■ 기술의 개요

1) 1.1 기술의 개념 및 원리

1) 기술의 개념
대부분의 세라믹 소재는 이온·공유 결합 또는 이들 두 가지 결합의 조합으로 이루어져, 자유전자에 의한 금속결합을 갖는 금속 소재와 비교하여 일반적으로 높은 전기적 절연성과 동시에 열적 단열성을 가진다. 반면 자유전자가 부재한 반면에 이온(ion)의 움직임에 의해 전기전도성을 갖는 세라믹 소재도 잘 알려져 있다. 본 고에서는 디바이스의 기판 소재로 사용하기 위해 전기적으로는 절연성이고 열적으로는 전도성이며 소자·시스템의 구조적 신뢰성을 보장할 수 있는 충분한 강도를 가지는 세라믹 소재에 대해 기술한다.

일렉트로닉스(electronics)의 진보에 의해 전력의 변환과 제어를 고효율로 수행하는 파워디바이스(power device)가 폭 넓게 보급되고 있다. 특히, 수송기기 동력의 하이브리드화 및 전기모터화가 세계적으로 전개됨에 따라 파워모듈의 시장이 급속히 팽창하고 있다. 높은 전기절연성·열전도율을 가지는 특정의 세라믹 소재는 디바이스의 발생열을 빠르게 전달하고 확산시키는 열매체로서의 기능이 우수하여 수송기기용 디바이스의 기판 소재, 고집적 전자회로용 기판 소재, 레이저 발진부 등의 방열 부품(heat sink), 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품 및 정밀 기계 부품 등으로 사용되고 있다.

▲ 수송기기용 고출력 파워디바이스의 세라믹 소재 기판의 적용 사례와 디바이스의 구조.

전력용 반도체에 사용되는 전류는 수십 A ~ 수백 A이며 전압도 수백 V 정도로 상당히 고전력이다. 따라서 반도체로부터 발생하는 열이 높아 그 열에 의한 소자의 오작동 혹은 파괴를 방지하기 위해 열을 어떻게 효율적으로 방출하는지가 큰 이슈가 되고 있다. 조사결과에 의하면 전자 소자의 주요 파괴 원인은 과열·진동·습기·먼지이며, 발생비율은 55%·20%·19%·6% 정도로 파악되고 있다.

이처럼 원활한 열 방출이 전자제품의 정상적인 작동과 수명에 미치는 영향은 절대적이다.

전자 소자의 동작과 관련해 과열 방지가 반드시 필요한 이유는 칩을 구성하는 반도체 소재가 나타내는 전기저항의 온도 의존성과 깊은 관련이 있다.

즉, 대부분의 반도체 물질은 온도의 상승과 함께 전기저항이 증가하는데 일정 온도 이상에서는 오히려 전기저항이 감소하는 거동을 나타내게 된다. 이 현상은 반도체의 열폭주(thermal
runaway) 현상으로 알려져 있다. 일단 임계 온도 이상으로 과열되면 저항이 감소하기 때문에 전기회로 기판으로서 요구되는 전기적 절연성이 소실되어 절연기판으로서의 역할을 수행할 수 없게 된다.

주지하는 바와 같이 CPU 등 LSI의 집적도는 무어의 법칙(2배/1.5년)에 따라 매년 높아지고 있으며 이것에 수반하여 동작 주파수도 높아져 반도체 칩의 에너지 밀도도 증가하고 있다. 즉, 고기능성화 및 경박단소(輕薄短小)화에 따라 반도체 칩에서 발생되는 열의 밀도가 급속히 높아지는 것에 기인하여, 전자부품 소자에서의 핵심이슈로, 소자의 온도상승으로 초래되는 성능 열화와 수명 단축을 포함하는 신뢰성의 저하 문제가 부상되었다.

고도로 집적화가 진전되어온 칩의 발생열이 어느 정도인지를 가정용 전기다리미와 수치로 비교하면 다음과 같다. 정격 1200W급 전기다리미의 바닥면적을 10cm×20cm 정도라고 하면 발열밀도는 6W/cm2 정도이다. 이는 600V-30A급 IGBT 소자는 칩 기준으로 43W의 전력이 0.4cm×0.6cm의 면적에 부가되는 것에 해당하므로 발열밀도는 180W/cm2 정도이어서 전기다리미 발열밀도의 30배 정도에 해당한다.

이와 같이 높은 발열밀도에 기인하여 기판 전체의 면적에서 실제로 칩이 차지하고 있는 면적은 한계를 가지는데, 기판의 방열특성을 향상시키면 현재보다 높은 칩 밀도가 가능하여 한층 더 높은 수준으로 시스템의 소형화 및 저비용화를 구현할 수 있다.

디바이스·시스템에서 발생한 열을 외부로 방출하는 열전달의 메커니즘은 다음 그림에 정리한 바와 같이 전도·대류·복사의 3가지로 요약된다. 열이 디바이스·시스템에서 대기 중으로 방사되는 최종 단계에서는 대류와 복사가 중요하게 작용한다. 본 고에서 다루고 있는 기판 소재는 열원과 인접한 부위에 위치하며 열의 최종 배출단까지의 열전달은 대부분 전도에 의존하게 된다. 대류·복사 기구에서는 말단의 디자인·비표면적·고방사율 코팅 등이 중요한 인자이지만, 전도 기구는 소재 자체의 열전도율에 100% 의존하기 때문에 고열전도 소재의 개발이 반드시 필요하다. 예를 들어 상기의 파워모듈이 자동차 등에 탑재될 경우, 사용 환경의 온도변화가 상당히 크다. 특히 기판과 배선과의 접합 부분에는 열팽창계수 차이에 의해 높은 응력이 발생하기 때문에 회로기판 소재는 최소 70W/mK 이상의 열전도율이 요구된다. 또한 배선 소재인 구리나 알루미늄과의 접합성이 우수하고 신뢰성을 담보할 수 있는 열적·기계적 특성이 요구된다.

2) 기술의 원리
금속의 열 운반기구는 자유전자인 반면 세라믹스의 대표적인 열운반 기구는 격자진동 즉, 포논(phonon)이다. 이 밖에 물질의 열전도에 관여하는 인자에는 광자(photon)·여기자(exciton)·마그논(magnon)·이온(ion) 등이 있다. 물질의 열전도율은 각 기구에 의한 열전도율의 합으로 주어지는데 기체분자운동론에서 식(1)과 같이 표시된다.

▲ 식(1).

