Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

최병현 공학박사 요업기술원 전자부품소재본부 수석연구원

1. 서론
지구환경 보호는 오염물질을 효율적으로 처리하기 보다는 사전오염을 예방하기 위한 것으로 패러다임을 전환하여 적극적으로 통합하여 관리하는 것을 목표로 삼고 있다. 특히 EU(인구 4.5억명, 회원수 25개국)나 일본이 환경에 대한 인식이 높고 각종 정책에 대한 영향력 대단히 크며, 2006년부터 유해물질(Pb, Cr6+Cd, Hg 등)에 대한 EU 반입을 금지시키고 있다. 전자부품용 세라믹 소재 중 친환경화가 필수적인 것은 디스플레이, 자동차, 디지털가전, 정보통신산업 등에 사용되는 소재로서 유리프리트, 전장부품용 소재, 압전체, PTC 써미스터, 광전변환소자 및 광원부품에 사용되는 것들이 있고 현재는 예외조항이 많은 편이나, 향후 규제 대상이 될 것이 확실시 되고 있다. 따라서 ‘친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발’과제를 중기거점 과제로 수행하고 있는 (총괄기관-요업기술원, 총괄 책임자-최병현)품목을 위주로 자세히 논해보고자 한다.
2. 본론
가. 전자부품용 세라믹 소재 환경규제대상 품목
현재는 RoHS 규제에서 예외로 되어 있으나 대체물질이 개발되는 즉시 규제대상이 될 확률이 높은 품목으로는 램프당 5mg을 초과하지 않는 소형 형광 램프 내 수은 소형 형광램프(직경 10~16mm 이내), 음극선관, 전기부품의 형광튜브 유리내의 납이나 산화납(PbO), 세라믹 제품(Resistor,capacitor, insulator, piezoelectric, magnet), PDP 및 BLU Magnetic head 연결을 위해 사용된 lead glass, 전자렌지의 sheath heater에서의 납 및 산화납, 광학 절연체, 형광파우더에서 활성제, 무수은 평면패널 램프에서의 납과 광학/필터 glass에서의 납과 카드뮴,  광섬유 통신시스템을 위한 APDs에서 도핑물질, Photocell에서의 카드뮴 등이 있다.
나. 친환경 관련 정부지원 기술과제 현황
친환경 관련 정부지원 기술개발 과제 현황은 아래와 같다.
다. 친환경 전자부품용 세라믹 소재의 국내·외 기술동향
1) 국내
친환경 전자부품용 세라믹 소재 연구 PZT의 경우 Bi-perovskite 비연계열의 압전 재료에 대한 일부 연구가, PDP, FED 등의 디스플레이와 각종 IC 칩부품에 사용되는 Pb함유 저융점 유리프리트는 Bi계로 대체하는 연구를 행하고 있다. 특히 무연 PDP용 유리 분말 및 sheet는 휘닉스피디이, 다이온, 세라, 파티클로지, 센불, 이그잭스 등에서 제품화 하려고 하고 있고, 원천 기술 확보는 요업기술원, 홍익대, 인하대를 중심으로 Bi2O3-BaO(ZnO)계, B2O3-ZnO-SiO2계, P2O5-ZnO-RO(RO:alkali-earth)계로 대체하는 연구를 진행하고 있다.
또한  PTC 서미스터의 경우는 Pb대신 Bi로 대체하는 기술이, 디스플레이용 대면적 조명 등의 광원으로는  Hg을 대체키 위해 전계방출현상을 활용한 FEL을 개발하고 있다. FEL은 CCFL, EEFL, 그리고 Plasma 방식의 Flat Lamp와는 달리 진공 구조이면서도 수은(Hg) gas를 사용하지 않고 발광소자인 CNT(Carbon Nanotube), DLC(Diamond Like Carbon)등의 높은 용융점을 갖는 나노 분말을 이용하는 개발을 하고있다.
2) 국외
국외의 경우 압전체는 2000년 이후 Bi-페롭스카이트, Bi층상구조계, NKN계, BT계 와 텅스텐 브론즈 구조의 비연계열에 대해 미국과 일본을 중심으로 활발하게 진행되었는데, 향후 비연계열 압전 세라믹스의 연구는 NKN((Na,K)NbO3) 계열 재료에 집중될 것으로 예측되고 있다.
또한 무연 저융점 유리의 프리트는 일본의 경우 전기전자용부재, 전자디바이스 접착재, 오버코드재 및 전극 부재용으로 값싸고, 범용성·안정성이 있는 PO4계, V2O5계, Bi2O3계, B2O3계를 개발하여 상용화 하고 있다. PTC 써미스터의 경우는 일본에서 270℃로 발열하는 Bi계 써미스터를 개발하였다고 하나, 아직 상용화는 하지 못하고 있다.
라. 특허출원 및 등록 현황
친환경 전자부품용 세라믹 분야의 특허출원 및 등록은 각 국가에서 공통적으로 2000년 이후 출원이 빠르게 증가되고 있어 핵심 기술 선점을 위한 국가 간의 경쟁이 치열한 시점인 것으로 파악되고 있다. 특히 일본은 Murata 및 Matsushita electric 및 TDK사가  주도로 하고 있다. 일본은 자국 내에서 특허활동이 차지하는 비율이 매우 크고, 타 국가에서도 활동이 활발하다. 그러나 한국은 국외에서 활동이 미흡하다.
3. 중기거점 과제개요
.과제명 : 친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발
.개발기간 : 2006. 11. 1~2011. 10. 31
                    (1 단계 : 2006.11. 1~2009.10.31(3년))
.1단계 사업비 : 7,580백만원

