 필요성
종래의 후막 세라믹 제조공정 기술 중 스크린 프린팅(Screen Printing), 테이프 캐스팅(Tape Casting)과 같은 습식 공정은 기본적으로 세라믹 분말 입자의 소결을 기본 원리로 한다. 따라서 코팅층의 치밀화를 위해서는 고온의 소결 온도가 반드시 필요하기 때문에 사용되는 모재의 종류가 제한적이라는 단점이 있다.
또한, 열용사(Thermal Spray)와 같이 세라믹 분말을 고온에서 매우 빠른 속도로 분사함으로써 코팅층을 형성하는 건식 공정은 결과물인 코팅층 내에 기공이나 균열 등의 결함이 존재하기 쉽기 때문에 코팅층의 물성이 열악하다는 단점이 있다. 또 다른 건식 공정인 저온분사(Cold Spray)의 경우에는 순수한 세라믹 코팅층의 형성이 불가능하며, 세라믹에 연성을 가지는 금속이 복합화된 코팅층의 제조만 가능하다는 한계가 있다.
최근, 다양한 세라믹의 기능을 요구하는 미래 산업의 발전과 함께 고품질의 후막 세라믹 개발에 대한 요구가 점점 커지고 있으나, 종래의 후막 세라믹 제조공정 기술로는 이를 충분히 해소할 수 없다. 이에 따라 고품질·고밀착력의 후막 세라믹 제조를 가능하게 하는 새로운 공정 기술의 개발이 절실한 실정이다.
■ 후막 세라믹 제조공정 기술분야별 동향
◇ 습식 공정
○ 테이프 캐스팅(Tape Casting) 기술
Tape Casting 기술은 세라믹 분말에 용매, 가소제, 결합제 및 분산제 등의 유기물 첨가제를 첨가·혼합해 현탁시킨 슬러리를 블레이드(Blade)나 롤러(Roller) 등을 사용해 일정 두께로 조절·유출시키면서 고분자 캐리어 필름 위에 치밀하고 유연한 그린 시트(Green Sheet)를 얻는 공정이다. 이 Green Sheet는 필름으로부터 떼어 내어 주로 적층해 사용된다.
세라믹 분말과 유기물 첨가제가 혼합된 슬러리는 밀링, 기포 제거, 에이징, 캐스팅 등의 다양한 공정을 거쳐야 하기 때문에 최종 성형에 미치는 변수가 많다. 특히 우수한 Green Sheet를 제조하기 위해서는 양호한 상태의 슬러리를 얻는 것이 매우 중요하다.
Tape Casting 기술은 Green Sheet의 두께 조절이 자유롭고, Green Sheet가 유연하기 때문에 취급 및 가공이 용이하며 적층이 가능하다는 장점이 있기 때문에 적층형 세라믹 제조에 광범위하게 이용되고 있다.
○ 스크린 프린팅(Screen Printing) 기술
Screen Printing은 오랜 기간 동안 전극 및 커패시터 등의 소자에 많이 응용돼 오던 기술로서, 현재 전자 산업 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 후막 세라믹 제조공정이다. 이 공정은 원하는 막 성분의 분말과 유기물 첨가제를 혼합해 만든 페이스트를 미세한 메쉬 스크린을 통해 통과시켜 아래의 기판에 증착시킨 후, 건조 및 열처리를 통해 두꺼운 막을 얻는다.
이 공정의 가장 큰 장점은 메쉬 스크린의 패턴을 제어함으로써 증착과 동시에 원하는 형상의 막으로 패터닝이 가능하기 때문에 막 증착 후 에칭과 같은 패터닝을 위한 후처리 공정이 필요 없다는 점이다. 또한 비교적 장치가 저가이고, 공정이 단순해서 양산성이 우수하다는 것도 장점이다.