여기서 Ci는 단위체적당 인자 i의 열용량(cal/cm3K), vi는 입자 i의 속도(cm/s), li는 입자 i의 평균자유이동거리(cm)이다. 포논만을 고려한 전기절연성 세라믹스의 열전도율은 Debye의 고체모델 이론에서 식(2)로 표시된다.

▲ 식(2).

여기서, ν는 Debye 진동수이고 C(ν)는 C가 ν의 함수인 것을 나타낸다. 진동수 ν는 Debye 온도 Θ, Boltzmann 상수 K, Planck 상수 h 등에 의해 식(3)으로 표현된다.

▲ 식(3).

Debye 모델에서 열용량 C는 0K에서 zero이고 온도에 따라 증가하여 Debye 온도에서 물질에 상관없이 일정한 값을 나타낸다. 속도는 진동수에 의존하지 않는 상수이고 원자량이 작고 원자간 결합이 강할수록 크다. 평균자유이동거리는 고온에서 1/T에 비례하지만 저온에서는 ‘포논-포논’의 충돌확률이 감소하고 불순물 및 결정입계 등의 영향이 한정적이어서 일정한 값에 수렴하게 된다.

Debye 모델에서 열용량 C는 0K에서 zero이고 온도에 따라 증가하여 Debye 온도에서 물질에 상관없이 일정한 값을 나타낸다. 속도는 진동수에 의존하지 않는 상수이고 원자량이 작고 원자간 결합이 강할수록 크다. 평균자유이동거리는 고온에서 1/T에 비례하지만 저온에서는 ‘포논-포논’의 충돌확률이 감소하고 불순물 및 결정입계 등의 영향이 한정적이어서 일정한 값에 수렴하게 된다.

즉, 세라믹스와 같은 비금속 물질이 높은 열전도율을 갖기 위해서는 결정을 구성하는 각 원소의 원자량이 작고 결정구조가 대칭적이고 단순하며 원자간 결합력이 강하고 포논의 조화성이 좋아야 한다. 일반적으로 열전도가 우수한 결정구조는 다이아몬드·wurtzite·zinc blend 구조로 알려져 있다.

열전도율을 소재별로 비교해보면, 고분자의 열전도율이 가장 낮고 금속의 열전율이 가장 높다. 세라믹스는 두 물질의 중간 정도의 열전도율을 나타낸다. 그 가운데서도 질화알루미늄(AlN)과 탄화규소(SiC)와 같은 고온구조 세라믹 소재는 200W/mK 이상의 열전도율을 나타내어 금·은·구리·백금 등의 일부 금속을 제외한다면 대부분의 금속 소재 이상으로 열을 잘 전달하는 소재이다.

앞 절에서도 언급한 바와 같이, 디바이스용 기판 소재는 전기적 절연성도 겸비하여야 하기 때문에 SiC와 같은 전기전도성 세라믹스는 사용될 수 없다. 아울러 기계적 강도까지 모두 동시에 고려한 결과, 현재 세라믹 기판 소재로는 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4)의 3가지가 사용되고 있다.

▲ 고분자․세라믹․금속의 대표적 소재와 열전도율.

세라믹스의 열전도율을 높이기 위해서는 우선적으로 포논의 산란 요인을 제거해야 한다. 예를 들어 변형·전위·격자결함·불순물 등 결정성을 저해하는 요인은 포논 산란을 유발한다. 특히, 소결장치 또는 분위기에 의해 음이온 위치의 공공 결함 또는 침입형 결함이 발생하는 경우에는 소결 후 분위기 제어 후열처리를 통해 결함을 해소함으로써 열전도율을 높일 수 있다.

한편, 충분히 치밀하지 못한 세라믹스는 기공이나 균열을 포함하기 때문에 열전도율이 떨어지고 열전도율이 낮은 제2상을 포함할 경우에도 열전도율은 저하된다. 기공이 없는 이론밀도에 가까운 치밀한 세라믹 소결체를 얻기 위한 가장 손쉬운 방법은 고온소결을 실시하여 기공확산을 빠르게 하는 것이다. 이때 입자 크기는 클수록 열전도율이 높아지지만 Hall-Patch 관계식에 의해 기계적 특성이 떨어지는 문제를 갖는다. 입자크기가 클수록 열전도율이 증가하는 것은 대략 2가지 원인으로 분석된다. 첫째, 입계 자체가 포논을 산란하는 결함구조인 것과 둘째, 불순물 또는 소결조제가 소결과정 중에 매트릭스 소재와의 공융액상을 형성한 후 상온으로 냉각 후 비정질 입계상으로 잔류하는데, 비정질은 결정질에 비해 월등히 낮은 열전도율을 갖기 때문이다. 후자의 경우, 소결 후 후열처리를 통해 비정질 입계상을 결정화함으로써 열전도율을 향상시킬 수 있다.

입방정을 제외한 결정구조의 세라믹스는 결정구조 이방성에 기인하여 다양한 물성이 이방성을 나타낸다. 이러한 세라믹스는 열전도율이 우수한 결정방향으로 입자를 배향함으로써 열전도율을 최대화시킬 수 있다.

1.2 기술난제 및 실현시기

1) 기술적 측면

가. 기술적 난제
알루미나(Al2O3)는 상당히 낮은 열전도율에도 불구하고 높은 강도와 가격경쟁력에 의해 가장 먼저 디바이스 기판 소재로 채택이 되었다. 하지만 열전도율의 한계성에 기인하여 광범위한 응용으로의 발전은 기대할 수 없다.

질화알루미늄(AlN) 기판은 200W/mK 이상의 높은 열전도율을 보유하여 자동차용 인버터 등 출력밀도가 높은 파워모듈의 회로기판에 이미 적용되고 있다. 그러나 기판 위의 금속 배선과의 열팽창계수 차이에 의해 반복되는 열 사이클(thermal cycle)하에서 기판과 배선의 경계부에서 균열이 발생하여 디바이스가 파괴되는 현상이 종종 발생한다. 디바이스의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 질화알루미늄의 강도를 제고할 필요가 있지만, 복합소재가 아닌 단일상으로는 소재 고유의 강도 한계치를 비약적으로 증가시키는 것은 불가능할 것으로 판단된다. 한편, 복합화의 경우, 강도 향상은 가능하지만 열전도율의 손실이 수반될 가능성이 크므로 이 문제의 해결은 상당히 고난도의 과제로 인식된다.

산업화에 먼저 성공한 질화알루미늄 소재와 비교하여, 후발 주자인 질화규소(Si3N4) 소재는 상대적으로 낮은 열전도율에도 불구하고 높은 열적·기계적 특성을 겸비함으로써 디바이스의 장수명화 및 고신뢰성화에 유리하다.