.참여기관 및 역할

.기대효과
환경규제에 대비한 친환경 소재 산업의 원천기술 기반을 확보할 수 있어 선진국과의 경쟁력을 확보할수 있음은 물론이거니와 차세대 성장동력산업인 가전, 정보통신, 디스플레이, 자동차 부품 및 제품 관련 산업과 화학, 전자, 반도체 산업 활성화에 기여할 수 있을 것이다. 또한 유해 전자부품용 세라믹 세계 시장을 견인(세계시장 규모의 29% 차지)할 수 있어 친환경 전자제품을 연간 2005년 기준으로 수출 31.5조원, 소재 수입 대체 4,000억원, 소재 매출 3.5조원을 할  수 있을 것이다.
4. 결론
전자부품용 세라믹 소재 산업은 대부분이 전자제품의 주요 핵심기간산업으로 고부가가치산업인데 최근 산업 전반에 걸쳐 친환경화가 유도되고 있다. 특히 유럽 시장을 진입하기 위해선 2006년 7월 이후 적용될 EU의 RoHS 지침에 대응할 소재의 개발이 시급한 상황이다. 일본과 미국은 매우 활발하게 세라믹 소재 개발에 적극적으로 참여하고 있으나, 국내의 경우는 아직 미미한 편으로 선진국에 비해 시기적으로 늦어 경쟁력 측면에서 차츰 뒤쳐질 우려가 있는 상황이다. 따라서 기술경쟁에 적극적으로 대응할려면 국가에서는 R&D 투자를 서둘러야 할 것이며, 산학연은 유기적인 협력 체제를 구축하여 빠른 시일 내에 필요기술을 확보해야 할 것이다.

 

 

필자약력
연세대학교 요업공학과 공학사
연세대학교 대학원 요업공학과 공학석사
연세대학교 대학원 요업공학과 공학박사
국립공업기술원 요업기술원 공업연구사, 공업연구관
산업자원부 요업기술원 공업연구관
요업기술원 수석연구원, 기획관리본부장, 전자부품소재 본부장
한국세라믹학회 운영위원
세종대학교 신소재공학과 겸임교수
한국단결정학회 감사

 

 

 

Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

적층형 비연계 압전 초슬림형 음향 부품 개발

박인길 공학박사 (주)이노칩테크놀로지 대표이사
노태형 (주)이노칩테크놀로지 부장

중기거점개발과제의 제1세부과제로 진행 중인 ‘적층형 비연계 압전 및 초슬림형 음향 부품 개발’은 (주)이노칩테크놀로지를 주관기관으로 하고 전자부품연구원과 고려대학교가 위탁기관으로 참여하여 산·학·연 협력개발체제로 진행 중에 있다. 위탁기관인 고려대학교에서는 비연계 압전 소재를 기초로 한 저온용 소재 개발에 주력하고 있으며, 개발된 소재를 후막·적층화하고 이를 동시소성하는 연구를 전자부품연구원에서 담당하고 있다.
주관기관인 (주)이노칩테크놀로지는 비연계 압전 소재를 이용한 음향 부품개발하고 양산화 기술을 개발하는 것을 최종목표로 하고 있다.