그러나, 막의 치밀화를 위해 고온에서의 후열처리가 필요하며 이에 따라 사용될 수 있는 기판의 종류가 제한적이라는 단점이 있다. 따라서 최근에 보고되는 PZT(Lead Zirconate Titanate(Piezoelectric Ceramic Material), 납·질콘·티탄으로 만든 소재) 압전 후막의 경우 알루미나 기판 위에 후막을 형성시킨 연구가 대부분이며, 이 경우 고온 소결이 가능하기 때문에 벌크에 가까운 소결밀도와 특성 값을 얻을 수 있다. 그러나 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 소자로의 응용은 어렵다는 문제점이 있다.
상기 Tape Casting과 Screen Printing 기술을 이용해 금속 전극과 함께 동시소성이 가능한 세라믹 시트(Sheet)를 다층으로 적층한 후 열처리를 통해 동시에 소결해 얻어지는 공정 또는 소재를 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시 소성 세라믹) 또는 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic, 고온 동시소성 세라믹)라 한다. 이들은 현재 전자기기용 세라믹 기판, IC용 세라믹 패키지, 다층 세라믹 패키지, 다층 세라믹 회로기판 및 적층 세라믹 콘덴서 등의 전자 부품 산업에서 사용되는 대표적인 후막 세라믹 제조공정이다.
韓 LTCC 후막 공정 기술 선진국 80%, 소재 전적 의존
○ 하이브리드 졸-겔(Hybrid Sol-gel) 기술
Hybrid Sol-gel 기술은 종래의 박막 공정인 Sol-gel과 세라믹 분말 공정을 결합함으로써 비교적 저온에서 후막 세라믹의 제조가 가능하다는 장점이 있다. 통상적인 Sol-gel법에 사용되는 세라믹 Sol 용액에 세라믹 분말이 균일하게 잘 혼합된 복합 용액을 제조한 후, 일반적인 스핀 코팅(Spin Coating) 공정을 사용해 원하는 기판에 후막을 형성한다. 막 증착 후 열처리를 통해 Sol 용액에 함유된 유기물이 제거되는 동시에 막 결정화가 일어나며, 최종 열처리 공정을 거쳐 결정상의 세라믹 후막이 형성된다.
Hybrid Sol-gel 공정에 의해 한 번의 코팅으로 얻을 수 있는 세라믹 후막의 두께는 분말 함량에 따라 0.5~10㎛으로 보고되고 있다. 이는 분말을 첨가하지 않은 일반적인 Sol-gel법으로 제조할 수 있는 막보다 약 10배 정도 두꺼운 것이며, 반복적인 코팅에 의해 균열 발생 없이 약 60㎛ 두께의 후막 제조가 가능하다고 알려져 있다.
그러나 Hybrid Sol-gel에 주로 사용되는 열처리 온도는 500~700℃이며, 이는 세라믹 후막을 완전히 치밀화하기에는 낮은 온도이다. 따라서 이 공정에 의해 제조된 후막은 대부분 기공을 많이 포함하고 있는 치밀하지 못한 미세구조를 보이며, 이에 따라 벌크 세라믹보다 낮은 특성을 나타낸다.
◇ 건식 공정
○ 열용사(Thermal Spray) 기술
열용사 공정은 일종의 분말 분사 코팅공정으로서 플라즈마 또는 불꽃 등을 이용해 고온에서 반용융 또는 용융된 분말을 기판에 분사해 후막을 형성하는 방법이다. 용사과정에서 분말에 가해지는 온도는 용사공정의 종류에 따라 차이가 있으나 3,000~1만5,000K에 이르는 고온이다.
매우 빠른 시간 내에 두꺼운 후막 형성이 가능하고, 분말 입자들이 녹아서 기판에 부착되기 때문에 입자간의 결합력이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 코팅층 내에 기공이 존재하기 쉽고 입자들이 고온에 노출돼 증발되거나 화학적 조성의 변화 등이 발생할 수 있으며, 급속 냉각에 의해 비정질상이 형성되고, 균열이 발생하기 쉽고, 기판과의 결합력이 낮다는 단점이 있다.