알루미나와 질화알루미늄에 비해 한 발 늦게 최근 실용화되고 있는 질화규소의 주요 특성을 정리하면 다음의 표와 같다.

현재 산업화에 적용되고 있는 질화규소의 열전도율은 질화알루미늄의 1/2 이하이지만 알루미나에 비해서는 3~4배 정도 높다. 또한 꺾임강도 및 파괴인성은 알루미나와 질화알루미늄의 약 2배 이상이기 때문에 열 사이클에 의한 내균열성이 강한 것이 장점이다. 질화규소의 열전도율은 계속적으로 고점치를 갱신하고 있는데 가장 최근에는 실험실 스케일에서 177W/mK 정도를 달성하였다 Y. Zhou, H. Hyuga, D. Kusano, Y. Yoshizawa and K. Hirao, Advanced Materials, 23, 4563-4567 (2011)

▲ 고열전도율 질화규소의 주요 특성 비교.

질화규소의 열전도율 제고를 위한 핵심적인 기술은 질화규소 결정 내에 고용되는 산소의 양을 최소화하는 것이다. 이를 위해서는 출발원료의 산소 함량을 낮추어야 하고 소결을 위한 전 공정에서 유입되는 산소가 제어되어야 한다. 또한 원료 제어 및 공정 제어와 병행하여 소결체의 분석 방법이 확보되어야 한다. 즉, 불순물 산소는 질화규소 결정 내부와 비정질 입계 모두에 고용되기 때문에 열전도에 직접 영향을 미치는 결정 내부의 산소함량을 정량적으로 측정할 수 있는 기법의 개발도 필요하다. 한편, 열전달의 방해물로 작용하는 입계의 숫자를 줄이기 위해서는 고온 장시간 소결에 의한 입자성장이 효과적이지만, 입자 크기에 반비례해서 저하되는 강도는 신뢰성 문제를 유발하기 때문에 양자 간의 최적점을 탐색할 필요가 있다.

나. 기술적 실현시기
① 질화알루미늄 기판 : 향후 5년 이내에 현재 수준의 열전도율을 유지하며 20~30% 정도의 강도 향상을 달성할 것으로 예측된다.

② 질화규소 기판 : 현재 질화알루미늄 급의 열전도율을 달성하기 위한 소결공정은 고온 장시간이 소요되고 있으며 과도한 입자성장에 의해 질화규소 고유의 강도가 손실을 나타낸다. 고열전도율을 유지하며 질화규소 고유의 강도를 발현하는 소결기술은 향후 5년 이내에 개발될 것으로 전망된다.

2) 산업적 측면

가. 산업화 난제
질화알루미늄은 강도의 보완이 필요하지만 이미 일본에서는 상당한 수준으로 산업화가 진전되어 있다. 질화알루미늄에 있어서 열전도율은 높지만 질화규소에 비해 낮은 강도는 소재 고유의 특성이기 때문에, 현재 시점에서 판단하기로는 고열전도율과 고강도가 동시에 구현 가능한 것은 질화규소이다. 따라서 본 고에서는 산업화와 관련되어 해결이 필요한 사항은 질화규소에 국한하여 기술한다.

디바이스용 기판 소재개발을 위해서는 소재 자체의 물성뿐만 아니라 기판의 상하부 부품과의 매칭 특성도 동시에 고려되어야 한다. 소재 자체의 물성으로는 고전기저항·고절연내력·저유전율·저손실율·고열전도율·고강도·고인성 등이 있으며, 상하부 부품과의 관계에서는 열팽창계수(Si칩 대비 및 메탈라이징 소재 대비) 및 메탈라이징 특성 등이 중요하다. 질화규소 소재 자체의 우수한 물성을 활용하기 위해서는, 질화규소 기판과의 조합 시 열팽창계수 및 메탈라이징 특성이 디바이스의 신뢰성을 보장할 수 있는 상하부 부품용 소재를 올바르게 선택하는 것이 중요하다.

이와 같은 소재 특성 및 상하부 접합성을 모두 만족한다고 해도 타 세라믹 소재, 열전도성 고분자 소재, 열전도성 필러에 의한 고분자 복합소재 등과 경쟁하여 산업화를 달성하기 위해 가격경쟁력이 확보되어야 한다. 비산화물계 세라믹스인 질화규소의 소결공정은 산화물계 세라믹스 제조에 적용되는 연속공정이 불가능하고 반드시 배치형태의 공정에 의해 제조되기 때문에 양산성이 떨어진다는 단점이 있다.

나. 산업적 실현시기
① 질화알루미늄 기판 : 국내에서도 상당한 수준의 연구 결과가 구축되어 있지만, 고출력 디바이스 자체의 시장은 형성되어 있지 않은 것으로 파악된다. 즉, 수요산업으로부터의 요구가 제기된다면 향후 5년 이내에 산업화가 가능한 것으로 판단된다.

② 질화규소 기판 : 일본의 산업화 실적도 질화알루미늄 소재에 비해 낮은 수준으로 파악되고 있으며, 국내에서는 기술 개발이 선행되어야 하기 때문에 향후 10년 이내에 산업화가 가능할 것으로 전망된다.

1.3 응용 분야
상대적으로 낮은 열전도율의 알루미나는 고집적화 미래 디바이스의 기판으로는 부적절한 반면, 질화알루미늄과 질화규소는 특성과 가격 두 가지 판단 기준으로 유사한 응용 분야에서 경쟁관계를 형성할 것으로 예측된다. 전술한 산업화의 난제에서 밝힌 바와 같이 질화규소가 우위의 ‘열전도율-강도’ 조건을 갖추고 있는 것으로 판단하여 질화규소의 응용 분야를 중점적으로 기술한다.

고열전도율 질화규소는 기판 형태의 세라믹 기판(ceramic substrate)의 표면·후면의 양면에 Ag-Cu-Ti계 등의 접합재를 사용한 활성금속법에 의해 동판(Cu) 또는 알루미늄판(Al)을 접합하여 반도체 파워모듈에 실장 되는 경우가 대부분이다. 이 경우 파워모듈은 표면 동판에는 반도체 칩, 후면 동판에는 방열용의 히트싱크가 접합되는 형태가 일반적이다.

이들 사례는 파워모듈의 소형경량화 및 고효율화를 지향한다. 나아가서는 파워일렉트로닉스 자체의 소형경량화에도 연결이 되지만, 종래의 기판 소재로는 강도에 대한 신뢰성이 낮기 때문에 적용 범위가 한정되어 있었다. 고열전도율 질화규소 기판은 열적·기계적 특성이 우수하기 때문에 종래의 기판이 적용되지 못한 실장형태에도 고신뢰성을 나타내는 대응이 가능하다.