1. 개발 개요
압전 현상 즉 ‘힘을 가하면 전기가 발생하는 현상’은 오래 전에 알려졌다. 1940년대 후반에 PbTiO3와 PbZrO3의 고용체인 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)가 개발된 후 급격하게 응용분야가 확대되었으며, 이후에는 전자부품의 소형화 추세에 발맞추어 PZT를 이용한 후막 및 박막기술이 발달하였으며, 이러한 기술은 적층형 액츄에이터, 트랜스포머, 반도체 FRAM, MEMS 등에 다양하게 이용되고 있다.
최근에는 환경적인 문제 때문에 Pb의 사용이 규제되기 시작하면서 Pb free 소재에 대한 연구가 가속되고 있다.
현재의 압전 소재는 PZT [Pb(Zr,Ti)O3]가 기본 소재로서 대부분의 압전 부품들이 PZT를 이용하여 만들어지고 있다.  하지만 PZT는 Pb가 약 65%(중량비) 이상 함유되어 있어 환경 규제 대상 소재로서 미국의 캘리포니아 주에서는 1986년부터 Pb 사용을 300ppm 이하로 규제하는 Pro-position 65를 실행하고 있고, 유럽연합의 위험물질 사용에 관한 지침(RoHS)에도 2006년 7월부터 전기 전자 제품에 있어서 Pb을 포함한 중금속 물질의 사용을 제한하고 있다.
비록 전자세라믹 부품에 함유된 Pb는 예외 사항으로 두었지만 PZT를 대체할 물질이 개발되면 전자세라믹 부품에서도 Pb의 사용을 금지할 것으로 예고되고 있다.
이러한 환경적인 제약 때문에 PZT를 대체할 수 있는 비연(Pb-free)계 압전 세라믹스에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
특히 그림 1에서 나타나 있듯이 Yasuyoshi Saito 등이 2004년 11월 Nature지에 PZT 세라믹스의 압전 특성과 유사한 (NaK)NbO3-Li(NbTaSb)O3(NKN-LNTS)소재의 압전 특성을 발표한 이후 비연계 압전 소재의 개발 가능성이 확실시 되고 있다. 새로운 비연계 압전 세라믹스가 개발되면 기존의 모든 압전 제품을 대체해야 하므로 산업에 미치는 효과는 이루 말할 수 없기 때문에 전세계적으로 비연계 세라믹스에 대한 연구를 하고 있다.
다만 현재까지 연구된 비연계 압전 조성의 전기적 특성은 연계 압전 특성보다 떨어지므로 당분간 사업화하기에는 경쟁력이 없어 보이며, 또한 1~2년 내에 우수한 연구 결과가 나오기는 힘들 것으로 보인다.
그러나 타 국가에서 우수한 연구 결과가 먼저 나오면 독점적, 배타적 위치에 속박되기 때문에 지속적 연구가 필요하다고 할 수 있다.

2. 개발 대상 품목 및 개발 목표
압전 부저는 저주파 신호전압을 가하면 일그러짐이 발생하고, 그에 의해서 진동판이 진동하여 음량을 발하도록 만들어진 원형 모양의 판으로 되어 있다.
압전 세라믹스 중에서 가장 먼저 국산화가 진행된 품목으로 압전 부저 및 음향 부품이 있다. 비록 고급 제품은 일본 제품에 시장을 선점당하며, 저가의 제품은 대만 및 중국 시장에 잠식당하고 있는 실정이나, 아직 국내의 경우 많은 중소 업체들이 생산을 하고 있는 상황이므로, 향후 RoHS에 대비한 제품 개발은 반드시 이루어져야 할 것으로 생각된다.