○ 저온 분사(Cold Spray) 기술
저온 분사는 용사공정과 비슷하지만, 고온의 가스나 플라즈마를 사용하지 않고 수백도 정도의 상대적으로 낮은 온도에서 초음속 이상의 고속 가스흐름을 사용해 분말 입자들을 기판 표면에 분사함으로써 코팅하는 기술이다.
고속 흐름가스에 의한 운동에너지와 열에 의해 입자들이 기판에 충돌할 때 소성 변형되고 표면의 온도가 상승하면서 융착돼 코팅이 이루어지는 것으로 추정된다. 열용사 공정과 비교해 상대적으로 낮은 온도에서 코팅이 이루어지기 때문에 코팅할 소재의 물성을 그대로 유지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 분말 입자의 소성 변형에 의해 코팅이 이루어지기 때문에 주로 금속 소재의 코팅에만 사용되며 세라믹 코팅은 어렵다고 알려져 있다.
○ 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition) 기술
에어로졸 데포지션은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 획기적인 막 형성 기술이다. 미세한 세라믹 분말을 운송 가스에 실어서 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹 코팅층을 형성하며, 1㎛ 이하의 박막뿐만 아니라 수백㎛ 이상의 치밀한 후막을 단시간에 얻을 수 있어 최근 많은 관심을 모으고 있다.
분말 분사 공정이라는 측면에서 종래의 열용사(Thermal Spray) 공정이나 저온 분사(Cold Spray) 기술과 유사하지만, 치밀한 후막이 상온에서 형성된다는 점이 에어로졸 데포지션의 차별화되는 특징이다. 상온에서 코팅이 이루어지기 때문에 기판과 코팅층 사이에 어떠한 계면반응도 일어나지 않으며, 고분자나 금속과 같은 다양한 물질이 기판으로 사용될 수 있다. 또한, 출발 분말과 형성된 코팅층 사이의 조성 변화가 없으므로, 복잡한 조성의 화합물로 구성된 막을 쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있다. 이밖에도 노즐과 기판 사이에 적절하게 고안된 마스크를 삽입함으로써 코팅과 동시에 막의 패터닝이 가능하다. 특히, 슬릿 길이가 긴 노즐을 사용함으로써 대면적 코팅이 가능하기 때문에 양산화에도 적합한 공정이다.
아래 그림은 에어로졸 데포지션 장비의 개략도를 나타낸 것으로서 공급될 원료 분말이 위치하는 파우더 챔버(Powder Chamber)와 코팅이 이루어지는 증착챔버(Deposition Chamber)가 가스관으로 연결돼 있다. 원료분말 입자는 Powder Chamber 내에서 반송 가스와 교반, 혼합해 에어로졸화된다. 진공펌프에 의해 발생한 Powder Chamber와 Deposition Chamber 간의 압력 차이로 인해 발생한 가스 흐름에 의해 분말 입자들이 Deposition Chamber로 이송되며, 슬릿 형태의 노즐을 통해 가속화돼 기판에 분사됨으로써 분말입자와 기판 사이에 충돌이 일어나면서 코팅층이 형성된다.
분말 입자의 분사를 통해 코팅층을 형성하는 분말분사코팅 공정기술의 경우, 비교적 경제적으로 대량 코팅이 가능하기 때문에 다양한 코팅 기술 중에서 양산화에 적합하다. 다음 그림에서 각종 분말분사코팅 기술의 차이점을 나타내었다. 에어로졸 데포지션의 경우, 상온에서 코팅이 이루어진다는 장점 외에 타 공정에 비해 입자 분사 속도도 낮아서 공정 시 소음 측면에서도 매우 유리하고 환경 친화적이다.
아래 그림은 에어로졸 데포지션의 적용 분야를 나타낸 것으로서 전자, 에너지, 환졍, 기계 구조용, 의료 등 다양한 산업에서의 응용 연구가 이루어지고 있다.