이와 같이 질화규소는 전력밀도(powder density)의 향상에 따라 종래의 저출력 소형장치에 더하여 고출력이 요구되는 대형장치에도 적용이 예상된다.

▲ 파워 디바이스의 전력밀도별 응용 분야.

질화규소 기판의 적용 사례를 분야별로 구분하여 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.

1) 열피로 특성이 요구되는 모듈
반도체 소자의 고출력화에 의해 전류밀도와 발열밀도가 증대하는 것에 대응하기 위해 일반적으로 파워모듈에 있어서 세라믹 기판의 열저항을 저감할 필요가 있다. 이를 위해 0.32mm 두께로 박판화한 알루미나 기판이나 70~170W/mK 정도로 열전도율을 향상시킨 질화알루미늄 기판이 사용되고 있다.

주로 파워모듈의 열피로 특성 향상을 꾀하는 고신뢰성화의 요구가 높아지는 상황 하에서 저열저항화를 양립시키기 위해 1990년대 중반부터 강도에 대한신뢰성이 높은 질화규소 기판의 적용이 시도되었다. 다음의 그림은 알루미나, 질화알루미늄 및 질화규소의 각종 세라믹 기판의 두께와 파워모듈 열저항의 관계를 나타낸다 T, Naba, Ceramics Japan, 47(1), 38-41 (2012)
. t=0.32mm 질화규소 기판의 열저항은 열전도율이 높은 질화알루미늄 기판이 t=0.635mm인 경우와 거의 동등하여 대체가 가능할 것으로 판단된다. 한편, 알루미나 기판과의 비교에서는 질화규소 기판을 적용할 경우 약 60% 정도의 열저항이 감소하는 것으로 나타났다.

▲ 세라믹기판/동방열판 회로기판구조(좌)와 세라믹 기판 종류별 열저항 특성.

전술한 바와 같이 파워모듈의 방열성과 반도체 칩 단위면적당 전류밀도의 증가에 따라 방열 동판의 두께가 증가하는 경향이 있다. 그러나 이에 따라 필연적으로 세라믹기판/동판 접합단의 모서리 부분에 응력집중이 과대하게 발생하여 열피로 특성이 저하된다. -40oC와 +125oC의 반복 열응력(ΔT=165oC) 실험에서 종래의 질화알루미늄 동회로 기판에서는 t=0.3mm의 경우 내균열성은 1,000 사이클 이하이었다. 이와 비교하여 질화규소 동회로 기판은 t=0.3mm에서 0.6mm로 증가시킨 경우에도 HEV/EV에서 요구되는 3,000 사이클 이상의 내균열성을 나타내어 파워모듈의 신뢰성이 대폭 향상되었다. 이를 바탕으로 열피로 대응으로의 질화규소 기판의 적용은 최근 들어 급속히 확대되고 있다.

2) 차세대 반도체 소자
파워모듈의 소형화·고출력화에 기인하여 정션온도(Tj)의 향상에 대응하는 반도체 소재 개발이 진행되고 있다. Si소자는 종래의 Tj=125oC에서 현재는 150oC 장치가 실용화되어 있고 175oC화로 개발이 진행되고 있다.

이와 더불어 차세대 반도체로 주목받고 있는 SiC소자와 GaN소자는 정션온도가 200oC를 상회하여 400oC 정도까지 높은 온도에서 사용이 가능한 것으로 알려져 있다. 이러한 차세대 반도체의 본격적인 실용화를 위해 파워모듈에 채용되는 절연기판의 온도 조건은 결국은 400oC 정도의 고온이 될 것으로 예상된다. 다음의 그림은 질화규소 기판과 질화알루미늄 기판에 대해 400oC 영역까지의 절연저항의 온도의존성을 평가한 결과이다 T, Naba, Ceramics Japan, 47(1), 38-41 (2012).

질화알루미늄 기판은 200oC 이상에서 절연저항의 저하가 현저하지만, 밴드 갭이 넓은 질화규소 기판은 400oC까지의 온도상승에 대한 절연저항 저하의 문제는 없는 것으로 판명되었다. 한편, Tj의 상승에 따라 전술한 열 사이클 시험조건은 한층 더 가혹해지는 경향이다. 예를 들어, -40oC와 +175oC의 열이력에 의해 ΔT를 215oC로 높인 열 사이클 실험의 결과, 질화알루미늄 동회로 기판(t=0.3mm)에서는 내균열성은 300 사이클 이하까지 감소한다. 반면에 동일한 두께의 질화규소 동회로 기판은 현재 1,000 사이클 정도의 내균열성이 확인되어 있고 3,000 사이클을 목표로 평가가 계속 이루어지고 있다.

▲ Discrete 전력소자 세계시장 현황과 전망.

3) 실장구조의 다양성이 요구되는 분야의 응용
전술한 각종 세라믹 기판의 두께와 최대 휨변형량과의 관계를 다음의 그림에 나타내었다. 질화규소 기판은 최대 휨변형량이 타 세라믹 기판의 1.5배 이상이다 T, Naba, Ceramics Japan, 47(1), 38-41 (2012).

이러한 장점을 활용하여 하이브리드 전기자동차(HEV)에 탑재되는 PCU(Power Control Unit)에 있어서 반도체 소자의 상하 양면에서 발열시키기 위해 절연기판을 소자의 양면에 구비하여 다층 적층하는 구조에 있어서도 질화규소 기판이 활용되어 PCU의 소형화 및 고출력화에 기여하고 있다.

또한, 파워모듈의 생산성 및 접합신뢰성을 향상시키기 위해 동회로 기판 상에 전극단자를 직접 초음파접합 하는 사례가 증가하고 있다. 이 때 초음파접합 시의 충격에 의해 알루미나 기판 및 질화알루미늄 기판은 균열 발생의 위험이 노출되었지만, 강도 및 파괴 인성이 상대적으로 우수한 질화규소 기판은 균열 발생이 억제되는 것이 확인되었다.

1.4 파급효과

1) 기술적 효과
통상소결법과 비교하여, 질화규소 소재의 가격경쟁력 및 열전도율 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술의 반응소결법을 확보할 경우, 자동차·반도체/디스플레이·LED 산업의 강국인 우리나라의 산업경쟁력을 한 단계 더 강화할 수 있을 뿐만 아니라 신수종산업의 창출 가능성이 높을 것으로 기대된다.

