세라믹 신뢰성향상 지원사업 현황

세라믹 신뢰성기반구축사업 현황

최형석 요업기술원 신뢰성평가분석센터 선임연구원

1. 신뢰성의 개념 
신뢰성이란 제품이 주어진 환경 하에서 일정기간 동안 최초의 품질과 성능을 유지하는 특성을 말하는 것으로서, 하나의 제품을 얼마나 오랫동안 안심하고 사용할 수 있는가를 정량적인 수치로 표현하여 ‘제품에 대한 믿음의 정도’를 나타낸 것이다. 
약속을 잘 지키거나 언행이 일치하는 사람을 보통 신뢰성이 있는 사람으로 인정하듯이 고장이 잘나지 않고 오래 쓸 수 있어 소비자가 만족하는 제품을 신뢰성 있는 제품이라 말할 수 있으며, 이러한 신뢰성은 오랜 시간 동안 축적되어 온 산물로 일시에 형성되거나 무너지지 않는 속성을 지니고  있다.  따라서 제품의 신뢰성은 보이지 않는 요소기술 등이 얼마나 내실 있게 축적되어 왔는가에 달려 있다고 볼 수 있다.

2. 세라믹(소재) 신뢰성의 중요성
신뢰성은 제품의 수명기간 동안 고장없이 일정기간 동안 사용할 수 있는 특성으로 제품의 설계단계에 미리 반영되어야 할 기본사양으로 선진국과 후진국의 기술수준을 차별화하는 질적 척도로 활용되고 있으나, 성장위주의 발전을 거듭해온 국내 산업구조는 설계기술의 대외 의존성이 높아 원천기술인 신뢰성수준은 선진국대비 상당히 낙후되어 있는 실정이다.

·후진국 : 기술도입 → 조립생산기술 확보에 주력 → 압축성장
   → 원천 설계기술 미확보 → 하청생산기지화
·선진국 : 설계＋생산＋신뢰성평가 → 꾸준히 세계일등 상품
   창출 → 고정고객 증가 → 성장잠재력이 확대 재생산

또한 부품과 소재의 신뢰성은 개념과 접근 방법에서 차이가 난다. 일반적으로 소재의 경우 부품 신뢰성보다 향상시키기가 난해하며 그 이유는 다음과 같다.
첫째로, 소재 수명 예측의 난이성 문제이다. 신뢰성의 최종 목표는 실사용 조건에서 제품의 수명을 정확히 예측하는 것으로서 소재의 경우 사용 범위가 광범위하여 많은 Back Data가 필요하다. 둘째로는 소재의 성능 여부를 측정하기가 어려우며 셋째로는 소재 신뢰성 시험의 경우 부품보다 장기간의 시간과 노력이 소요되며 분석 후 대책 적용도 더욱 어렵다. 부품과 소재의 신뢰성 차이는 표 1과 같다.
일반적으로 제품의 고장 원인은 공정불량, 설계불량, 소재 불량으로 나뉘며 위와 같이 소재 신뢰성의 어려움 때문에 저품질/저가의 제품은 공정 불량과 설계 불량이, 고품질/고가의 제품은 소재 불량이 주요 고장 원인이 된다.(그림 1 참조) 따라서 제품의 기술이 발달되고 신뢰성이 향상될수록 최후에 남는 것은 소재의 신뢰성 문제이다.
3. 신뢰성향상정책의 필요성
미국의 경우 미사일개발과 같은 군수분야와 우주개발과 같은 공공분야에서 첨단기술 개발 및 적용하는 과정에서 어느 정도 믿을 수 있는가를 정량화하고자 신뢰성평가기술이 필요하게 되었으며, 2차 대전 당시부터 군사·우주항공 분야에서 개발된 신뢰성기술이 최근 민간으로 급속히 이전되어 세계 최고의 신뢰성평가관련 기술을 보유하게 되었고 세계일류상품 개발에도 적극 활용되고 있으며, 기업의 최대 노하우로 집중 관리되고 있는 기술이다.  일본은 1970년대부터 전자제품, 자동차를 중심으로 신뢰성평가기술에 집중 투자하여 신뢰성기술 선진국의 지위를 확보하고 있다.  미국내 일본차의 시장점유율이 25%까지 육박하는 것은 오래 타도 고장이 없고 수리가 적게 들며 되팔았을 때 적정가격을 받을 수 있기 때문이다.

◈ 신뢰성 부재 → 각종고장 발생 → 원인분석 불가 → 보완 설계 불가능 → 원천기술 재도입 → ‘1등 상품 창출불가’의 악순환이 반복
◈ 신뢰성에 대한 안일한 인식이 세계일류상품과 국산제품에 ‘보이지 않는 기술격차’를 만드는 핵심 요인

4. 세라믹 분야 신뢰성기반구축 현황
가. 신뢰성향상사업 추진체계
정부에서는 산업계의 신뢰성 향상을 위해 신뢰성향상사업을 추진하고 있다.
본 사업의 총괄관리기관은 기술표준원이, 지정평가기관은 요업기술원 등 18개 연구기관이 중심이 되어 신뢰성인증사업을 추진하고 있다.(그림 2) 요업기술원 신뢰성평가분석센터는 세라믹 소재 분야의 지정평가기관으로서 세라믹 관련 기업의 신뢰성 향상을 지원하고 있다.

나. 신뢰성평가기준 제정 및 신뢰성인증 현황
요업기술원은  가전제품용 석영관히터 등 9개 핵심품목(표2)을 대상으로 신뢰성평가 기준개발 및 신뢰성평가·인증에 착수하였다.  신뢰성평가기준은 부품·소재의 품질성능 뿐만 아니라 내구수명 또는 고장률 data를 산출하기 위한 시험방법 및 평가기준이 포함되어 있으며, 또한 평가기준 제정에 관한 근거를 해설서에 삽입하여 신뢰성향상의 기초자료로 활용되고 있다.
이와 함께, 지속적으로 신뢰성인증사업을 추진하여 현재까지 열전냉각소자 등 3건에 신뢰성인증서를 수여하였으며, 신뢰성평가대상품목으로 지정된 9개 품목에 대하여 신뢰성평가 장비 등 인프라 구축에 박차를 가하고 있는 동시에 신뢰성평가도 병행하여 향후 신뢰성인증 업체의 수는 상당히 증가될 것으로 판단되며, 신규시장진입 활성화 및 국산제품의 신뢰성수준을 수요업체에 널리 알릴 수 있는 계기가 될 것으로 생각된다.