전자 산업에서는 압전 코팅 부문에서 에어로졸 데포지션 응용 연구가 활발하다. 실리콘 웨이퍼 혹은 금속, 세라믹 기판 표면에 치밀한 후막을 코팅한 후 후열처리를 통해 고결정성의 압전 후막의 제조가 가능하다. 이 방법은 센서, 액츄에이터, 에너지 하베스팅용 소자 등 다양한 압전 부품에 적용이 가능하다. 최근에는 코팅층의 두께를 증가시키고, 코팅층 내의 잔류 응력을 최소화함으로써 건전하고 기계적으로도 안정된 압전 후막을 제조하기 위해 압전 세라믹과 압전 고분자 물질을 복합화한 코팅층에 관한 연구도 진행되고 있다. 후막 세라믹 공정 기술 시장, 2014년 500억불 전망
에너지 산업에서는 수소 및 탄화수소를 이용해 전기를 발생시키는 장치인 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 세라믹 전해질 및 전극 소재를 에어로졸 데포지션을 사용해 제조하려는 연구가 진행돼 왔다. 고체 산화물 연료전지 의 경우 650~1000℃의 고온에서 작동하며 종래 가스터빈 발전 장비에 비해 높은 효율(열병합시 90%이상)을 가진다. 그러나 고온 작동에 의한 전해질/전극 간 반응 및 열화가 상용화에 큰 걸림돌이다. 고체 산화물 연료전지의 핵심 부품인 셀의 전해질 및 전극을 에어로졸 데포지션 공정을 통해 제조하는 경우 상온 공정을 통해 공정중 전해질/전극간 반응을 최소화 시킬 수 있어, 보다 활성이 높은 LSGM(란타늄-스트론듐-갈륨-마그네슘 산화물)계의 전해질 및 LSC(란탄-스트론튬-코발트 산화물)계 전극 소재를 적용시키는데 효과적으로 사용될 수 있음을 확인했으며, 이에 관한 연구가 진행되고 있다.
환경 산업에서는 대표적인 광촉매 물질로 알려진 이산화티탄 코팅층을 에어로졸 데포지션을 이용해 제조하는 연구가 수행된 바 있다. 종래의 스퍼터링이나 화학증착(CVD) 등의 방법으로는 코팅할 수 있는 제품의 크기가 제한적이고, 코팅 속도가 느릴 뿐만 아니라, 고가의 장비를 사용하기 때문에 실용화 관점에서 적합하지 않다. 에어로졸 데포지션을 이용한 고속 대면적 코팅을 통해 기존의 이러한 단점을 해결할 수 있었으며, 또한 표면 조도가 높은 코팅층 제조가 가능해 광촉매 성능 또한 매우 우수했다.
최근 반도체 장비 산업에서의 최대 이슈 중의 하나는 반도체 공정이 초미세선폭화로 진행됨에 따라 플라즈마 공정 중에 챔버에서 발생하는 다량의 오염입자 문제이다. 오염입자 발생을 최소화하기 위해 챔버 내벽을 내플라즈마성이 우수한 이트리아 벌크 소결체로 교체하는 방법을 사용할 수 있다. 그러나 소결 완제품이 고가이며 전량 수입에 의존하기 때문에 이를 대체하기 위해 챔버 내벽을 이트리아로 코팅하는 연구가 많은 관심을 모으고 있다. 종래 대표적인 이트리아 코팅방법은 플라즈마 스프레이법이지만, 미용융 입자가 표면에 다수 존재해 표면층이 거칠고 층상 구조를 가짐에 따라 코팅층의 층간 분리가 쉽게 일어나며, 코팅층의 밀도가 낮고 밀착성이 떨어지는 문제가 있다. 최근에는 고밀도·고밀착력을 가지는 이트리아 코팅층을 제조하기 위해 에어로졸 데포지션을 이용한 연구가 진행 중이다.