현재 기술 수준에서 질화알루미늄과 통상소결법에 의한 질화규소의 ‘열전도율-강도’ 특성 맵(map)은 다음 그림에서 나타낸 바와 같다. 질화알루미늄의 고열전도율을 유지한 채로 강도를 증가시키는 방법과 질화규소의 고강도를 유지한 채로 열전도율을 증가시키는 방법 중 후자의 달성 가능성이 높다는 것이 세라믹 소재 연구자들의 일치된 판단이다. 이 때 질화규소를 소결하는 방법은 통상소결법이 아니라 규소 분말에서부터 출발하는 반응소결법이 유리하며, 국내에서도 이의 실현을 위한 기초적 연구는 충분히 수행되어 데이터베이스가 구축되어 있다.

우리나라는 자동차 세계 5대 강국 및 반도체/디스플레이 세계 3대 강국의 위상이 대변하듯이 첨단 전방 산업 분야의 국내외 거대 시장을 상당 부분 점유하고 있지만, 이를 뒷받침 하는 후방 소재 산업과 중간을 연결하는 부품(모듈) 산업은 선진국 대비 뒤떨어지는 기술력에 기인하여 경쟁력을 확보하지 못하고 있는 실정이다.

이와 같은 현황을 고려하면 고열전도율 질화규소 기판을 성공적으로 개발할 경우, 미래 자동차의 트렌드인 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 분야의 신 시장 개척과 높은 정션온도에서도 작동하는 소형 고출력 SiC 반도체 소자 또는 GaN 반도체 소자에 선제적으로 대응할 수 있다.

2) 사회경제적 효과
주지하는 바와 같이 우리나라는 에너지 빈국으로 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있다. 2011년 에너지 수입의존도는 96%이고 에너지 수입비용은 195조원으로, 우리나라의 대표 수출산업인 반도체와 자동차 및 선박 등 3대 주요 제품의 수출액인 172조원보다 23조원 많은 비용이 에너지 수입에 사용되었다. 근년 우리나라에서는 에너지 사용량의 폭발적인 증가에 기인하여 혹서기인 여름과 혹한기인 겨울에는 당연지사처럼 전력의 blackout에 대한 빈번한 경고를 접하고 있다. 우리나라의 에너지 소비량은 세계 10위이며 그 중 대부분을 차지하는 전력소비량은 세계 9위로, 에너지사용 효율화와 절약운동에도 불구하고 선진국에 비해 30배나 높은 연평균 약 6%의 전력소비 증가율을 나타내고 있다.

전력반도체는 전력을 시스템에 배분하는 제어와 변환기능을 수행하는 소자로서 휴대폰·노트북 등의 소형 모바일 기기, 냉장고·에어컨 등의 가전제품, 전기자동차·고속철도 등의 대형 수송기기 등 전기를 소모하는 다양한 제품에 사용된다. 따라서 전력반도체의 고효율화는 에너지 소비량을 저감하는 핵심기술로서, 정부 차원의 연구과제로 수행되고 있으며 기업의 미래 먹거리 산업으로 인식되어 민간 차원의 개발에도 박차를 가하고 있다.

다음 그림은 2011년도 기준의 전력소자 관련 세계시장의 현황과 전망을 나타낸다. 전력소자의 단가에서 세라믹 기판이 차지하는 비중이 최소 10% 이상일 것으로 추정되어 2020년도 까지는 수 조원에 이르는 세라믹 기판 시장이 예상된다.

▲ 글로벌 세라믹 기판 시장 규모(단위: 억원).

정부는 에너지 위기관리 및 신산업 창출의 일환으로 「LED 산업 제2도약 전략」과 「LED 조명 2060계획」을 수립하여 추진하고 있다. 전력 사용량 절감 및 온실가스 배출량 감축에 LED 조명이 큰 기여를 할 수 있도록 하기 위해 LED 산업의 기술경쟁력 강화를 위한 R&D 투자를 지속적으로 확대하고 있다.

조명은 전력수요의 약 18%를 차지하며, 산업과 가정 등 수요자들이 사용한 최종 에너지의 약 3% 비중을 차지하고 있는 것으로 추정된다. 따라서 이러한 조명의 30% 정도를 LED로 교체하면 2015년 전력사용량(예측치) 기준 연간 약 1조6,000억원의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 본 고에서는 기존 조명을 LED 조명으로 전환하여 단순히 에너지 절감을 달성한다는 것에 의미를 두는 것을 탈피하여 보다 적극적이고 도전적인 미래 비전을 제시하고자 한다. 즉, 막대한 라이선스 비용을 지불해야만 하는 현재의 ‘Blue LED/Phosphor' 시스템이라고 하는 원천특허를 회피하여 ’플레이트 형광체 기반 LED 조명‘에 관한 신 시장을 개척하는 것이 진정한 에너지 절감임과 동시에 국가경쟁력에도 기여하는 것이다.

LED 조명용 컵 또는 방열 기판, 전자부품 소재의 디바이스 기판 등은 단순 형상의 작은 부피로 부품소재의 단가는 매우 낮지만 전 세계시장에서 대규모 수량으로 소모되기 때문에 시장규모는 크고 부가가치 또한 높다. LED 조명의 도약(breakthrough)은 방열 문제 해결과 직접적으로 연관되어 있고 그 파급효과는 글로벌 수준에서 에너지 절감을 포함하는 경제적·환경적으로 이슈화가 되어 있다. 전 세계적으로 LED의 조명 시장 진입을 위한 가장 큰 장애요인은 기존 조명 대비 현격히 불리한 가격경쟁력에 기인하는 것으로 알려져 있다.

현재 LED 패키징에서 방열부품은 완제품 단가의 50% 이상으로 상당히 높기 때문에 고열전도율 세라믹 기판의 채용 시, 방열부품의 부피 및 단가의 대폭 절감에 의해 LED 조명의 가격경쟁력 제고에 의한 일반 조명 대체를 선점할 수 있을 것으로 기대된다. 연간 LED 칩 생산 150억개 중 세라믹 기판 채용율 50% 및 기판 가격 100원을 가정할 경우, 연간 7,500억원 정도의 단일 품목 대규모 시장의 형성도 가능할 것으로 전망된다.

LED 컵 응용 이외에 질화규소를 포함한 고열전도율 세라믹 기판의 세계시장 규모 전망은 다음의 표에 정리하였다. 2008년부터 2009년에 걸쳐 증가 추세가 약간 침체하지만 그 전후로는 증가 추세가 이어지고 있으며 향후에도 상승 기조가 계속될 것으로 예상된다. 특히, 다양한 방열 기판 소재 관련의 예측에서 필러 기판 및 시트 형태의 시장 증가 추세에 비해 세라믹 기판의 예상 증가세가 확연히 높을 것으로 예상된다.

