생기원, 4원계 무연솔더 기술 개발

한국생산기술연구원(원장 나경환 www.kitech.re.kr)이 20% 이상 원료비가 적게 들면서도 품질이 우수한 4원계 무연 솔더 조성 개발에 성공했다.

생기원 이종현 박사팀은 최근 3년 간의 연구를 통해 기존 3원계(Sn-3.0Ag-0.5Cu) 조성을 완전히 대체할 수 있는 4원계(Sn-Ag-Cu-In)무연 솔더 조성 개발에 성공했다고 밝혔다.

무연 솔더(Pb-Free Solder)란 납(Pb)이 들어가지 않은 땜납 재료. 땜납 5천년 역사를 지탱해 온 것은 주석과 납으로 이루어진 Sn-Pb계 솔더였으나 최근 세계적으로 전자부품의 환경규제가 강화되면서 국내 부품업체들이 대비책 마련에 고심해 왔다.

특히 2006년 7월 1일부터 납 등의 유해물질 반입이 금지된 EU에 자동차, 컴퓨터, VCR, TV, 캠코더, DVD, 냉장고, 전자레인지, 세탁기, 청소기 등을 수출하기 위해서는 내부 PCB(인쇄회로기판)와 전자 부품 무연화가 필수적으로 요구되고 있다.

이 때문에 납을 포함하는 합금을 대신할 수 있는 다양한 소재 개발이 시도돼 왔으며, 현재는 주석(Sn) 기반에 소량의 은(Ag)과 구리(Cu)를 첨가한 조성으로 땜성과 기계적 특성을 확보한 무연 솔더로의 전환이 활발하게 이루어지고 있는 상황이다.

이종현 박사팀은 그동안 국내외에서 무연 솔더 합금 조성 방법으로 가장 흔하게 사용돼 온 Sn-Ag-Cu(Sn-3.0Ag-0.5Cu)의 3원계 조성을 Sn(주석)-Ag(은)-Cu(구리)-In(인듐)의 4원계 조성방식으로 대체하는 데 성공, 무연 솔더 시장의 품질 및 ·경제적 판도변화를 예고하고 있다.

Sn-3.0Ag-0.5Cu는 일본이 중심적으로 추진해온 대표 무연 솔더 조성으로, 일본 업체의 영업 전략에 귀속되면서 국내 시장 역시 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성으로 급속하게 재편된 바 있다. 하지만 뾰족한 해법이 없는 국내 부품소재 업체들로서는 3%의 로열티를 지불하면서도 3원계 솔더 방식을 사용할 수밖에 없는 처지다. 더욱이 최근 들어 금속 가격, 특히 은의 급격한 가격 상승까지 더해져 많은 부품소재 업체들이 삼중고를 겪고 있다.

이 때문에 전자제품 조립 산업 전반에 걸쳐 은 함량을 낮춘 솔더 조성을 적용해 가격 경쟁력을 높이려는 시도가 이뤄지고 있지만, 은 함량이 적을수록 습윤성(Wetability)이 떨어지는 약점이 있어 이 문제의 해결이 관건이 돼 왔다.

이종현 박사팀은 인듐(In)을 첨가해 은의 함량을 최소화하는 Sn-Ag-Cu-In의 4원계 조성 개발에 성공, 은 함량을 줄였을 때 발생하는 습윤성 문제를 해결했을 뿐만 아니라 이를 통해 약 20%의 원재료 가격 절감 효과까지 거둘 수 있게 됐다. 인듐은 융점이 낮고 습윤성과 연성이 좋은 희유금속(rare metal, 산출량이 적은 것에서 유래된 유용한 금속원소의 총칭)으로, 솔더 재료의 최대 사용국인 중국에서 가장 많이 보유하고 있으며, 최근 국내에서도 인듐의 리싸이클 공정 기술이 속속 개발되면서 국내 수급이 안정화되고 있는 상황이다.

이 박사팀이 개발한 4원계 조성 방식은 솔더 접합부의 대표적인 신뢰성 평가 항목인 열싸이클링 신뢰성 및 내충격 신뢰성 테스트에서도 기존 3원계(Sn-3.0Ag-0.5Cu) 조성보다 우수한 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이로써 무연 솔더 조성으로 요구되는 여러 가지 요건들, 즉 우수한 습윤성과 강도, 연신율, 피로특성 등의 기계적 성질 향상, 안정된 반응 특성, 저렴한 가격 등의 조건을 모두 만족시키는 기술 경쟁력을 확보해 현재 국내 특허가 결정됐다.

전 세계 무연 솔더 사용량의 약 1/5 이상을 소비하며 관련 재료의 중국 수출에 주력하고 있는 우리나라는 이를 통해 전자제품의 생산 경쟁력을 높이면서도 연간 약 60억 원 이상의 로열티를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

전자신문인터넷 이희영 기자 hylee@etnews.co.kr