생체 활성 세라믹인 수산화아파타이트(수산화 인회석, Hydroxyapatite, HA)를 종래의 금속 임플란트 표면에 코팅하면, HA 코팅과 임플란트 주변 골조직간의 결합력이 높아지고, 조직의 치유 속도가 매우 빨라진다. 따라서 임플란트 시술 후 회복 시간이 짧아지고, 시술 성공률이 높아진다고 보고되고 있다. 그러나 종래에 상용화돼 있는 플라즈마 스프레이에 의한 HA 코팅은 코팅층의 조성 및 상변화 문제, 낮은 밀착력과 높은 기공률, 이로 인한 인체 내에서의 코팅층 탈락 가능성 등의 많은 문제들이 존재한다. 반면, 에어로졸 데포지션에 의해 제조된 HA 코팅층은 인체의 뼈를 구성하는 무기성분인 수산화 인회석 탄산염(Carbonated Hydroxyapatite)과 유사한 크기인 수십 나노미터 크기의 결정립들로 이루어져 있으며, 표면 거칠기의 제어가 자유로울 뿐 아니라 약물 혹은 성장인자와 같은 기능성 물질과 HA와의 복합 코팅이 가능하다. 에어로졸 데포지션은 기능성이 뛰어난 임플란트 표면 코팅층의 제조가 가능하다는 장점을 가지며, 한번의 코팅 공정에서 다량의 임플란트 표면 코팅이 가능하기 때문에 실용화 측면에서도 매우 유리한 공정이다.
정부 주도 아래 장기적 관점 원천기술 개발 필요
■ 기술개발의 주요 이슈
후막 세라믹 제조공정 분야에서는 Tape Casting, Screen Printing 기술 기반의 LTCC(저온 동시 소성 세라믹) 및 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor, 적층세라믹콘덴서) 기술과 상온 분말 분사 기술인 에어로졸 데포지션 기술이 선도하고 있다.
◇ 후막 세라믹 미세구조 제어 기술 개발
종래의 후막 세라믹 공정 기술의 경우, 새로운 화학 조성의 개발로는 특성 개선에 있어 한계에 도달했기 때문에 나노 구조로의 미세조직 제어 기술을 통해 기존 소재의 한계성을 극복하고자 하는 연구가 최근에 대두되고 있다. 이에, 상온에서 치밀한 나노 구조의 후막 세라믹 형성이 가능한 에어로졸 데포지션에 관한 연구가 최근 많은 관심을 모으고 있지만, 후막 두께가 과도하게 두꺼워지면 후막에 큰 잔류 압축응력이 걸리기 때문에 후막의 안정성이 떨어진다는 문제점이 존재한다. 따라서 특정 두께 이상의 두꺼운 후막을 요구하는 분야에서는 후막의 미세구조 제어를 통해 잔류응력을 최소화할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
◇ 후막 세라믹 고속·대면적화 기술 개발
기존 벌크 소재에서 구현이 불가능했던 새로운 특성을 가지는 기능성 후막 세라믹 소재 개발을 통해 후막 세라믹 소재의 응용범위가 크게 확대될 것으로 예상된다. 이에 대응하기 위해서는 기존의 Lab Scale(실험실용)의 공정 기술을 성숙화시킴으로써 산업화 및 상용화를 위한 공정 기술을 확보해야 한다. 특히, 후막 소재 부품의 양산화 및 상용화를 위해서는 양질의 고밀도·대면적 후막 세라믹 소재의 고속 코팅 기술 개발이 필수다.
■ 국가별 동향-미국
◇ 연구개발 현황
LTCC는 1,300℃ 이상인 일반적인 세라믹 기판용 소재의 소결온도를 Ag/Au/Cu 전극의 융점 이하로 낮춘 적층 세라믹 소재에 기반을 두고 있다. LTCC는 현재 휴대기기용 각종 모듈과 패키지에 많이 적용되며 상용화 수준으로 개발된 기술이다.
미국에서는 듀퐁(Dupont)과 페로(Ferro) 등에서 Tape Casting 기술을 이용해 LTCC 기판용 그린 시트를 공급하고 있다. 일차적으로 Ag 페이스트와 이종 동시소결이 가능한 조건에 초점을 맞추어 무수축 소성 기술과 미세 패턴 형성(Fine Patterning) 기술 등의 공정 기술 고도화를 위한 연구가 진행되고 있다.