2. 해외 동향

2.1 연구개발 현황
열전도율이 높은 세라믹스는 다양하게 존재하지만, 디바이스의 기판으로 적합한 소재는 다음 표에 정리한 바와 같이 알루미나, 질화알루미늄 및 질화규소의 3종류가 대표적이다. 이들 소재 중 고유의 열전도율이 20-30W/mK로 상대적으로 낮은 알루미나는 연구개발의 대상은 아닌 반면, 질화알루미늄과 질화규소는 주로 일본의 연구소와 기업을 중심으로 각각 80년대와 90년대부터 연구가 본격화 되었다. 세라믹 기판용 질화알루미늄과 질화규소에 대한 해외 연구개발 현황은 다음과 같다.

1) 질화알루미늄 연구개발 현황
질화알루미늄(AlN)과 탄화규소(SiC)는 고열전도율만을 고려할 경우 세라믹 소재 가운데서는 확고한 위치를 차지하고 있다. 이러한 세라믹 소재들은 1980년대 초반부에는 열전도율이 100W/mK 수준이었으나, 1980년대 후반부에는 단결정과 같은 열전도율(270W/mK)이 개발되었다. 특히 질화알루미늄의 열전도율은 이론치(320W/mK)의 84%에 달하고 있다. 일본의 AIST(산업기술종합연구소)에서는 고열전도 질화알루미늄 세라믹스의 미세 구조와 특성, 열전도 메커니즘에 관하여 장기적·체계적인 연구를 통해 열전도율과 소결공정 및 미세구조와의 관계를 규명하여 정리하였다.

① 세라믹스의 입자 내에 격자 결함·전위·변형·고용체·입계상·기공 등이 존재하면 열전도율은 저하된다. AlN의 경우 열전도는 불순물 산소에 큰 영향을 받는다. 결정 내에 산소가 고용되면 식(4)와 같이 Al 위치에 Al 공공(VA1)이 만들어진다. 이것은 포논을 산란시키는 점결함으로 작용하며, 그 양에 따라 AlN의 열전도율이 크게 저하된다.

② AlN의 열전도율은 조제(助劑)의 사용, 입계산화물의 석출, 고순도 원료 분말의 사용, 환원소성(還元燒成) 등을 통해 높일 수 있다.

③ 첨가된 조제(Y2O3, CaO)가 AlN의 입자 표면상에 존재하는 Al2O3와 반응하여 공융액상을 생성하며 액상소결기구(liquid phase sintering)에 의해 소결성을 향상시킨다. 또한 Y2O3·CaO 조제는 AlN의 열전도율의 향상에 큰 기여를 한다.

④ Y2O3를 첨가함에 따라 Y4Al2O9와 같은 복합 산화물이 결정립계의 3중점에 석출하여 결과적으로 결정립 내의 산소 고용량을 낮춘다.

⑤ 고순도의 미분말 원료를 첨가함에 따라 불순물 원소를 줄이고 소결성을 향상시킨다.

⑥ 환원 질소 분위기 소성에 의해 YN이 생성되고 입계상 성분이 시료의 표면으로 이동함에 따라 결정립 내의 산소량이 감소한다.

한편, 질화알루미늄은 반도체 공정장비용 소재로 지금까지 많이 사용되어 왔던 알루미나를 대신하여 플라즈마 환경 하에서도 우수한 특성을 발휘하고 있다. 이는 최근 반도체 공정에서의 선폭 미세화에 따른 고밀도 플라즈마 환경의 도입과 dry etching 및 plasma cleaning과 같은 새로운 공정의 보급에 기인한 것이다. 동시에 기존의 8인치의 공정에서 12인치 웨이퍼 공정의 도입이 진행되고 고온 공정이 확대됨에 따른 것이기도 하다.

▲ 질화알루미늄 소재의 디바이스 기판 및 반도체 공정장비 응용 사례.

2) 질화규소 연구개발 현황
질화알루미늄은 질화규소와 비교하여 열전도율은 높으나 기계적 특성 및 화학적 안정성에 문제점을 가진다. 즉, 알루미늄과 질소의 결합력은 비교적 약하여 질화알루미늄이 물에 닿거나 하면 쉽게 결합이 분리되어 암모니아 가스를 발생하며 Al(OH)3를 형성한다.

기본적으로 기판은 수분에 직접 노출되지 않도록 패키지(package)가 되어 있지만 가혹한 동작환경이나 사고 등으로 기판에 수분이 닿을 가능성이 있으며 그 때 기판의 특성이 변하는 것은 오작동 내지 파괴의 원인이 된다. 또한, 질화알루미늄은 GHz 대역의 주파수에서 큰 유전손실이 있는 것으로 판명되어 고주파 영역에서 동작하는 부품용 기판으로는 적당하지 않다.

디바이스의 기판은 전기회로를 그 상부에 구축하고 있기 때문에 전기적·열적 특성에 아울러 신뢰성 확보를 위한 기계구조적 강도를 겸비하여야 한다. 기판에 발생하는 균열은 회로의 파괴로 이어지기 때문에 해당 디바이스는 물론 시스템 전체의 오작동 내지 고장으로 연결되기도 한다.

열팽창계수가 서로 다른 기판 소재와 기판 상하부의 금속 소재와의 계면에는 열적 사이클 응력이 집중된다. 이러한 응력 하에서 구조적 건전성을 유지하기 위해서는 내열충격성이 확보되어야 하는데, 질화알루미늄과 질화규소의 열팽창계수는 유사하기 때문에 결국은 소재의 강도가 내열충격성을 좌우하게 된다. 질화알루미늄의 미세구조는 대부분의 세라믹스에서 발견되는 입상형입자(equiaxed grain)인 반면, 질화규소는 침상형입자(acicular grain)에 의해 이루어져 있기 때문에 강도는 물론 균열 저항성을 나타내는 파괴인성(fracture toughness)도 상대적으로 높은 수치를 갖는다.

▲ 질화알루미늄의 입상형 입자 미세구조(좌)와 질화규소의 침상형 입자 미세구조(우).