다. 신뢰성평가장비 구축현황
제품의 수명 및 고장률 예측시 가장 중요한 기반중의 하나가 관련 평가 장비 구축정도이며, 요업기술원 신뢰성평가분석센터에서는 지금까지 신뢰성평가 장비는 2001년 시범사업을 포함하여 ‘05년사업(’06. 4월 완료)까지 진동시험기 등 총 82대를 구축 완료하였다.(표 3) 
평가 장비 구축시 성능평가 장비는 최대한 억제하고 환경시험 및 신뢰성시험에 직접 소요되는 장비위주로 구축하고 있으며, 신뢰성평가 장비에도 관련 평가기술에 관한 노하우가 상당히 내포되어 있어 평가장비 개발에 집중노력을 하고 있다. 또한 수명예측을 위한 장비개발에도 박차를 가하여 평가센터가 자체설계(제작)하는 장비의 수도 증가되고 있는 추세이다. 
5. 전망
기존에 완제품 조립 및 생산 위주의 국내 산업이 고부가가치 산업으로의 전환이 시급한 실정이므로 제품의 신뢰성 확보는 향후에도 계속 중요성이 높아질 것으로 전망된다.  고장분석 또는 고장물리(Physics-of-Failure)의 중요성이 커지고 있는 요즘 추세에 발맞추어 요업기술원 신뢰성평가분석센터는 기존의 가속수명시험과 고장물리 기술을 동시에 발전시켜 Field 고장 발생 및 Claim 발생 시의 고장 분석 기술, 제품 신뢰성 평가 및 인증을 위한 신뢰성 시험 기술 등 기업의 신뢰성 향상을 위한 One-Stop Service 체제를 갖추고 있다.
세라믹 산업의 경우 다품종 소량 생산의 특성을 가지고 있으므로 기업에서 신뢰성 향상에 투자하기가 매우 어려웠으나 이러한 신뢰성 장비 및 전문 인력의 집적화를 통하여 이상과 같이 국내 산업구조를 한 단계 높이고 국산제품의 신뢰성향상을 위한 다양한 지원을 추진 중에 있으므로 신뢰성평가·인증에 대한 산업체의 더욱 더 많은 관심을 기대한다.

표 1. 신뢰성 관점에서 소재와 부품의 차이
 구분                              소재                                       부품
 측정 Point                      물성                                      기능성
                   기능 미달, Defect, 물성의 경시 변화,     기능 미달, Defect,
 고장 원인    노화, 열화, 배합조성 불량,                    물성의 경시 변화,
                  제조방법·공정편차,                              노화, 열화, 설계 불량,
                  Source별 물성 편차                                  공정 편차
 측정 단위    Lot별, 공간별 소재 특성 변화              관찰시간축 성능의 변화 관찰
 관리 Point    재현성, 작업성, 안정성, 경시성                      수명
 접근 방법    Quality& Reliability                                    Reliability

사진1 고장분석실
사진2 환경실험실

표 3. 신뢰성평가장비 구축현황
        분야        ’01  ’02  ’03  ’04 ’ 05    합계       주요장비명
 환경시험장비          6    8     6    2      22        열충격시험기
 고장분석장비    4     2    2     3    2     13        초음파 탐상기
 신뢰성평가장비 2     6    5     7    3      23       열화상 측정기
 기타장비          8     3    4     -    9      24      DC Power Supply
        계           14    17   19   16  16     82

필자약력
건국대학교 이과대학 물리학과 학사
연세대학교 이과대학 물리학과 석사
대우전자 품질신뢰성연구소
요업기술원 신뢰성평가분석센터 선임연구원

세라믹 신뢰성향상 지원사업 현황

광소자용 마이크로 전자냉각모듈의 신뢰성 향상

황창원 공학박사 (주)제펠 대표이사

1. 광소자용 마이크로 전자냉각모듈의
   특성 및 사용 환경
고집적 반도체에 의한 전자부품의 소형화와 고성능화를 추구하는 최근의 전자 device 기술에 있어서 열의 발생에 의한 잡음의 생성과 출력특성의 저하는 가장 큰 문제점이 되고 있으며 특히, WDM-PON의 핵심부품인  Laser Diode에서는 온도의 상승에 따라 band gap 에너지의 감소로 스팩트럼의 분포가 장파장으로 shift되며 threshold 전류 값이 증가되어 시스템의 안정성이 문제가 되고 있다.
이러한 현상은 광파장 관련 거의 모든 디바이스에서의 공통적인 현상이다. 한 예로, Fig. 1-1에 AlGaAs계 LD의 온도에 따른 출력 특성을  나타내었다. LD의 출력 안정성과 파장 정확도를 유지하기 위해서는 laser diode의 동작온도를 항온제어 하여야 함을 알 수 있다.
이의 해결책으로 열전반도체 소자에 의한 국부냉각이나 항온제어가 효과적인 요소기술로 응용되고 있다. 전자냉각모듈은 직류전원의 극성을 바꿈으로써 단일 소자로 디바이스를 냉각 또는 가열하는 것이 가능하며, 온도제어회로를 부착함으로써 디바이스의 온도를 ±0.01℃ 범위로 정밀하게 항온 제어하는 것이 가능하다.
2. 전자냉각모듈과 신뢰도 특성
가. 전자냉각모듈의 고장모드
전자냉각모듈(Peltier cooling module)은  열전반도체 소자를 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬로 접합하여 모듈화한 열전변환 소자로써 직류전류를 흘렸을 때 나타나는 Peltier 효과를 이용하는 반도체식 냉각소재이다.
열전냉각모듈은 그 자체가 모듈화된 전기적 회로이므로  냉매 압축식 냉각과는 달리 기계적 구조물이나 배관이 없는 것이 특징이다. 따라서 소형 경량을 요하는 각종 산업용 냉각기나 특정 부위의 온도를 정밀하게 냉각 제어하기 위한 용도 등에 효과적으로 활용되고 있다.
특히, 최근의 가정용 냉수기, 소형 냉온장고, 개인휴대통신 기지국 냉방장치, 컴퓨터 CPU 냉각기 등의 민수 산업 부분에의 응용뿐만 아니라 의료기, 과학기재, 항공, 방산 분야 등에도 활용이  유망한 전자 부품이다. 그러나  전자냉각모듈은 냉각과 가열을 한 디바이스에서 동시에 수행하는 특수한 기능상 가동 중에 부품자체에서의 온도차에 의한 사용재료의 열팽창계수의 차이에 따른 재료의 구조적 특성에 의하여 사용이 제한적인 경우가 빈번하다. 또한, 작동 시에 냉각면의 저온 상태는 주위로 부터의 수분을 응축되게 하여 모듈의 접합면에 부식을 촉진시키는데 이러한 고장의 형태는 상태 온도와 구성재료 간에 작용되는 화학적 반응과정으로 볼 수 있다.
따라서 기계적 충격이나 스트레스성이 아닌 정지상태의 전자부품의 고장은 흔히 온도와 습도상태에 따른 재료의 산화, 확산 등 화학작용에 의하여 금속전극 부분의 부식으로 접촉상태가 불량해지거나 재료의 변질로 인하여 초기 설계치와는 다른 여러 가지 전기적, 기계적 이상 현상이 발생한다.
화학적 작용에 의한 재료의 열화 현상은 결국 기계적 강도를 약화시키는 요인이 되므로, 기계적 고장이 수반된 전자부품에 있어서도, 온도에 따른 열화 속도를 가속화 실험을 통하여 구하고 제품의 신뢰도를 예측한다는 것은 타당하다고 본다. 전자냉각모듈에 있어서의 고장모드와 그 특징은 다음과 같이 정리할 수 있다.