■ 국가별 동향-일본
◇ 연구개발 현황
LTCC의 경우, 일본에서 가장 활발한 연구 활동이 이루어지고 있으며, 무라타(Murata)와 교세라(Kyocera) 등의 대표적인 세라믹 기업이 기술개발을 주도하고 있다. 최근 LTCC 소재 기술의 개발 동향은 세라믹 기판 및 패키지 내에 회로 집적도는 높아지면서 두께는 얇아지는 추세로 개발 경쟁이 가속화되고 있다. 이에 따라 모듈내의 응력이 증가하기 때문에 이를 극복하기 위한 고강도 소재에 대한 수요가 증가하고 있다. 연구 방향은 결정화 유리(Glass)를 사용하는 방향으로 진행됐으며, 현재 출시된 LTCC 소재 중에 Kyocera의 GL 950 모델이 400MPa의 3점 곡강도를 나타내어 HTCC에 필적하는 강도 값을 나타냈다. 이와 더불어 Si 등의 반도체 소자와의 신뢰성 및 고밀도 패키지 요구에 부합되는 높은 열팽창 계수를 가지는 LTCC 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 최근 Kyocera에서는 HiTcE짋라고 불리는 새로운 LTCC 소재를 개발했으며, 이 소재의 열팽창계수는 15ppm/K로서 FR-4와 유사해 패키지 기판으로 사용 시 신뢰성이 매우 높다고 알려져 있다.
한편, 분말 분사를 이용한 또 다른 후막 세라믹 제조공정 기술인 에어로졸 데포지션은 일본 산업기술종합연구소(AIST)에서 최초 개발된 기술로서, 경제통산성의 NEDO 나노테크놀로지 프로그램의 하나로 2002년부터 5년간 지원됐다. 에어로졸 데포지션은 주로 전자부품용 기능성 세라믹 코팅 제조를 위한 기술로 연구됐다. 연구 사업에 참여했던 기관은 NEC-TOKIN, Fujitsu, Sony, TOTO, Brother, 일본전기 등의 기업과 오사카대학, 동경공대, 동북대 등의 대학이 있다. 기초 기술은 AIST와 일부 대학에서 수행했고, 기업들은 에어로졸 데포지션을 이용한 부품화 기술 개발에 관한 연구를 수행하고 있으며, 2010년부터 일부 개발품들의 상업화를 기대하고 있다.
압전 세라믹 후막 코팅은 에어로졸 데포지션을 통해 가장 많이 연구된 분야 중의 하나이다. 최근, AIST에서는 에어로졸 데포지션 기술을 이용해 압전 후막을 형성한 후, MEMS 기술을 이용해 휴대용 프로젝터, 레이저 디스플레이에 사용되는 금속 기반의 고속 광스캐너를 개발했다. 이는 소비전력 100mW 이하에서 큰 스캔 각도를 구현해 저구동전압, 저소비전력이 요구되는 모바일 용도에 매우 적합한 소자라고 발표된 바 있다.
임베디드 수동소자 또한 종래의 제조 방식보다 에어로졸 데포지션을 사용하는 경우 특성, 생산성 및 가격 측면에서 장점을 가지기 때문에 에어로졸 데포지션 응용 소자 연구가 진행돼 왔다. Fujitsu는 수지기판인 FR-4 위에 에어로졸 데포지션을 이용해 다층 유전체 티탄산바륨(Barium Titanate, BaTiO3)를 형성한 임베디드 커패시터를 개발했다. 이 소자는 유전율이 400이고 용량밀도가 사용 기준보다 3배 이상 우수한 특성을 가진다.
