[월요기획-파인세라믹]유비쿼터스시대 다듬는 `마법의 돌`

‘제3의 석기 시대가 온다.’

　수만 년 전부터 주거 및 생활용품으로 쓰이며 인류와 호흡을 같이해 온 세라믹이 파인세라믹의 등장과 함께 전기·전자에서 바이오·신소재까지 다양한 신영역을 개척하고 있다.

　파인세라믹은 무기 비금속 재료에 특정 성분을 추가·정제하거나 정밀 공정에서 작업해 원하는 특성을 극대화한 물질을 말한다. 세라믹은 서로 다른 여러 종류의 이온으로 구성돼 있어 이들의 다양한 조합에 따라, 또는 일정한 원자배열의 결함이나 불순물에 따라 독자적인 특성을 발현한다.

　파인세라믹은 특유의 폭넓은 기능성과 친환경적 특성으로 인간 삶의 전 영역을 풍요롭게 하는 각종 제품의 핵심 소재로 등장, 바야흐로 구석기·신석기에 이은 제3의 석기 시대를 예고하고 있다. 질그릇에서 시작해 현재의 전자부품, 인공 뼈, 환경·에너지 분야로 그 영역을 급속히 확대하며 기능성 필수 소재로서 중요성이 날로 커질 전망이다.

　1940년대부터 파인세라믹 특성을 체계적으로 연구, 콘덴서·저항·인덕터 등의 수동 부품을 제조하며 전자 부품·소재 산업이 일어났다. 또 세라믹의 압전성·반도성 등을 이용한 다양한 필터·센서가 개발돼 디스플레이·휴대폰 등 보다 고도화된 전자제품의 등장에 결정적인 역할을 했다. 현재 70% 이상의 전자부품이 세라믹을 소재로 하고 있다.

　◇제3의 석기시대를 여는 파인세라믹=20세기 후반 전자·정보통신 산업이 인터넷과 무선통신 기반의 새로운 생활문화 시대를 열어 주었다면 21세기는 유비쿼터스와 디지털 컨버전스를 추구하고 있다.

　이에 따라 제품의 소형·경량화를 위해 세라믹 멀티칩 모듈형(MCM) 융·복합 부품이 더욱 늘어날 전망이다. 또 2차전지·연료전지 등 에너지원의 소형·대용량화를 위한 세라믹 전극재, 소비전력 최소화를 위한 회로용 초소형 세라믹칩 제품은 물론 임베디드 및 SoP(System on Package)용 세라믹이 개발되고 있다.

　통신에서는 고선명 영상, 대화면의 고속 저장과 고정세 출력기기용 세라믹 부품·소재가 등장하고 에너지 측면에서도 효율과 청정을 동시 구현하기 위한 세라믹의 역할도 커진다.

　◇고집적화 핵심 소재=세라믹 소재는 무선 통신 기기의 심장과 핏줄 역할을 하고 있다. 광통신용 유리섬유는 초고속 통신의 신경과 핏줄이다. 휴대폰의 심장박동인 고주파를 만드는 것 역시 세라믹이다. 정밀 적층 기술인 저온동시소성기술(LTCC)은 디지털 기기의 소형·경량화를 주도하고 있으며 이를 위한 나노 분말 연구도 활발하다.

　또 세라믹 소재는 유비쿼터스의 길잡이 역할을 한다. 2010년에는 전자 부품의 집적도가 현재 ㎠당 최대 50개에서 5000개 이상이 될 전망이며, 이를 가능케 하는 복합 패키징 소재·공정 기술에 세라믹이 필수적이다. 이를 통해 유비쿼터스 사회 실현이 가능하게 된다. 3차원적으로 부품들을 실장, 집적도를 높이는 모듈화 기술도 고분자 재료 등 이종 소재와 세라믹스의 복합소재 개발이 필수적이며 박막 기술과 조화를 이룬 새로운 성형 및 적층기술 등의 개발에도 기존 세라믹 공정 기술이 결정적인 중요성을 가진다. 세라믹스 기술은 향후 유비쿼터스 시대 IT 핵심 기술인 것이다.

　디스플레이의 경우에도 LCD·PDP 모두 세라믹 소재의 유리기판과 투명전극을 사용하고 있다. 특히 PDP는 격벽·유전체·절연막·형광체·봉합재 등 전체 소재의 90% 이상이 세라믹이다.

　◇세라믹은 에너지 문제 해결사=차세대 에너지원으로 주목받는 고체 연료전지는 핵심이 세라믹이며 최고 1000℃에서도 작동되기 때문에 높은 발전 효율과 양질의 배기열을 얻을 수 있고 가스터빈에의 적용도 가능하다. 리튬이온 2차 전지의 양극활물질도 세라믹이며 현재 고용량·장수명화를 위한 신소재 연구개발이 활기를 띠고 있다. 청정 에너지에서도 세라믹이 핵심 부품·소재 역할을 하는 것이다.

　21세기 중반에는 고온초전도 세라믹스를 사용한 초전도케이블로 가정용 소형 전력저장 시스템이 구현돼 가정마다 전력 저장고를 두고 단거리용 송전이 가능해질 전망이다.

　또 각종 세라믹 센서 및 자가판단·자가제어용 지능형 세라믹이 홈오토메이션 제어 및 가정용 로봇의 음성·영상 제공에 활용돼 유비쿼터스 서비스 구현의 핵심 역할을 할 것이다. 향후 인공관절, 인공 뼈, 뼈 충진재, 바이오 시멘트 등의 생체·바이오 세라믹 사용도 확산돼 최고의 웰빙 상품으로 자리잡을 것이며 진단제나 치료제용 세라믹 활용도 늘어날 전망이다.

한세희기자@전자신문, hahn@