.단락(short) 
조립 불량, 제조불량, 접속불량(전자 냉각모듈과 리드와이어 soldering)시 잔류 solder에 의한 간헐적 작동 불량 및 전극에 의한 단락.
.저항 및 Z값의 변화
열전재료는 사용 시간의 경과, 사용환경(온도, 습도), 열 및 기계적 stress에 의해 저항 및 성능지수 값의 변화를 가져올 수 있다.
.저항 및 Z값의 변화에 의한 고장판정기준
전자냉각모듈의 초기 저항 및 성능지수(Z)는 초기 값의 5% 초과 변화시 또는 흡열량의 15% 초과 변화를 고장으로 판정한다.
.부식(Corrosion)
동작시 저온부 전극에 응축되는 수분과 solder flux중 잔류 염에 의한 부식이 가장 큰 원인되고 있다.
.Crack 및 파괴
열적 피로(thermal stress)와 기계적 진동으로 인한 접합부위의 파괴와 열전재료(thermo-element)의 crack.

나. 신뢰성 향상을 위한 환경 및 조건
전자 냉각모듈의 신뢰성 향상을 위해서는  제품의 적용환경에 대한 다음과 같은 조건을 고려하여야 한다.  

1) 제품의 적용 환경에 대한 고려
① 온  도
사용 환경온도와 전자 냉각모듈의 동작 온도가 중요하며 화학반응속도는 고온에서 클 것이기 때문에 특히 제품의 hot side 온도 상태가 제품의 수명에 지배적인 영향을 줄 것으로 본다.
전자냉각 모듈에 있어서 온도는 사용 환경온도와 부품 내에서의 온도 분포에 따른 문제로 구분 할 수 있다.
사용 환경온도는 일반적인 전자부품의 수준과 동일한 수준을 설정하는 것이 타당하며 생산기술적인 문제에도 특이 사항이 없으나 부품의 내부에서 온도 분포에 따른 문제는 전자냉각모듈의 신뢰성을 다루는 입장에서는 중요한 변수가 된다. Fig. 2.1, 2.2, 2.3은 전자냉각모듈에 있어서 작동 시에 나타나고 있는 온도 분포와 구성 재료의 열팽창에 따라 일어날 수 있는 제품의 변형과정을 표시하고 있다.
이러한 온도 구배에 따른 고장률을 줄이기 위하여 Fig. 2.3과 같이 전극과 전극기판(세라믹)간의 접합을 폴리머 완충재로 접합하고 thermo-element의 접합면은 생산 과정에서 수 미크론의 Mo층을 형성시킨 재료를 사용할 수 있다.

② 기계적 충격과 진동
전자냉각모듈은 소형 냉각디바이스로서 휴대용 각종 장치에의 활용이 많고 중력(gravity)과는 무관하게 작동시킬 수 있다는 장점 때문에 항공기 등의 비행체와 운동체에 적용 사례가 많다.
이에 따라 사용 환경에 있어 충격과 진동에 대한 내구성이 요구되며 전자냉각 모듈의 산업용 표준은 RSL0002에서의 요구 수준은 다음과 같다.
Thermo-element와 전극과의 접합에 사용하는 solder는 Fig.2.4 와 같이 Bi-Sn eutectic solder를 많이 사용해 왔으나 이것은 융점이 낮고 깨지기 쉬운 성질이 있다, Pb-Sn 공정솔더는 융점도 높고 충격에도 강하여 적요하기에 적합한 재료이나. Bi-Te계의 열전재료에 wetting이 잘 되지 않는다. 따라서 thermo-element 접합표면에 Ni과 Sn을 코팅하여 사용함으로써 솔더의 wetting성을 높이고 Pb 원자의 확산을 방지하게 한다. 
 
③ 모듈의 입력 전원
전자냉각 모듈의 입력 전원은 사용되는 열전재료의 특성과 thermo-element의 배치 상태에 따라 크기가 변하며 입력 파워 level과 on/off cycle에 따라 모듈의 수명에 영향을 줄 수 있다. 입력의 단속은 냉각모듈에 있어 thermo-cycle을 직접 가해주는 것이기 때문이다. 마이크로 전자냉각모듈의 사용 전압범위는 0~3.0(V)로써 TTL 및 C-MOS 계의 전자 부품의 사용 전압 범위로 설계하는 효율적이다. 

④ 습도(humidity)
공기 중에 노출된 상태에서의 모듈의 작동은 cold side에 수분의 응축을 유발하고 이것은 곧, 전극 부식으로 이어 진다. 따라서 제품에서는 수분침투의 원인을 차단하기 위하여 방습 실링을 하거나 폴리머 코팅 법을 이용하며, 사용공간을 차폐 처리하여 사용하여야 한다. Fig.2.5는 신뢰성 향상 연구를 통해 적용된 폴리머 코팅상태를 나타낸다. 관찰에 의하면 전자냉각 모듈의 저온 부위에 응축되는 수분은 전극접합부에서 부식과 함께 접합저항을 증가시킴과 동시에 높아진 전기저항성분은 Joul 열을 유발시켜 냉각 모듈의 흡열량과 수명을 단축시키는 작용을 한다.

3. 가속화 시험
제품의 신뢰성 검증을 위한 전자냉각모듈의 동작환경은 적용되는 제품에 따라  차이가 있다. 따라서 전체 환경을 고려하는 범위에서 가속화 시험의 조건 수준을 정한다.

가. Power Cycle조건 및 수준
Power Cycle은 전자냉각 모듈의 hot side temperature(Th)와 cold side temperature(Tc)가 20℃와, 90℃를 연속으로 교차하여 Bi-Te 저온용 냉각 재료의 통상의 최대 온도차 70℃ 의 온도차 stress를 가하며 이때 통전 전류의 크기는 최대 thermal stress를 유발시키는   최대 전류조건(Imax)으로 주기는  1분으로 설정한다. 이것은  hot side의 온도 수준은 통상의 사용온도 수준인 50℃에부터 burn-out 위험 수준인 100℃ 까지 수준을 고려하는 수준의 가속화 시험조건이다.       

나. Continuous Operating
연속 가동 시험은  hot side 온도조건에서 최대전류(Imax)로 최대 부하를 가한 상태로 작동을 지속시킨다.  제품의 일반적인 가동 상태는 최대 부하의 50% 범위에서 60℃ Th이다. 

다. High Temperature Storage
Storage Temperature  최대 85℃.