압전 스피커는 전기 신호, 즉 전압을 인가했을 때 압전체의 변형에 의해 진동판의 떨림을 이용한 부품이다. 최근 휴대폰 시장의 성장으로 인해 마이크로 스피커 시장이 급격히 커 나가고 있다. 현재 마이크로 스피커의 추세는 박형화, 저음부 음압의 평탄화 실현 및 고출력화가 주목적이 되고 있다. 이에 일본을 중심으로 압전체를 이용한 박형화가 가능한 압전 스피커가 제작되고 있다.
현재 휴대폰에 상용되는 전자식 스피커의 두께가 3~4mm이기 때문에 휴대폰 초슬림화에 제약이 되고 있다. 압전 스피커로 변경이 될 경우 스피커의 두께는 1mm이하인 제품의 제작이 가능하다. 일본의 대표적인 전자부품 업체들인 태양유전, 무라타 등에서는 압전체를 이용한 박형의 스피커 사업을 진행하고 있으며, 적층형의 압전 스피커는 Taiyo yuden만이 개발품을 내놓고 있고, 국내에서는 거의 전무한 실정이다.

따라서 본 개발의 최종목표는 아래의 특성을 갖는 무연계 압전 부저 및 스피커용 소재를 개발하고, 이를 적층화 및 저온 동시소성을 통해 우수한 특성의 부저 및 스피커를 개발하는 것이다. 
쪾부 저 용 소재 : kp≥0.45, Qm≥1000, Tc≥300℃ 및 소결 온도≤1030℃
쪾스피커용 소재 : kp≥0.48, Qm≤80, d33≥300(pC/N), Tc≥300℃ 및 소결 온도≤1000℃

3. 국내·외 관련 기술의 현황
가.국내 기술 동향
비연계열 압전 세라믹스 연구에 중점을 두고 있는 선진국과는 달리, 국내에서는 PZT 세라믹스의 저온 소결 등 아직도 Pb 계열에 집중되어 있고, 비연계열의 압전 소재에 대한 연구는 초기 단계이다.
국내에서도 비연계 압전체에 대한 연구가 2000년부터 시작되었다. 지금까지의 연구 현황을 살펴보면 특정 부품에 적용하기 위하여 Qm 값이 높은 것으로 알려진 Bi-layer 계열 소재와 높은 d33 값을 가진다고 알려진 Bi-perovskite 계열의 소재에 대해 산발적으로 연구가 이루어지고 있다.
하지만 Bi-layer 계열 소재는 소결하여 제조하기가 어렵고, Bi-perovskite 계열 소재의 경우 120℃ 부근에서 반 강유전상으로 상변화가 일어나기 때문에 실제 부품에 적용하는데 문제가 있다.
나아가 국내 연구는 몇 개의 단일소재의 특성을 향상시키는 것에 국한되어 있고, 액상 소결 등 소결 기구에 대한 연구나 미세구조 조절과 같은 근본적이고 체계적인 연구와 저온 소결에 대한 연구는 행해지지 않고 있다.

본 과제에서는 중성자 회절, XRD 및 TEM을 이용하여 상전이 영역에서의 상의 종류와 구조에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 접근은 독창적이며, 연구수행 결과물 자체로도 높은 압전 특성을 가진 소재 개발에 기초적인 자료로 이용할 수 있는 학문적으로 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
아울러 기존 연구와는 방향을 달리하여 모든 압전 소자의 응용이 가능하도록  NKN 계열 소재를 개발하여 이를 압전 음향 부품에 적용, 비연계 압전 세라믹스의 특성을 파악하고자 한다.

