[화요특집] 전문가 기고 ``전자세라믹산업 현주소``

삼성전기 종합연구소 金宗熙부장(소재, 세라믹팀장)

1.서론

최근 첨단산업이 급속히 발전해가면서 세라믹스가 갖는 전자기적 특성의 이용 가능성이 확대되면서 전자세라믹스는 미래산업을 담당할 기초소재로 중요한 위치를 굳혀가고 있다.

80년대의 전자세라믹스계의 기술추이는 세라믹스가 갖는 다양한 전자기적 특성인 유전성, 절연성, 자성, 압전성 및 반도성 등 각 특성을 어떻게 정확히 구현하여 부품화하느냐가 가장 큰 주안점이었으며 세라믹소자의 형태는 삽입형 벌크형태가 주류를 이루었다.

그러나 80년대 후반부터 전자제품의 소형경량화가 급격히 진행됨에 따라 부품의 실장방법도 삽입실장에서 작업효율이 크게 향상된 표면실장으로 변화되었고 이에 따라 세라믹부품도 표면실장이 가능하고 실장밀도를 배가할 수 있는 육면체의 소형 칩부품 개발이 필요하게 되었다. 그리고 단순 벌크 칩 뿐만 아니라 3차원적으로 적층하고 전극을 인쇄에 의해 구성하는 적층화기술이 일본을 중심으로 실용화됐으며 적층기술이 부품의 소형화를 빠른 속도로 주도하고 있다.

또 90년대들어 이동체통신의 휴대용단말기기의 폭발적인 신장으로 소형화 및 경량화에 대한 요구는 단순한 적층화를 넘어서서 여러가지 기능을 적층기술과 박막기술을 이용해 단일소자로 구현하는 복합화기술의 실용화까지 예고하고 있다.

2.소재기술

전자세라믹부품은 결국 세라믹소재가 가지고 있는 특성에 의해 그 기능이 결정되므로 정확한 원료의 확보를 위한 소재기술은 가장 기본이 되는 기술이다.

80년대 중반까지의 벌크형태의 세라믹소자 원료 제조방법은 혼합분말의 소성전에 낮은 온도에서 하소공정을 행해 각 성분을 고상반응시켜 원료를 얻는 고상법이 주류를 이뤘으나 소자의 소형화에 따른 적층기술의 개발은 세라믹스분말의 입경을 종래보다 매우 작게 유지함으로써 좀더 박형의 소자를 제조하려는 요구가 대두되었다.

이에따라 0.1㎛의 미세분말을 얻기 위하여 저온에서 분말을 합성하는 액상법으로의 전환이 요구되고 있으며 현재 초산염법, 수열합성법 및 알콕시드법 등이 액상법으로서 실용화되어 세라믹분말을 양산하고 있다.

소재의 특성면에서는 소형화 뿐만 아니라 고압화 및 고주파화가 요구되고 있는 동시에 내부전극 재료를 값싼 소재로 대체하기 위한 저온소성 소재개발이 이루어지고 있다.

전자제품의 디지털화 및 소형화에 따라 사용빈도가 높아지고 있는 세라믹콘덴서의 경우 기초소재로 티탄산바륨의 비중이 대부분을 차지해 왔으나 대용량을 위한 고유전율계 및 저손실계 또는 높은 전압에서 사용가능한 고전계강도를 갖는 유전체 세라믹스의 필요성이 증대되면서 일본에서는 릴랙서(Relaxer)재료나 티탄산 스트론튬계 재료가 이러한 용도로 실용화되고 있다.

자성체 재료인 소프트 페라이트에서도 여러 용도에 따라 서로 다른 특성이 요구되고 있는데 FBT나 SMPS용으로 사용되는 Mn-Zn계는 저손실,고포화 자속밀도 등이,칩인덕터 및 EMI필터 등 칩부품으로 사용되는 Ni-(Cu)-Zn계는 저손실 및 고주파특성이 요구되고 있다.

세라믹필터,발진기 및 버저 등을 제조하는 압전재료로는 주로 PZT계에 Mg,Nb,Co,W 등 다양한 재료를 첨가한 재료가 일본의 여러업체에서 생산되고 있는데 제3성분의 첨가는 특성치 변화 뿐만 아니라 소결과정에서 PbO의 증발을 억제하여 소성에 의한 조성변화를 방지하는데도 그 목적이 있다.

3.적층 및 정밀인쇄기술

전자세라믹스 부품의 소형화에 획기적인 변화를 가져온 기술로 적층기술과 정밀인쇄기술을 들 수 있다. 대부분의 소자는 적층수가 많아지면 소자 용량이 커지기 때문에 정해진 부피에 가능한 많이 적층시키기 위해 얇은 층 두께와 좁은 선폭을 갖는 전극이 요구되고 있다. 현재의 국내 기술수준은 한 층의 두께를 8㎛까지 박층화할 수 있어 최대 1백50층 정도의 MLCC가 생산되고 있으나 선진국의 수준은 2.6㎛까지 가능한 것으로 알려져있다.