라. 시험Data의 정리와 평가방법
전자냉각모듈의 성능은 Figure of Merit( Z= α2σ/κ) 으로 평가되며, 이 값은 AC에 대한 고유 저항값에 기인되지만 직접 측정은 측정 시간이 오래 걸리고 측정 오차가 크다.
따라서 측정의 오차를 최소화 할 수 있고, 비교적, 측정이 간단한 AC 저항 값과 전압, 그리고 온도차(Deta T)에 대하여 Nomalized Degradation Rate(NDR)을 Plot 한다. 이것은 제품의 기능이 유효한 수준까지의 조건과 경과시간에 대한 열화 속도를 분석함으로써 내구성을 평가할 수 있는 기초방법이 된다.

① FMA(Failure Mode Analisys)
전자냉각모듈의 고장모드는 두 가지로 분류할 수 있는데, 첫째는 AC resistance의 변화로 측정되는 Random failure이며, 이는 TE 모듈의 performance변화를 직접적으로 의미하는 것은 아니다. 또한 모듈을 포함한 customer package가 정해진 Spec.을 벗어나는 경우를 기준으로 하는 Wear-out Failure Mode로 구분할 수 있다고 본다.
Failure Mode 분석에 따른 Random failure의 지배적인 failure Mode는 Fig.3.1(a)과 같이 열전소자재료(TE Material)와 Ni의 interface에서 열저항에 의해 생기는horizontal cracks에 의한 것일 것으로 판단된다. 또한 N type 재료의 경우에서는 Fig. 3.1(b)와 같이 결정의 재배열로 인하여 Angular Cleavage도 발생하는 것으로 보고되고 있다.
Wear-out Failure Mode의 분석에서 샘플의 성능은 정규분포에 따라 일정한 속도로 퇴화된다고 볼 수 있는데  이것은 Voltage의 변화와 Delta T의 변화를 측정함으로써 알 수 있다. Voltage와 Delta T의 NDR(Normalized Degradation Rate)을 통해 얻는  Failure Mode의 분석에 따른 Wear-out Failure의 지배적인 Failure Mode 분석을 위한 시험배치 및 평가 방법은  다음과 같이 실시한다.
4. 신뢰성 향상 프로그램 추진 결과와 효과
전자냉각모듈은 전기적 열적 기능을 동시에 수반하는 특수한 구조의 전자부품으로서 요구 신뢰성이 높게 요구되는 부품임에도 1993년 국내 첫 생산 이래  현재까지 충분한 품질검증과 선진국 수준의 품질을 보증할 수 없어 첨단산업분야에의 수요에 대응이 어려웠다.
‘신뢰성 향상 연구 사업’을 통하여 전자냉각모듈의 제조 시스템(재료, 공정, 평가)과 완제품에 대한 신뢰도를 확보하고 객관적으로 정량화 할 수 있었다. 신뢰성 향상 프로그램을 통해 품질이 강화된 마이크로 전자냉각 모듈은 LD can 및 적외선 센서 항온 패키지에 적용하여 device의 항온제어를 구현할 수 있었으며 한 예로 WDM-PON 시스템인 FTTH(댁내광통신망) 사업에 필수적인 광파장 안정화 모듈을 성공적으로 개발 공급이 가능하였다.
외부 동작환경에 대한 신뢰성이 높게 설계된 항온 팩키지는 -20℃에서 65℃ 환경에서 설정온도 제어를 만족하였다.   Fig. 4.2는 신뢰성 향상 프로그램 추진의 성과로 개발된 마이크로 냉각모듈을 이용한 헤더와  WDM-PON에서의 사용의 실례이다.

Fig. 1.1. Temperature dependence of optical power and wave length of LASER diode 
Fig 2.1. Relative temperature gradient in TEM

Fig. 2.2. The heat flux and thermal resistance in thermoelectric cooling module.

Fig. 2.3. Photographs on cross section of π-type thermocouple: (a)Metal joint type, (b)Polymer     buffer type buffering substrate
Fig. 2.4. Solder material  using in TEM

Fig 2.5  Anti- corrosion technology by polymer coating

Fig 3.1  Failure types by mechanical fatigue in thermoelement

Fig. 4-1. Variation of internal resistance with the accelerated thermocycle.

Fig. 4.2 TEC cooling header for photo-electronics

필자약력
아주대학교 재료공학 공학박사
(주)써모텍 부장
(주)제펠 대표이사

세라믹 신뢰성향상 지원사업 현황

탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가

이해철 매직유라(주) 부설연구소 선임연구원

1. 배경 및 목적
중소기업에서 부품·소재의 신제품을 개발할 경우 신뢰성(Reliability) 확보 문제는 해당 기술 분야의 선도적 역할과 제품 사용 시의 안전성 측면에서 대단히 중요하기 때문에, 부품·소재의 고장 원인 분석과 수명예측 등을 통해 신뢰성 향상을 목적으로 2003년부터 산업자원부에서 추진하고 있는 ‘중소기업신뢰성향상지원사업’을 통해 신뢰성 평가기준과 제품의 품질보증 및 기술향상으로 국제 경쟁력 강화, 제품의 고신뢰성 달성이 절실한 실정이다.
아직까지 국내에서 개발된 국산화 제품이 국내업체들 조차 사용을 기피하는 가장 큰 이유 중의 하나가 국산 개발 제품의 신뢰성에 대한 불확실성 때문이다. 그로 인한 국산 부품·소재의 불신 팽배는 사용기피 현상으로 이어지고 국산 부품·소재에 대한 신뢰도 약화, 개발된 제품의 사장, 기술개발 저조로 이어지는 시장 악순환 구조에 따라 해외수입증가와 무역적자를 확대시키고 있다. 만성적인 대일 무역적자의 대부분은 부품에 기인하고 있다.
제품이 개발되는 과정은 제품 Spec을 결정하고, 제품설계, 제작 및 조립을 한 후에 내구시험, 환경시험, 가속시험 및 성능시험 등의 각종 시험을 수행하고 이러한 과정 중에서 나오는 각종 기술적인 문제점을 수정 보완하는 피드백 사이클을 거친 후에 최적의 설계 도면이 완성되고 이렇게 완성된 제작사양으로 대량생산에 착수해야 한다. 그러나 국내의 대부분 부품·소재 업체들은 각종 검사 및 신뢰성시험 없이 바로 제품을 생산하기 때문에 수요자의 입장에서는 국산화된 제품의 신뢰성을 믿지 못하여 구입하지 않고 외국의 검증된 고가의 제품을 수입하는 악순환이 계속되고 있다. 이와 같이 신뢰성에 대한 불신감은 부품·소재를 국산화하고 우수제품으로 제작하여도 판매를 못하는 현상이 발생하게 된다.
탄소계 면상발열체의 경우, 기존의 금속발열체로 적용하기 힘든 저출력, 박막저온영역대(Watt 밀도 0.5W/cm2 이하)의 신개발품으로서 초기 등장 이후에  다수의 동종업체가 생기기 시작하여 현재 4~5개 업체에서 개발·생산하고 있다. 그러나 면상발열체의 인지도 부족과 신뢰성 분석의 미비, 평가기관 및 평가기준과 관련 법규 부재 등의 환경 속에서 유사제품 및 개발단계의 시제품들이 시장에 난립되면서 제품에 대한 신뢰성이 매우 낮은 실정이다. 또한 현재의 신뢰성 평가기술 취약점으로는 제품의 합격 불합격을 판정하는 성능검사 위주로 진행되고 있고, 판정에서 불합격이 나오더라도 원인에 대한 규명 등의 신뢰성 개선이 이루어지지 않아 빈번한 고장 발생과 제품의 품질 재현성(Reproducibility)을 보증할 수 없는 실정이다.
이러한 이유에서 면상발열체 분야에서도 신뢰성 평가, 분석, 개선하는 시스템을 구축하여 제품의 평가 및 보증뿐만 아니라 업체의 제품 제작기간 단축 및 개발기간도 단축할 수 있는 시스템의 구축이 필요하다. 면상발열체 신뢰성 시스템 구축을 통해 사용에 따른 위험을 제거함으로써 신뢰도 확보, 저렴한 국산 발열체 구매 및 수입대체에 따른 비용절감 효과, 고장 발생 시에 신뢰성 평가기관의 원인분석을 통한 동일사고 발생 예방이 가능하다.