나.국외 기술 동향
비연계열의 압전 세라믹스에 대한 연구는 Pb의 환경 문제가 심각하게 대두된 2000년 이후로 미국과 일본을 중심으로 활발하게 연구되고 있다.
특히 미국의 Channel Industr
ies, EDO, Westinghous Research Lab., Penn State Univ., Bell Telephone, MIT, New Jersey State Univ.와 일본의 Kyocera, Murata Co., TDK, Tokin, Toyota, Matsushita, Nissan, Sci. Univ. of Tokyo를 중심으로 활발히 연구되고 있다.
표 1에 연구 개발 주력 소재를 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 지금까지 연구되고 있는 비연계 압전 세라믹스 소재는 크게 Bi-페롭스카이트 계열, Bi 층상구조 계열, NKN 계열 그리고 BT 계열과 텅스텐 브론즈 구조로 나눌 수 있다. 특히 Bi 계열 압전 소재와 (Na,K)NbO3 계열(NKN)이 주로 연구되어 왔다.
Bi 계열 압전 소재는 매우 높은 Curie 온도를 가지고 있어서 고온에서 센서나 트랜스듀서 혹은 액츄에이터로 응용될 수 있다는 장점으로 인해 가장 활발히 연구되고 있다.
특히 H. Nagata 등은 수년간 Bi 계열의 압전 세라믹스 연구에 매진하여 Bi 계열 소재에 BT를 고용시켜 액츄에이터로 활용될 수 있는 특성 값인 d33=191pC/N, kp=0.33, Tc=301℃, 유전율=1141의 훌륭한 압전 및 유전 특성을 보이는 조성을 개발하였다.
NKN 세라믹스의 경우 d33=80 pC/N, kp=0.34~0.39, Tc=415℃, 유전율=290의 비교적 우수한 압전 특성을 가지고 있는 소재로 알려져 있지만 일반적인 고상 합성법으로는 소결하기가 어렵고, 높은 밀도를 얻기 위해서는 hot press를 해야 한다고 알려졌으며, 또한 NKN 세라믹스는 물에 녹는 단점이 있다. 이러한 문제점으로 인해 Bi 계열에 비해 그 연구가 미진하였다.
최근 Toyota의 Yasuyoshi Saito 등은 NKN 세라믹스에 LiTaO3 (LT)와 LiSbO3 (LS)를 고용시켜 300 pC/N의 매우 높은 d33 값을 갖는 조성을 개발하였고, 같은 조성을 RTGG (Reactive-Templated Grain Growth)법을 사용하여 PZT 세라믹스의 압전 특성과 유사한 d33=416 pC/N, kp=0.61, Tc=253℃, 유전율=1570의 압전 및 유전 특성을 구현해 내는 데 성공하였다.
이로 인해 향후 비연계열 압전 세라믹스의 연구는 NKN 계열 소재에 집중될 것으로 판단된다.

4. 기대 및 파급 효과
지금까지 알려진 비연계 압전체의 경우에도 상전이 영역에서 높은 압전 특성을 보였다. 하지만 상전이 영역에 여러 상이 존재하는지, 또는 어떤 종류 상이 존재하는지에 대한 규명이 이루어지지 않았다.
또한 비연계 압전체의 불순물 첨가의 영향 및 저온 소결에 대한 연구도 시행되지 않았다. 그러므로 본 연구 결과는 비연계 압전체 연구에 대한 중요한 핵심 자료가 될 수 있다. 또한 전 세계적인 환경 보호, 유해물질 규제 등의 움직임에 따른 친환경적인 소재 및 응용 기술 필요성 증대에 따라 친환경적 비연계 압전 세라믹스의 기술력 확보를 통하여 환경 규제에 얽매이지 않고 다양한 압전 분야의 응용으로 가능할 것으로 생각된다.
더불어 다양한 분야에 응용되는 압전 부품 산업은 전세계 약 1조 2000억원(일본 EMAJ자료)정도의 큰 시장을 형성하나 소재는 대부분 Pb 성분을 포함하는 PZT [Pb(Zr,Ti)O)] 소재로서 이를 대체할 만한 소재가 아직 개발되지 않았다.
따라서 본 제품 개발에 따라 국내 시장 및 해외 수출을 통하여 막대한 수익을 기대할 수 있으며, 수입 대체는 물론이고 수출까지도 기대되고 있다.  한편 다양한 전자기기들중 초소형/초박형을 요구하는 모바일 기기용의 비중은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 
2005년 기준으로 세계 휴대전화 시장은 8.1억 대가 판매되었다. 또한 휴대전의 발전방향은 기능의 다양화, 초슬림화 경향으로 바뀌어가고 있다. 이에 Pb-free 압전 세라믹스 기반인 음향 기기들의 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예측된다.
휴대전화 용도의 부저 및 스피커의 개발을 통해서 상용중인 초슬림폰보다 더 얇은 휴대전화 제작이 가능하며, 가격 경쟁력에 밀려가는 압전 음향 부품의 Pb-free화를 통해 기술 우위가 기대된다.