고열전도율 질화규소 소재는 일본의 AIST(산업기술종합연구소)와 기업(Nissan, DKK) 주도 하에 1990년대 중반부터 연구결과가 보고되고 있다. AIST는 '93mol% Si3N4 - 2mol% Y2O3 - 5mol% MgO' 조성을 '1900oC - 12h - 1MPa N2' 조건으로 소결하여 97W/mK의 열전도율을 얻었으며, MgO를 MgSiN2로 대체한 실험에서 111W/mK를 나타내는 질화규소 소재를 개발하였다 X. Zhu, H. Hayashi, Y. Zhou nad K. Hirao, J. Mater. Res., 19(11), 3270-3278 (2004)

한편, Nissan은 '97mol% Si3N4 - 0.5mol% Y2O3 - 0.5mol% Nd2O3 - 2mol% MgO' 조성을 '1900oC - 4h - 1MPa N2' 조건으로 소결하여 128W/mK의 열전도율을 얻었는데, 최소한도의 소결조제만을 사용함으로써 타 기관과 비교하여 유사한 소결 조건하에서는 챔피언 데이터를 기록하였다 Y. Okamoto, N. Hirosaki, M. Ando, F. Munakata and Y. Akimune, J. Mater. Res., 13(12), 3473-3477 (1998)

그리고 DKK는 Si3N4 출발원료의 입도 분포를 조절함으로써 고열전도율 및 기계적 특성을 동시에 고려한 질화규소 기판 소재를 개발하였다 H. Yokota and M. Ibukiyama, J. Am. Ceram. Soc., 86(1), 197-199 (2003)

질화규소의 고열전도율은 입자성장에 의해 열전도율이 결정보다 낮은 비정질 입계의 숫자가 감소하는 것과 ‘용해-재석출’ 과정에서 질화규소 결정 내의 산소 결함이 감소하는 두 가지 기구에 의한 것으로 밝혀졌다. 다음 미세구조 사진은 각각의 인자를 나타낸다.

▲ 화규소의 미세구조 및 결정 내 결함과 열전도의 상관관계.

이상의 질화규소 개발은 출발원료로 Si3N4 분말을 사용한 통상소결법의 결과이며 2004년 이후 AIST에서는 출발원료로 Si을 사용한 반응소결 질화규소(RBSN; reaction-bonded silicon nitride) 연구를 집중적으로 수행하여 통상소결 대비 우수한 열전도 특성을 보고하고 있다.

AIST는 ‘i - 2mol% Y2O3 - 5mol% MgO’조성을 ‘1900oC - 6h - 1MPa N2’ 조건으로 반응소결 및 후소결 공정으로 질화규소를 제조하여 85W/mK의 열전도율을 얻었으며 X. Zhu, Y. Zhou and K. Hirao, J. Ceram. Soc. Japan, 112(5), S410-S414 (2004)

‘1900oC - 60h - 1MPa N2 –slow cooling’ 조건으로 실험실 규모의 연구에서 보고된 최고치인 177W/mK를 나타내는 질화규소 기판 소재를 개발하였다.

▲ 반응소결 질화규소의 반응 단계별 미세구조 원료분말(좌), 질화반응 후(중), 후소결 후(우).

이와 같이 고가의 Si3N4를 사용하는 통상소결에 비해 상대적으로 저가인 Si을 출발원료로 사용하는 반응소결의 경우, 가격경쟁력에서 유리할 뿐만 아니라 결정 내 결함의 원인으로 작용하는 최종 소결체 내의 산소함량을 줄일 수 있기 때문에 통상소결체에 비해 높은 열전도율을 나타내는 기판의 제조가 가능하다.

현재 고열전도성 세라믹 기판 소재는 일본의 DENKA·토쿠야마·일본특수요업·DOWA Metals 등이 마켓 셰어의 상위를 차지하고 있다. 특히, 일본특수요업(NGK SPARK PLUG)은 알루미나 기판의 대형 메이커였으나 질화규소를 이용한 고열전도성 파워모듈용 회로기판을 가장 선도에서 집중적으로 산업화하고 있다.

2004년 이후에 발표된 AIST 연구실의 반응소결의 공정 및 결과를 요약하여 정리하면 다음 표와 같다.

▲ AIST 연구실의 반응소결 질화규소 공정 및 열전도율 측정.

2.2 선도 기관
질화알루미늄과 질화규소의 연구 및 사업화를 세계적으로 선도하고 있는 일본의 연구소와 기업의 현황을 다음 표에 정리하였다.

▲ 해외 주요국의 질화알루미늄 기술 개발 현황.

▲ 해외 주요국의 질화규소 기술 개발 현황.

3. 국내 동향

3.1 연구개발 현황
1980년대 후반부터 현재에 이르기까지 고열전도율 세라믹 소재의 연구는 주로 질화알루미늄에 한정되었다. 그리고 현재까지는 국내 산업 현장에서 기계적 물성이 고려된 고열전도율 세라믹 소재의 필요성이 직접적으로 요구되지 않은 것에 기인하여 일부의 연구기관을 제외하고 일반 기업체에서는 세라믹 기판에 관한 연구는 최근까지도 수행된 실적이 없었다.

한편, 초기에는 디바이스용 기판으로의 응용을 목표로 연구를 진행하였지만, 최근에는 반도체/디스플레이 산업에 사용되는 공정장비용 치구로서의 활용성 및 시급성이 증대함에 따라 열전도율은 물론 내플라즈마성을 동시에 평가하는 경향을 보이고 있다. 공정장비가 대형이고 이에 필요한 소재의 부가가치가 높다는 유인에 의해 연구기관 보다는 기업을 중심으로 생산기술 및 가공기술의 개발이 추진되고 있다.

재료연구소(KIMS)는 실리콘 분말에 소결조제를 첨가하여 질화반응(nitriding)과 후소결(post-sintering)을 통해 치밀한 저가의 질화규소를 제조하는 공정에 대한 연구를 지난 20여 년간 수행해오고 있으며, 관련하여 이 공정을 질화규소 기판제조에 응용하는 연구를 수년 전부터 수행해 오고 있다.

▲ 국내 질화알루미늄 관련 연구사업.

▲ 국내 질화규소 관련 연구사업.

국내 질화규소 관련 연구로부터 밝혀진 두 가지의 중요한 사항은 다음과 같다.

① 고밀도 소결을 위한 가장 중요한 인자는 출발 규소 분말의 크기이며 98% 이상의 상대밀도를 얻기 위해서는 1마이크로미터 이하의 규소 분말이 필수적이다. 규소 분말의 크기가 작을수록 질화반응이 용이하며, 질화반응체의 기공채널이 미세해지기 때문에 후소결과정에서 기공 소멸이 용이하게 진행되어 고밀도 소결체를 얻을 수 있다.