2. 응용분야 및 시장동향
일반적으로 탄소(Carbon)는 용융점이 높고 열팽창 계수가 작으며 가공성이 우수하고 고온에서의 안정성이 뛰어나면서도 우수한 전도성을 함유하고 있기 때문에 다양한 형태의 발열체로 사용되고 있다. 탄소를 이용한 발열체는 Carbon paste 또는 Carbon fiber를 적당한 형태로 가공한 후 가공된 면상의 발열부 양단에 전류를 흘려 고온으로 발열되어 피처리 물체의 온도를 원하는 값으로 유지하게 된다.
그림 1에 탄소계 면상발열체의 개략도를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 카본계 면상발열체는 열원으로는 탄소섬유나 카본블랙 등의 페이스트를 섬유나 부직포 등에 가공하여 면 형태를 형성하고 그 양단에 전기를 통전할 수 있도록 동테잎과 실버페이스트 등을 부착한다. 또한 전기절연 및 기계적 강도, 내구성 등을 위해 양면을 절연소재로 코팅(Coating)하는 것을 기본 구조로 한다. 이때 발열원의 구성방법과 절연소재의 특성에 따라 코팅 공정의 차이가 발생하는데, 현재 시중에 많이 유통되고 있는
- 탄소페이스트를 발열체로 하여 PET나 PEN의 한 면에 증착(Plating)한 후 이 측면에 아크릴접착제 등이 도포된  PET, PEN 등을 다시 롤러프레스(Roller fusing press)로 열가공하는 필름형 히터
- 카본사 수천가닥을 꼬아 섬유와 사출성형하는  섬유직조형 히터
- 탄소섬유를 부재(部材)와 함께 슬러리(slurry)상에서 분산성형 또는 부재에 코팅한 후 Hot Press로 양면에 에폭시 또는 우레탄(TPU) 등의 절연재를 라미네이팅(Laminating)하는 에폭시/우레탄 히터 등이 대표적인 면상발열체이다.
탄소를 이용한 발열체는 여러 분야에서 다양한 형태로 사용된다. 예를 들면 바닥난방, 개인용 온열히터, 제습·보온장치, 전기온수기 또는 온풍기, 전기매트나 난방장치에 이용되는 면상 발열체 등이 있다.
전기에 의한 가열은 많은 분야에서 이용되고 있다. 전기가열의 주된 특징으로
①저온역의 가열부터 연소가열로는 달성할 수 없는 고온까지 폭넓은 온도역을 Cover 할 수 있다는 것
② 가열 온도를 고정밀도로 제어할 수 있다는 것
③ 높은 가열 효율을 얻을 수 있다는 것
④ 연소에 의해 생기는 CO2,SOx,NOx 등의 배출이 없다.
⑤ Maintenance Cost나 재료 Loss를 삭감할 수 있다
전기 가열은 이와 같은 특징을 활용하여 최근에는 여러 가지 산업 분야에서 이용되고 있다.
표 1에 면상발열체의 품목별 응용분야 예를 나타내었다. 탄소계 면상발열체의 경우에는 표 1에 보는 바와 같이 적용분야가 매우 광범위하지만 부품·소재 제품이고 아직까지 통일된 산업분류체계 품목으로 식별되고 있지 않아 산업현황 파악이 어렵기 때문에 가정용 전열기 분야만의 수출입 통계표를 표 2에서 표 4까지 나타냈다.
3. 신뢰성 절차 및 시험
신뢰성은 아이템이 주어진 기간 동안 주어진 조건에서 요구기능을 수행할 수 있는 가능성을 말하는 것이다. 아이템의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 설계나 제조단계에서부터 발생 가능한 고장에 대하여 철저히 대비해야 함은 물론 제조 단계나 후에는 신뢰성 시험을 수행하며, 사용자도 무리하게 또는 의도한 목적이외로 사용을 해서는 안되며, 예방정비를 하는 등의 노력을 기울여야 한다.
일반적으로 시험은 기능 환경시험, 신뢰성시험 및 안전시험으로 구분할 수 있다. 기능 목표로 하는 아이템의 기능과 성능이 구현되었는지를 확인하기 위한 시험이고, 환경시험은 특정 환경조건에서 아이템의 내환경성을 확인하기 위한 시험이며, 안전시험은 아이템의 설계에 안전상의 문제가 없는지를 평가하는 시험이다. 성능시험과 환경시험은 개발과정에서 만족되어야 하는 최소한의 요건이라고 할 수 있다.
한편, 신뢰성 시험은 제품의 수명 또는 고장률을 평가하기 위한 시험으로, 개발 및 제조과정에서 신뢰성향상보증을 위하여 실시되는 모든 시험을 의미한다. 또한 고장이 발생하였을 때와 잠재적인 고장위험 요소에 대한 메커니즘을 밝히기 위한 원인규명과 고장모드의 분석(FMEA기법), 고장확률 계산 및 평가(FTA기법) 등의 체계적인 품질경영 관리를 신뢰성분석이라고 한다.
신뢰성을 고려한 아이템의 개발체계를 간략히 정리하면 다음과 같다.
가. 설계 및 개발 기획
각 설계 및 개발 단계에 적절한 검토, 검증 및 타당성 확인, 설계 및 개발에 대한 책임 및 권한
나. 설계 및 개발(사양선택)
기능 및 성능 요구사항, 적용되는 법적 및 규제 요구사항, 이전의 유사한 설계로부터 도출된 정보, 설계 및 개발에 필수적인 기타 요구사항 검토
다. 제품설계 및 개발 출력
설계 및 개발에 대한 입력 요구사항 충족, 구매·생산 및 서비스 제공을 위한 적절한 정보를 제공, 제품 합격판정기준, 안전하고 올바른 사용을 위한 제품특성을 규정하는 단계로 다음사항 포함한다.
- 설계FMEA, 신뢰성 결과
- 제품 특별특성, 시방서
- 해당되는 경우 제품 실수방지
- 도면, 기초 데이타를 포함한 제품  
- 제품설계 검토 결과 및 평가 지침서
- 품질·신뢰성·보전성 및 측정 데이타
- 부적합품의 신속한 검출 및 Feedback 방법
라. 설계 및 개발 타당성 확인
설계 및 개발 타당성확인은 결과로 나타난 제품이 규정된 적용 또는, 의도된 사용에 대한 요구사항을 충족시킬 수 있는지를 보장하기 위하여 계획된 결정 사항에 따라 수행한다. 타당성 확인은 제품의 인도 또는, 실행 전에 완료되어야 한다.
그림 2에 선진국에서의 기계신뢰성부여를 위한 개발절차를 나타내었으며, 그림 3은 선진국의 고장모드 분석을 위한 FMEA기법의 한 예를 나타낸 것이다. FMEA(고장모드 영향해석)는 부품 그 자체에 고장 발생원인이 개입되는 것을 피하기 위한 기법으로 설계품질보증 등 각 부문에 산재한 문제점을 정량적으로 관리하기 위한 기법이며, 점차 복잡화 되는 문제 발생 형태를 제품 개발 초기단계에서 사전 제거하기 위한 목적으로 활용된다. 이러한 FMEA 분석을 통해 제품에 대한 품질 신뢰성 및 안정성이 증진되고 기업이미지 제고 및 경쟁력 확보가 가능하며, 고객만족 증진, 제품 개발기간 및 비용 절감, 고장을 줄이기 위한 활동을 문서화 시켜서 추적 가능성 확보로 예방이 가능한 이점이 있다.