그림 1. PZT세라믹스와 비연계 세라믹스 (LF1, LF4, LF3T, LF4T)의 압전 상수 d33와 Tc
그림 2. 압전 부저의 구조
                            (a)                                                   (b)
그림 3. (a) 압전 스피커 단면도, (b) 일본 ‘Taiyo yuden’사의 압전 적층형 스피커
그림 4. 진동판의 진동 모드

 

표 1. Manufactures and Academic Organizations of Lead-free of Piezoelectric Ceramic Materials

 표 2. 휴대단말기시장 및 압전부품 시장현황

필자약력(박인길)
한국과학기술원 재료공학과 공학박사
삼성전기 MLCC사업부 연구개발실장
(주)이노칩테크놀로지 대표이사

 

 

 

 

 

 

Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

전자부품용 Pb-free 유리프리트 개발

배  현 신세라믹(주) 연구소 부장

1.유리프리트 개요
전자부품용 유리 프리트는 산화물 원료를 배치 조합, 용융, 성형, 분쇄, 분급의 과정을 거쳐 유리를 분말화 하여 특수한 유기 비히클(Organic Vehicle)과 혼합된 Paste 형태로서 세라믹, 유리 및 금속 기판에 전극형태로 도포하여 회로를 형성하거나(결합), 금속/금속, 세라믹/세라믹, 금속/세라믹, 유리/유리등을 접합(봉착) 하거나, 저항체, 각종기판, 다이오드 등의 소자 위에 coating(피복)하여 절연, 전도, 기밀성 등의 기능을 발휘한다. (그림 1) 용도는 디스플레이(PDP, LCD, VFD, FED), IC배선, 다이오드, 기밀단자, 표시관, 센서, 각종 전자부품회로, 인덕터, LTCC, package, 보호 코팅용 등의 전자부품에 사용되는 필수적인 소재이다.

그런데 이러한 전자부품용 유리프리트는 대부분이 저온(750℃ 이하)에서 소성 또는 기판과의 접착성, 기재와의 결합력 등을 향상시키고 기판과의 일체화를 위해 표 1과 같이 주로 PbO를 주성분으로 하는 물질이 사용되며, 이러한 PbO계 유리프리트는 환경에 유해한 물질로 규제대상이 되고 있다. 전자부품용으로 사용되는 유리프리트의 구성요소인 PbO는 자체 또는 유리 프리트 내에서는 대체적으로 안정한 물질이나, 이들 PbO 함유재료가 폐기될 시에는 폐수 중에 산 또는 알칼리 용액과 화학반응을 일으키게 되어 토양 및 수질 오염에 의한 환경오염을 유발시키므로 유해물질로 규정되어 2006년 7월부터 유해물질 사용제한 지침(RoHS)의 발효로 EU에 수출하는 전자제품에 중금속 함유 소재의 사용이 금지되어 새로운 친환경 소재개발을 위하여 총력을 기울이고 있는 실정이다.
사용하는 형태로는 powder, slurry, paste, 현탁액으로 구분할 수 있다. 또한 일반적인 사용용도는 그림 2에 나타낸 바와 같이 각종 기판에 전극형태로 도포하여 회로를 형성하거나, 금속, 세라믹, 유리등을 접합(봉착) 하거나, 소자위에 coating(피복)하여 절연, 전도, 기밀성 등의 기능을 발휘한다.
유리프리트 소재는 전자산업과 동반 성장하는 산업으로서 국가 수출전략 품목이면서 핵심기능 소재이며, 제품·부품에 비해 소재 개발에 시간과 비용이 많이 소요되고, 소량 다품종으로 global경쟁이 가장 심한 첨단 산업이면서 세계시장 석권이 가능(Blue ocean)한 고부가가치 산업인데 기술적인 낙후로 대부분 수입하여 사용하나 일부는 기업이 생산을 하고 있다. Pb-free 소재로의 대체를 추진하는 RoHS는 매우 취약한 상태이며, 60% 정도를 일본 등에서 수입하고 있는 형편이고, 재료비 비중이 높으므로 소재의 저가화와 국산화 없이는 전자부품의 부가가치가 낮기 때문에 국제 경쟁력도 상실할 수 있는 시장 환경이 우려된다. 따라서 유해 전자소재의 대체 개발이 시급하나 소재 업체의 원천기술 취약, 개발 능력에 한계가 있어 친환경 전자세라믹의 효과적인 개발을 위해 체계적으로 접근 필요수출전략 품목이 RoHS에 의한 피해가 없도록 친환경 대체소재 개발에 국가적인 지원이 필요하다.
대부분 원자재를 수입 사용하므로 원천기술이 부족하며, 새로운 소재로부터 부품의 신뢰성까지의 개발은 원천기술과 응용기술이 동시에 필요하고, 기술적으로 새로운 소재들을 개발할 수 있는 기술을 축적해서 가격적으로는 저 가격화가 실현되어야 명실공히 국제 경쟁력을 갖는 전자부품·제품을 수출전략화 품목으로 할 수 있을 것이다. 또한 최근 환경규제로 유럽 등에 전자제품 부품을 수출하기 위해서는 Pb 함유 소재를 Pb-free 소재로 대체하여야 하나 전자 소재 시장의 활성화가 4~5년에 불과해 원천기술과 infra가 부족하여 일부 Pb-free 소재를 개발하였다. 그러나 Pb 함유 소재보다 성능이 낮아 실제 적용하기에는 많은 어려움이 따르고 있다. 전자부품용 세라믹소재는 대부분이 전략적 품목으로 선진국은 기술 개발에 주력하고 있으며, 해당 기술 유출을 기피하는 실정으로 기술 확보 시점을 실기하면 수출에 막대한 타격이 예상된다. 전자부품에 포함된 PbO는 대부분이 예외 규정을 두고 있으나, 중금속 함유 제품에 대한 규제의 추세는 향후 전 세계적으로 확대되어 갈 것이 확실시 되어 대응책 마련이 시급한 실정이다.