② 일반적으로 규소 분말의 크기가 작아지면 비표면적의 크기가 증가하는데, 규소 분말의 표면은 산화물 SiO2(s)로 형성되기 때문에 시편 전체의 산소함량이 증가하여 열전도를 방해하는 불순물로 혼입이 될 수 있다. 그러나 후소결과정에서 알파질화규소에서 베타질화규소로 상전이와 동시에 입자성장은 공융액상을 통한 ‘용해-재석출’ 기구에 의해 진행이 되는데 이 과정에서 새로 성장하는 질화규소 결정 내에는 산소가 고용되지 않는 것으로 판단된다. 즉, 규소 분말의 크기가 감소할 경우, 고밀도화는 촉진하지만 결정 내의 산소 불순물 고용은 미미한 수준으로 일어나기 때문에 결과적으로 열전도율과 강도가 높은 질화규소의 제조가 가능해진다.

▲ 반도체 공정장비용 질화알루미늄 국내 기술개발 현황.

3.2 선도 기관

1) 질화알루미늄
일본과는 달리 반도체 공정장비용 소재에 대한 국내의 연구는 최근 10년 전에야 본격적으로 시작되었다. 특히 비산화물계인 AlN․SiC에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것은 약 10년 정도 밖에 되지 않았다. 산화물의 경우에는 (주)솔믹스를 중심으로 국산화율이 15~20%가 될 정도로 비교적 많은 진척이 이루어지고 있다. 이에 비하여 비산화물인 질화알루미늄의 경우 연구의 진척이 적으며, 최근에 이르러서 비로소 양산에 성공하여 매출이 발생한 것으로 알려져 있다. 그러나 선발 업체인 일본 업체의 원천특허에 가로막혀 기술개발에 많은 어려움을 겪고 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 디바이스 기판 응용 관련으로는 현재까지는 연구기관에 의한 연구결과는 축척되어 있으나 기업에 의한 산업화는 실적이 보고되어 있지 않다.

2) 질화규소
국내에서는 유일하게 재료연구소에서 반응소결 질화규소에 관한 연구를 수행해 오고 있다. 기업에서는 ‘고강도-고인성’ 구조세라믹 응용을 위한 부품사업은 소규모 형태로 보고되어 있으나, 기판 관련의 응용연구는 아직 실적이 전무한 상태이다.

4. 미래의 연구방향 및 제언

4.1 미래의 연구방향
이미 기술적으로 안정한 저출력 디바이스 이외에 다양한 장치설비에서 고출력 디바이스가 요구되고 있다. 이러한 장치의 기판 소재로는 종래의 저열전도성 고분자 소재를 대체하여 고열전도성 세라믹 소재가 적용되기 시작하고 있다. 기업 주도에 의한 전방산업(자동차, 반도체/디스플레이, LED 등) 위주의 투자 및 발전으로 현재의 국제경쟁력을 확보하고 있는 바, 국가 지원에 의한 고열전도율 세라믹 소재 후방산업의 원천기술을 확보할 경우 전후방산업 간의 거대한 시너지 효과가 기대 가능하다.

1) 고순도 실리콘 분말을 사용한 반응소결질화규소 제조
(일본)AIST 및 (한국)재료연구소의 연구결과에 의하면, 일정 범위 안에서 원료분말의 산소함량은 질화규소 소결체의 열전도율에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타난다. 그러나 산소를 제외한 불순물 금속이온의 영향에 대해서는 알려진 바가 전무한 상태이다.
태양광 산업의 견인에 의해 산소는 물론 금속이온이 극도로 제어된 Eight 9 급의 고순도 실리콘 분말의 수급이 국내에서 용이한 것으로 파악되고 있다. 이와 같은 고순도 실리콘 분말에 의한 반응소결질화규소는 고열전도율이 기대가 되고, 다른 한편으로는 불순물에 의한 비정질 입계상 또는 제2상의 생성도 최소화되면 고온 강도가 기존의 질화규소에 비해 우수할 것으로 기대된다.

2) 고열전도율 비정질 입계상 개발
이론적으로는 300W/mK 이상의 고열전도율을 갖는 c축 방향의 질화규소 결정과 비교하여 일반적인 비정질 입계상은 1W/mK 이하의 저열전도율 물질로 알려져 있다. 따라서 열이 전달될 때 열전도율이 낮은 비정질 입계상을 거치는 횟수가 많을수록 열전도율은 낮아지므로, 입계의 숫자를 줄이기 위해 강도 저하를 감수하면서 입자성장을 추구하는 공정을 선택하기도 한다.

비정질 입계상의 두께는 수 나노미터 이하이고 전체에서 차지하는 부피 분율도 결정입자에 비해 상당히 작은 편이지만, 결정입자와 결정입자 사이에 분포하여 연속체 형태로 존재하기 때문에 소재 전체의 열전도율에 미치는 영향은 부피 분율에 비해 상대적으로 클 것으로 추정이 된다. 따라서 결정입자의 결정성이나 입자크기를 제어하여 열전도율을 향상시키는 것에 비해, 비정질 입계상 자체의 열전도율을 제고하여 소재 전체 열전도율의 향상을 도모하는 것이 효과적일 수 있다. 예를 들어, 불화물계 유리에서는 70W/mK 이상의 열전도율을 나타내는 유리 조성이 보고되어 있다. 고열전도율을 갖는 유리의 조성이 필요조건이라면, 질화규소 세라믹스의 소결 조제로도 적합하여 고밀도 소결이 가능한 것은 충분조건이라고 할 수 있다. 두 조건을 모두 만족하는 비정질 입계상의 개발은 현재까지의 연구와 완전히 다른 방향에서 접근하는 새로운 시도로서 원천기술의 확보로 연결될 수 있을 것으로 기대된다.

4.2 정책적 제언

전력반도체 및 LED 조명 등은 그 자체로서 에너지 절약에 기여할 뿐만 아니라 시장규모 또한 세계적이기 때문에 수출에 의한 GDP 증진으로 이어질 수 있다. 특히, 반도체/디스플레이·태양광 발전·수송기기 산업 등 전방산업이 경쟁력을 갖춘 진용을 구축하고 있으므로 세라믹 기판과 같은 후방산업이 육성될 경우 전후방 산업 간의 시너지 효과의 극대화가 가능하다.

또한 일본의 연구기관·기업과 비교하여 10년 이상 차이가 나는 기술수준 및 산업화 수준이 발생해 있기 때문에 빠른 시간 안에 추격을 하고 나아가서는 앞서가는 경쟁력을 확보하기 위해서는 산·학·연 컨소시엄에 의한 목적지향적 집중투자에 의한 연구개발과 실용화만이 선택 가능한 유일한 정책이라고 판단된다.