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구개발 현황
LTCC 관련 후막 세라믹 제조공정 기술의 경우, 국내에서는 삼성전기, LG이노텍 등의 전자부품 관련 대기업과 아모텍, 필코씨앤디, 삼영전자공업 등의 중소 업체들이 LTCC를 이용한 모듈 개발에 참여하고 있다. 그러나 현재 LTCC 후막공정 기술의 국내 양산 기술은 2006년 수준에 머물러 있는 실정이며, LTCC 소재 또한 국내 벤처기업에서 일부 소재를 개발하고 있지만 재현성과 반복성의 문제로 인해 국내의 모듈 제작업체 대부분은 일본·미국 등으로부터 소재를 공급받아서 부품이나 모듈을 개발하는데 치중하고 있는 실정이다. 따라서 사업의 규모가 크게 확대되지 못하고 소재의 기술 수준과 서비스 또한 비약적으로 발전하지 못하는 한계가 존재한다.
에어로졸 데포지션의 경우, 국내에서는 2004년 재료연구소에서 가장 먼저 독자적으로 장비를 설계·제작해 연구 개발을 시작했고, 전자기능 뿐만 아니라 내식용 코팅, 생체 적합성 바이오 코팅, 광촉매 코팅, SOFC용 전해질 및 전극 코팅, 리튬 2차전지용 전극, 전해질 코팅 등 다양한 분야에 걸쳐 연구 개발을 진행하고 있다. 국내 타 기관으로는 한국세라믹기술원, RIST, 전자부품연구원 등의 연구기관과 서울대, 광운대, 조선대, 충남대 등의 대학에서 전자기능성 세라믹 코팅, 생체 재료 코팅, 연료전지용 세라믹 코팅 관련 기초 연구를 수행하고 있다. 현재까지는 국내에 에어로졸 데포지션을 이용한 연구개발을 수행하고 있는 기관들의 수는 많지 않으나, 빠른 속도로 기술이 전파되고 있기 때문에 연구개발에 참여하는 기관의 수가 급속히 증가해 이를 이용한 기능성 후막 소재의 실용화가 조기에 실현될 것으로 예상된다.
◇ 기술수준격차
LTCC 관련 한국의 기술 수준은 선진국과의 정확한 비교가 어려우나 via 형성 기술, 선폭 최소화 기술 및 유전체 두께 조절 기술 등의 LTCC 후막 공정 기술은 선진국의 약 80% 수준으로 평가된다. 한편, 후막 공정 기술을 이용한 LTCC 부품의 국산화 비율이 날로 증가하는 반면, LTCC 소재는 대부분 수입에 의존하고 있기 때문에 국내 LTCC 소재 기술은 해외 선도기관의 약 60% 수준으로 비교적 낮게 평가된다.
에어로졸 데포지션의 경우, 최초의 연구개발 시기는 일본에 뒤지지만, 현재 국내 기술 수준은 일본과 거의 동등하며, 일부 분야에 있어서는 세계 최고 기술 수준으로 평가된다.
■ 국내외 주요기업의 생산활동
LTCC용 소재업체로는 Dupont, Heraeus, Ferro 등의 외국 업체들이 LTCC용 Green Sheet나 Paste를 생산 및 판매하고 있다. 독자적인 소재와 공정 기술로 기판, 모듈 등의 제품을 생산하는 업체로는 일본의 Murata, Kyocera, TDK 등의 세라믹 전자부품 제조업체들을 들 수 있다. LTCC 응용 제품 시장 점유율을 보면, 이동 통신 부품이 주력인 Murata가 세계 시장 점유율 1위이며, 성장률을 고려하면 패키징 기판을 주력으로 생산하는 Kyocera가 최근 두드러진 행보를 보이며 시장 점유율 2위를 차지하고 있다. 자동차 전장용 LTCC 모듈 생산업체인 독일의 Bosch가 시장 점유율 3위를 나타내고 있으며, TDK·Hitachi·NTK·MJC 등이 그 뒤를 따르고 있다. Bosch를 제외한 대부분의 기업이 일본에 소재하며, 전체 시장의 약 80%를 차지한다.