4. 고장 원인 분석과 개선
가. Field 고장품 현황 및 원인
1) 탄소계 면상발열체의 가장 많은 고장형태는 발열부의 탄화현상으로, 발열원의 불균일에 의한 온도편차 발생으로 국부 탄화 현상이 발생
2) 전극부와 발열체부가 접하는 부위에서의 Hot spot 현상으로 전극부와 발열체부의 접착불량에 따른 접촉저항 증가에 의해 발생
3) 컨넥터부 또는 테두리 절단면을 통한 전기누설 및 누수에 의해 불량이 발생
4) 절연재 열융착 및 코팅시 열과 압력에 의해 카본발열체의 박리 및 열화 발생
5) 발열체가 페이스트상인 경우 용매의 휘발 등으로 전기적 특성 변화 및 발열체 파괴 현상
6) 절연 착립 불량에 따른 절연재와 발열부간의 접착불량으로 국부면에서 핀홀 현상 발생
7) 컨넥터부가 리드선부의 기계적인 스트레스에 의해 발열전극과 분리된 현상

나. 재현 시험을 통한 고장 분석
1) Delamination
제품 사용환경이 적정 요구온도 조건보다 높은 상태로 유지되거나 과전압 인가 시 전극부와 절연재 사이가 들뜨면서 동전극 파열 및 Hot spot이 발생되는 것이 관찰됨. 적정 사용온도 조건보다 높은 환경으로 인해 발열 부위는 과도하게 열팽창되고 발열이 되지 않는 부위인 전극부와 외곽 테두리 부위는 상대적으로 팽창이 되지 않기 때문에 Delamination이 발생.
2) Destruction of Contact
발열체부와 1차전극인 Silver paste 도포없이 동전극 만으로 접착하였을 때 접촉저항이 증가하여 Hot spot이 발생된 것을 확인.
3) Degradation(Short-circuit)
발열체인 탄소섬유의 얽힘 또는 탄소페이스트의 불균일 분산에 따른 밀도차는 발열체가 상대적으로 적은 곳에서 탄화와 함께 고열에 의해 절연재의 들뜸 현상이 발생한 것을 확인. 발열체의 밀도차는 저항의 불균일을 초래하여 전기전도성이 불량해지며 그로 인해 국부 탄화와 함께 전기장의 방향에 수직하게 옆으로 탄화가 이어져 가는 것을 확인함.
4) 절연재의 Laminating 전인 탄소 발열체에 접거나 구기는 외상을 가했을 때 외상 부위에서 Hot spot이 발생하는 것을 관찰함.
다음의 표 5는 면상발열체의 고장모드 및 원인과 증상에 대한 내용을 나타낸 것이다.
5. 신뢰성 평가방법 및 기준
현재 국내에서 면상발열체에 대한 종합적인 성능시험과 신뢰성시험인 수명시험에 대한 평가기준은 요업기술원의 신뢰성평가분석센터 주도하에 ‘탄소계 면상발열체의 신뢰성평가기준 RSL 0006’이 2005년도에 산업자원부 기술표준원에서 제정되었다. 아래 표 6은 탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가 방법 및 평가기준을 나타낸 것이다.
해외 규격은 현재 IEC국제표준규격의 전기전자 분야에 기술된 환경시험방법과 ANSI UL499의 가정용 전열기기에 대한 관련 규격을 참조할 수 있다.

6. 제 언
전열설비의 핵심부품인 전기 저항발열체는 그동안 시즈히터, 평판 적외선히터, 실리콘히터 등이 사용되어 왔다. 기존의 저항발열체의 문제점을 개선하면서 1990년대 들어 고효율, 경량의 박막형의 면상발열체가 활발히 개발되었고 2000년대에 들어서면서 탄소계 면상발열체가 본격적으로 상품화되어 탄소계 면상발열체를 이용한 폭넓은 응용제품이 개발되고 있다.
탄소계 면상발열체의 원적외선 복사특성과 효율성은 소재산업, 섬유, 농수산, 가전기기, 기계공업, 자동차, 항공 등 전반의 산업분야에 미치는 영향력이 대단히 크기 때문에 고부가가치의 상품성과 부품소재 산업으로서의 중요성이 부각되고 있다. 이러한 흐름에 맞추어 업체에서도 고품질의 신뢰성 높은 제품 개발과 기술개발에 박차를 가하고 있는 실정이다. 이제는 단순히 탄소의 전기저항 발열특성 원리를 이용하여 무분별하게 질적저하의 제품을 생산을 지양하고, 기존의 면상발열체의 문제점을 인지 품질향상 및 선진국 최고기술에 다가가는 기술 창출을 도모하고 있는 것으로 파악되고 있다. 신뢰성 향상과 품질 안정을 위한 탄소섬유의 분산방법 및 전기전도성이 좋은 탄소페이스트 개발, 코팅 두께 편차 및 물성변화 해소를 위한 기능성 바인더 개발, 기존의 발열체 인쇄공정인 스크린프린팅 방식에서 딥코팅(Dip coating) 기술의 개발, 내구수명 향상을 위한 라미네이팅 공정의 개선, 페이스트 인쇄패턴 안정화를 위한 열처리공정, 발열원 및 절연 소재의 개발, 탄소나노튜브를 이용한 고효율 발열체 개발 등 한 국내 업계의 노력은 세계 최고 수준의 기술력 확보와 최상의 면상발열체 개발로 이어질 것이라 생각되어 진다.