그림1은 적층기술에 의한 소형화의 일례로 벌크형의 권선형 칩인덕터를 적층화하였을 때의 두 소자의 내부구조를 비교한 것이다. 페라이트 코어에 동선을 감은 형태의 권선형은 2520(2.5x2.0㎜)형이 소형화의 한계로 알려져 있으나 적층형으로 제조했을시에는 1005형까지 소형화가 가능하다.

4.복합화기술

세라믹스 부품은 후막인쇄기술과 적층기술이 중심이 된 공정기술과 유전체,자성체 및 압전체들이 소재기술이 조화를 이뤄 소형, 경량화가 계속되고 있는데 MLCC의 경우 무라타가 0402까지도 개발했으나 인쇄 및 적층 공정기술과 실장기술의 한계로 아직 실용화되지 않고 있다. 그래서 일본의 각사에서는 단품소자의 소형화와 더불어 각 단품들을 복합화해 하나의 소자로 제조하는데 박차를 가하고 있다. TDK는 LCR수동부품들을 같은 온도에서 소성해 복합화한 소자 위에 IC나 다이오드 같은 능동부품을 얹어놓은 MHD(Multilayer Hybrid circuit Device)시리즈를 개발,생산중이며 무라타도 세라믹다층 기능성 패키지(Ceramic Multilayer Functional Package)라는 이름으로 이동통신용을 중심으로 한 복합부품군을 개발, 생산하고 있는데 TDK와 다른 점은 유전율이 다른 저온소성 유전체 기판위에 LCR성분을 인쇄하고 각층간을 비아홀(Via Hole)로 연결한 형태를 하고 있다. 마쓰시타전자부품도 고주파부품으로 미세인쇄기술을 이용한 복합부품인 적층 커플러 및 디바이더를 생산하고 있다.

또한 후막적층공정에 의한 소형화와는 달리 박막공정에 의한 수동 단일부품이 개발돼 회로의 정밀조정용으로 사용돼 왔는데 최근에는 이동체 통신단말기에 회로 내의 특정기능을 ASIC화하는 경향이 두드러지고 있어 수동부품기능과 능동부품기능을 박막공정을 이용,하나의 기판상에 구현하는 MMIC(MonoLithic Microwave Intergrated Circuit)기술개발도 활발히 진행되고 있어 가까운 장래에 많은 부분의 고주파부품이 이 방식에 의한 복합화가 이뤄질 것으로 예상된다.

5.향후과제

국내 전자세라믹스산업은 지난 수 십년간 꾸준한 발전을 거듭하여 1조원의 시장으로 성장하게 되었고 앞으로도 고속성장이 기대되는 분야이다. 하지만 제품구성면에서 보면 전자세라믹스가 가지고 있는 다양한 특성을 이용,전문화하지 못하고 매우 복잡한 제품군을 갖고 있으며 이로인해 전면적인 시장대응에 어려움을 겪고 있다.

일본의 경우 무라타는 유전체의 소재기술을 바탕으로 MLCC, 세라믹필터 및 이동통신용 필터를,TDK는 자성체기술을 기반으로 한 기록 미디어,페라이트 코아 및 칩인덕터군을,교세라는 절연체 적층기술 PGA 등의 패키지제품군에서 세계기술을 주도하고 있다.

이는 앞에서 언급되어진 정확한 소재기술을 바탕으로 새로 개발한 적층인쇄 및 박막기술 등 공정신기술의 착실한 기반을 모든 세라믹소재에 적용함으로써 제품의 다양화를 꾀한 결과이며,장기간에 걸친 꾸준한 연구개발 투자의 산물이다.

또 한가지 요인으로는 일본의 대기업과 중소기업간의 합리적이고 적절한 분업의 결과라고 할 수 있다. 대기업만이 모든 소재와 공정기술에 대응하는 것이 아니라 소량특화된 제품이나 공정을 이용하는 균형있는 협조관계가 형성돼 있다. 이러한 기업간 분업없이는 다품종산업인 전자세라믹스의 총체적인 발전은 기대하기 어려울 것이다.

국내 전자세라믹스계도 지난 80년대 중소기업규모에서 산업고도화에 따른 대기업과 중소기업이 공존하고 있는 상황에서 일본을 추월하기 위해서는 대기업은 학계 및 연구계와 연계된 선진기술의 적기 개발과 양산기술의 조기확보로 세라믹 부품의 다품종화 요구에 적극 대응해야 할 것이며 중소기업도 특화된 제품 및 기술에 대한 확고한 기반을 조속히 구축해야 할 것이다.