2.유리프리트 기술개발동향
국내의 경우  PbO가 함유된 유리프리트 생산은 대주전자재료, 신세라믹, 디씨페로, 세라 등에서 하고 있으며, PbO-free 조성의 경우 각종 IC 칩부품과 PDP, FED 등의 디스플레이에 적용 가능한 유리 프리트 중에서 EU의 환경규제에 포함된 PbO 성분을 B2O3, Bi2O3, P2O5, ZnO-BaO계로 대체하는 연구를 세라, 대주전자재료, 신세라믹, 다이온 등과 요업기술원, 한국과학기술연구원, 인하대를 중심으로 일부 연구가 진행되고 있으나, 전자부품용 Pb-free 유리프리트에 대한 상용화는 일부분인 고온 코팅용(Bi2O3계, ZnO계)과 도체결합용(Bi2O3계)에 불과하다. 국외의 경우 일본 업체가 독보적 위치를 점하고 디스플레이용 Pb-free 계로 상용화 및 세라믹 기판용 sealing(봉착)용 P2O5계와 결합재용 Bi2O3계 Pb-free 유리프리트를 개발하여 상용화하고 있는 실정이다. 또한 전자 디바이스 접착용 유리는 일본 야마토 전자가 개발 상용화 하고, 아사히 유리, 일본전기초자 등에서는 일부 Pb계 대체소재로 표 2와 같은 조성을 개발하여 상용화하고 있다.

3.기대효과
친환경 소재개발을 위한 원천 기술 기반 확보로 인한 RoHS를 필두로 심화될 환경규제에 의한 무역 장벽화를 극복할 수 있고, 기술선진국의 종속화를 방지할 수 있으며, 기존의 상용화된 제품의 성능을 뛰어넘는 제품의 확보로 신제품 개발에 기여할 수 있다. 따라서 친환경전자부품용 유리프리트의 개발은 타 산업과의 연계성이 커서 화학, 전자, 재료산업의 활성화에 기여할 것이며, 특히 소재 분야에서 선진국에 뒤져있는 현실에 비해 경쟁력을 가지게 될 것이다.

표 1. PbO를 함유한 유리프리트의 용도별 조성 및 특성 ‘예’

그림 1. 유리프리트 개발개요 및 응용분야

그림 2. 유리프리트 사용형태에 따른 용도

표 2. 봉착·접착용 유리프리트의 상용 예 - 일본

필자약력
전남대 무기재료공학사
신세라믹(주) 연구소 부장

 

 

 

 

 

 

<  본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스 2007년 8월호를 참조바람>