참고문헌
- 한국기계연구원. 2001. 「신뢰성 평가 및 향상 기술 개발」 연구보고서.
- 산업자원부. 2005. 「탄소섬유 면상발열체의 품질 및 신뢰성향상」 최종보고서.

그림 1. 탄소계 면상발열체의 개략도
표 1. 품목별 면상발열체 응용분야
☞ 산업용 : 플로터·잉크롤러, 휴대폰 도장건조, 자동차 시트워머, 핫플레이트 등
☞ 가전용 : 개인사우나, 반신욕, 돌침대, LCD발열시트 안면미용기, 고데기,
             자동차 보조난방 등
☞ 생활용 : 식기ㆍ칫솔 건조, 방한신발, 젤워머, 방한의류, 매트류, 신발건조,
             난방액자 등
☞ 건축용 : 바닥난방, 벽면난방, 융설, 난방패널 등
☞ 농업용 : 농수산물 건조, 하우스난방 등의 시설원예
☞ 기  타 : 반도체

표 2. ‘가정용전열기기 및 전열용저항체의 부분품’의 연도별 수출입통계
          항목              수  입               수  출
    년도                (단위 : 천불)    (단위 : 천불)

    2003                    39,018             161,556
    2004                    48,071             147,650
    2005                    47,872             117,722

표 3. ‘가정용 기타전열기기’의 수출입통계
          항목            수  입                수  출
    년도               (단위 : 천불)    (단위 : 천불)
    2003                   32,700             44,985
    2004                   44,206             41,939
    2005                   42,412             39,813

표 4. ‘비전기용흑연 또는 탄소제품’의 수출입통계
           항목            수  입            수  출
    년도              (단위 : 천불)  (단위 : 천불)
    2003                    31,719           10,395
    2004                    51,617           18,041
    2005                    75,442           43,767
출처 : 무역협회 ‘품목별 수출입 통계’
그림 2. 기계부품의 신뢰성 부여를 위한 개발 절차
그림 3. FMEA의 기법

표 5. 면상발열체 고장모드 및 고장 현상
    고장모드                            원인 및 증상
                      탄소 발열체의 경우 고온, 고전압일 경우 외부 습기에 의해
                      탄소 성분이 분해됨. 또한 저온, 저전압일 경우 PE계열의
 Degradation    열화에 의해  탄소 밀도가 저하되어 성능이 저하되는 현상이
                      발생.
                     장기 사용에 의한 마모 고장의 대표적인 예로 이 경우 저항의
                     증가에 의해 발열 능력이 감소.

                     카본이 도포된 부분과 절연재 사이에, 또는 카본 부위와
                     전도선 부분사이가 열이나 압력에 의해서, 또는 절연재
 Delamination  착립 불량으로 들뜸 현상 발생.
                     Delamination이 발생할 경우에는 내부 공기층의
                     보온 효과에 의해 내부 온도가 높아져 발열체 부위의
                     과열, 탄화 등이 발생

 Corrosion      발열체와 리드선 컨넥터 부위에 부식

                    양쪽 끝 Connector 부위는 외부 습기에 의한
 Destruction   부식 또는 기계적인 스트레스로 접촉 저항이 증가하여 
 of Contact     전체 저항이 증가, 전류 감소하여 출력이 감소하여 발열
                    능력 저하. 또한 접촉면 사이에 스파크가 발생하여 발화 위험.

                    Coating면 또는 탄소면 위에 있는 미세한 구멍으로
 Pin Hole      존재할 때 문제.
                   Coating면 위에 Pin Hole이 발생할 경우 습기 침투에
                    의한 탄소 증발, 저항 감소에 의한 Hot spot이 발생.

표 6. 신뢰성 평가 방법 및 평가기준
필자약력
충북대학교 대학원 에너지공정및농산물가공시스템 석사
(사)한국원적외선협회 원적외선응용평가연구원 선임연구원
現 매직유라주식회사 기업부설연구소 선임연구원

세라믹 신뢰성향상 지원사업 현황

열전 냉각소자의 신뢰성 향상
유길종 써모트론(주) 전무이사

1.열전 소자의 개요
열전 소자는 직류 전원을 인가하면 한쪽 면에서 흡열을 하여 반대면으로 열을 방출하는 히트 펌프(HEAT PUMP)이다. 열전소자는 압축기 방식에 비해 냉각 속도가 빠르고 정확하며 전원의 극성을 바꾸어 줌에 따라 냉각뿐만 아니라 가열도 가능하며 전기적인 원리를 이용하기 때문에 소음 및 진동이 없다. 모터가 필요없어 가볍고 부피가 작으며 냉각 시스템의 구조가 간단하다. 또한,냉매를 사용하지 않기 때문에 친환경적이다. 그리고 기계적인 부분이 없기 때문에 수명이 반영구적이며 필요에 따라서는 온도 분포를 제어할 수도 있다.
이러한 특성으로 인해 열전 소자는 현재 반도체 장비용 칠러, 컴퓨터용 쿨러, 광통신용 부품이나 센서의 온도 제어 모듈 등 산업용 뿐만 아니라 최근 생활 수준의 향상에 따라 화장품용, 와인용, 차량용 냉장고 등 생활 가전 제품에도 이용되고 있으며 그 이용은 점차 확대되고 있다.

2.핵심 요소 기술
가. 이종 접합기술 :
열전 냉각 소자는 소자의 크기에 따라 수십~수백쌍의 열전 엘레멘트들이 세라믹 기판, 동판, 솔더 등의 이종 재료 등과 접합되고 전기적으로 직렬로 연결되어 있다. 열전 소자가 작동할 때 냉온 부분이 항시 존재하므로,이종 재료간 열팽창 계수의 차이 때문에 불가피하게 접합면에 열응력(THERMAL STRESS)이 걸린다. 이러한 작동환경에서 열전 소자가 충분한 내구 신뢰성을 갖기 위해서는 각 재료의 신뢰성 품질 뿐만 아니라 이종 재료간 접합기술이 매우 중요하다.
나. 열전 소자의 설계 :
원하고자 하는 열전소자 냉각 시스템을 설계하기 위해서는,냉각하고자 하는 제품이 필요로 하는 열전 소자의 냉각 능력을 우선 정하여야 한다.
필요로 하는 열전 소자의 냉각 능력이 정해지면 열전 엘레멘트의 치수와 수량을 조절하여 원하는 냉각 능력을 얻기 위한 열전 소자의 크기와 엘레멘트의 배열패턴 설계를 한다.
다. 도금기술 :
열전 소자의 N형, P-형 엘레멘트에는 열/전류 전달 CARRIER가 있으며, 열전 소자 작동중 동판이나, 솔더 등의 구성성분이 엘레멘트로 확산되어 들어가 엘레멘트의 CARRIER 농도가 변하면 소자의 성능이 저하됨으로 이를 방지하기 위한 확산 장벽으로서 엘레멘트의 양단에 도금을 하여 확산을 방지한다.도금의 품질이(도금두께, 균일성, PIN-HOLE) 좋지 않으면 내구 신뢰성이 떨어지게 된다.