국내의 경우에는 삼성전기, LG이노텍, 삼화콘덴서, 아모텍, 필코씨앤디, 이노칩테크놀로지, 삼영전자공업 등이 주축이 돼 소재·공정·회로 설계 등의 다양한 분야에서 독자적인 소재와 고부가가치화 제품군의 연구 개발을 시도하고 있다. 그러나 연구개발 규모 측면에서 일본·미국 등의 선진국에 비해 다소 열세인 것으로 평가받고 있으며, 특히 대부분의 LTCC용 소재들은 수입에 의존하고 있는 실정이다.
에어로졸 데포지션은 종래의 후막 세라믹 제조공정 기술들에 비해 최신의 기술로서 현재, 실험실 규모로 다양한 분야에 대한 연구와 기술 성숙화를 통한 제품 개발 투자가 이루어지고 있지만 제품 상용화를 위해서는 다소의 시간이 더 필요한 상황이다.
■ 시장규모 및 전망
후막 세라믹 공정 기술의 시장규모를 정확히 파악하는 것은 어려우나, 아래 그림의 기능성 후막 소재의 시장규모로부터 유추가 가능하다. 기능성 후막 소재는 2009년 약 250억달러 이상의 세계 시장을 가졌으며, 2014년에는 500억달러로 약 2배에 달하는 높은 성장세에 따라 시장이 커질 것으로 예상된다. 기존의 전자소자에 적용되던 기능성 후막 소재의 시장은 포화 상태로 큰 성장은 이루어지지 않을 것으로 예상되나, 연료전지·태양전지 등의 에너지 소자에 대한 적용이 크게 확대될 것으로 예상된다. 또한 PDV·LCD 등의 디스플레이 소자에 대한 적용 역시 지금까지는 큰 성장세를 보이지 않았지만, 2010년 이후 광범위한 적용으로 높은 성장세를 보일 것으로 보인다. 따라서 이러한 성장 추세에 맞추어 기능성 후막 소재에 대한 연구개발이 세계적으로 활발히 이루어지고 있다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
종래의 대표적인 후막 세라믹 제조 공정은 Tape Casting, Screen Printing 기술을 바탕으로 한 LTCC 기술이다. LTCC 공정 및 소재 기술은 최근의 급격한 산업의 발전과 휴대용 이동 통신 기술의 발달에 따른 전자 부품의 경량화·초소형화·집적화 등의 요구에 잘 대응하면서 후막 세라믹의 발전을 주도적으로 이끌어 왔다. 이에 따라 과거 전자 산업에서 주력이었던 벌크 세라믹에서 후막 세라믹 중심으로 핵심 기술이 변화됐고, 다양한 세라믹의 기능을 요구하는 미래 산업의 발전과 더불어 후막 세라믹 제조공정 기술의 적용 범위가 더욱 넓혀질 것으로 기대된다.
특히, 최근 많은 연구개발이 이루어지고 있는 에어로졸 데포지션은 상온에서 치밀한 후막 세라믹의 제조가 가능하다는 특장점을 가지고 있다. 이에 따라 종래의 후막 공정 기술이 사용되지 못했던 다양한 분야로의 후막 세라믹의 적용이 가능해졌으며, 앞으로 전 산업 분야에서의 후막 세라믹 공정기술의 적용이 광범위하고 급격하게 이루어질 것으로 예상된다. 따라서 향후 다양한 산업 분야에서의 에어로졸 데포지션의 적용을 위해서는 현존하는 기술을 보다 성숙시킴으로써 제품의 양산화와 실용화를 위한 기틀을 마련하는 것이 필수적이다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
종래 전자 산업에서 사용되고 있는 후막 세라믹 공정기술의 가장 큰 문제점은 소재나 부품을 미국이나 일본 등지에서 수입해 조립하는 수준이 대부분이기 때문에 기술경쟁력이 낮고 제품의 부가가치성이 떨어진다는 점이다. 따라서, 정부 주도하의 장기적인 프로그램을 통해 원천기술을 개발하고, 후막 세라믹 부품의 국산화를 통해 기술선진국과의 기술 격차를 해소해야 한다. 이를 통해 후막 세라믹의 기술 경쟁력 강화와 고부가가치화를 달성할 수 있다.