3.열전 소자의 신뢰성 향상
가. 고장 모드
1)세라믹 기판의 박리
열전 소자는 세라믹 기판(Al2O3) 사이에 N-형 및 P-형 열전엘레멘트가 샌드위치처럼  동전극에 솔더링되어 있다. 세라믹 기판을 쓰는 이유는 전기적으로는 완전 절연되어야 하고 열전달은 매우 좋아야 하기 때문이다. 열전 소자는 전원을 인가하면 한쪽면은 차가워지고 다른 한쪽면은 뜨거워지므로 이에 의한 열적 스트레스를 받아 접합면 박리로 고장이 날 수 있다. 일반적으로 접합면 박리는 세라믹 기판과 동전극 사이에서 가장 흔하게 관찰 된다. 따라서,세라믹에 동전극을 접합시에 사용되는 접합 페이스트(PASTE)의 선정과 접합기술이 매우 중요하다.
2)엘레멘트의 균열
열전 소자를 이용한 냉각시스템의 작동 - 정지 - 작동을 반복하면 반복 피로에 의해 엘레멘트의 균열이 일어날 수 있다. 따라서,반복 피로를 흡수할 수 있도록 하는 완충 역할을 할 수 있는 구조의 유무가 열전소자의 수명에 큰 영향을 줄 수 있다. 세라믹 기판에 완충 역할과 열전달에 문제가 없는 완충재를 입혀 엘레멘트의 균열을 방지하고 사용시간을 연장할 수 있다.
3)부식
열전 소자가 작동하는 순간 열전 소자의 냉각부와 발열부 사이의 온도 차이에 의한 결로 환경이 되므로 이로 인한 동전극의 부식, 전기적 쇼트 및 상하판 사이의 워터 브리지(WATER BRIDGE)가 형성된다. 이로 인한 고장의 발생 경로는 아래와 같다.
①결로→부식→저항 증가→줄열(Joule heat) 발생→고장
②결로→전기적 쇼트→저항감소→고전류→과열→고장
③워터브리지→열이 역류→성능저하
결로의 대책으로 세라믹 기판의 상하판 사이에 실리콘 실링을 하여 외부 습기의 침투를 방지한다. 간혹, 에폭시 실링을 한 것도 있으나 GAS 환경이 아닌 경우에는 사용하지 않는 것이 보통이다.
4)세라믹 기판의 파손
열전 소자에 세라믹 기판을 사용하는 첫째 목적은 전기적으로 완전 절연이기 때문이다. 열전달 효율은 그리 좋지 않기 때문에 가능한 세라믹의 두께를 얇게 하여 사용한다. 보통 1mm이내의 것을 사용하나 너무 얇을 경우 기계적 강도가 약하여 피 냉각 물체에 볼트로 체결시 파손이 일어나기 쉽기 때문에 규정된 조임 토크(torque)로 조여주어야 한다. 세라믹 파손이 반드시 열전능력의 상실을 의미하는 것은 아니지만, 세라믹이 파손될 정도면 그 안에 조립되어 있는 엘레멘트는 이미 데미지(damage)를 입은 상태로 조기에 고장이 난다고 보아야 한다.
이상으로 간략하게 세라믹과 관련된 열전소자의 고장 모드에 대하여 기술하였다.
나. 신뢰성의 향상
위에서 언급한 세라믹과 관련된 고장 모드의 대책을 종합하여 보면 세라믹과 동전극 접합부위의 박리 방지를 위한 세라믹 메탈라이징의 품질 향상 결로방지를 위한 세라믹 기판 사이의 완벽한 실링 세라믹과 동전극사이에 열 스트레스(thermal stress)를 흡수할 수 있는 완충 구조의 사용 취급 부주위에 의한 고장 방지를 들 수 있다. 이외에도 솔더링 품질, 열전 엘레멘트 자체의 결함, 도금 품질 등 열러가지가 복합적으로 열전소자의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.

4.열전 소자의 활용
그동안 국내에서는 열전 소자에 대한 품질 평가 기준이 없어 국내 제품의 품질 수준을 소비자에게 알리거나 자체적인 품질 개선에 대한 개선 효과의 파악이 어려웠다. 이러한 상황에서 최근 요업기술원 주관하에 관련 기관과 산학 협동으로 열전소자에 대한 신뢰성 평가 기준이 마련되고 신뢰성에 대한 평가를 받을 수 있게 되어 참으로 다행스럽게 생각한다. 그동안 소비자의 국내 제품에 대한 막연한 불안감으로 선진사 제품의 수입대체에 어려움을 겪어 왔었다. 열전 소자에 대한 객관적 품질 평가로 국내 제품의 품질 인식이 한층 높아졌고 수입대체 수량도 꾸준히 늘고 있다. 이제 유럽, 일본, 미국 등 선진국으로 수출되는 다양한 디지털 가전 제품에도 탑재되어 역수출되고 있다.
열전 소자를 탑재한 냉각 모듈은 기존의 팬, 압축기 방식의 냉각 장치에 비해  무소음/무진동, 부피, 질량, 친환경성 등에서 월등하기 때문에 생활 수준의 향상에 따라 그 수요가 크게 증가할 것으로 기대된다. 현재 열전 모듈이 적용되는 제품에는 차량용 냉장고, 가정용 와인 냉장고, 화장품 냉장고 등의 냉방 기기와 노트북/데스크탑용 하이엔드급 쿨러, 또 센서, 광통신 모듈, 반도체 공정 장비 등 정밀한 온도 조절이 필요한 산업용 제품에 사용되고 있다. 향후 전자부품의 고밀도 집적화에 따른 발열문제와 그 해결방안으로 국부 냉각의 필요성 증가로 활용분야가 무궁무진하다고 할 수 있겠다.

필자약력
서울대 물리학과(학사)
서울대 물리학과(석사)
(주)대우 전략기획실
대우자동차 설계품질팀장
써모트론(주) 전무이사

* 본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스 2006년 6월호를 참조바랍니다.