Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

친환경 Cd-free 가시광 센서 개발

김용우 (주)신한세라믹 이사

1. 기술의 개요
가시광 센서를 포함한 광전 변환 소자는 가시광 등의 광에너지를 전기신호로 변환하는 소자로서 AI(인공지능), 광통신, 로봇 및 유비쿼터스 센서 네트워크 등의 분야에서 수요 잠재력이 매우 크며, 전후방산업에 있어서 필수적 품목이다.
가시광 센서를 포함한 광전 변환 소자는 표 1과 같이 원리에 따라 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토 IC와 같은 광기전력형과 CdS 셀과 같은 광전도형으로 구분되며, RoHS 관련 대체 대상이 되는 광전도셀, 화염검출기, 조명용 자동점멸기, 조도센서, 포토아이솔레이터의 수광부, 밀착형 이미지센서 등 다양한 산업에 공통으로 적용되는 품목으로 구성된다.
특히 최근에는 에너지 절감의 요구에 따라서 우리나라의 전략적 수출품목인 휴대폰 액정의 휘도조절용 등의 각종 휴대용 전자제품에 채용되어 카메라나 TV 등과 같은 기존의 민생용 수요와 더불어 새로운 수요의 창출로 시장규모가 급증하고 있는 품목이다.
휴대전화 액정의 휘도조절용으로 사용되기 시작한 조도센서는 휴대전화 시장자체가 제1, 2, 3세대를 포함하여 2002년 4억대, 2003년 5.1억대, 2004년 6.3억대, 2005년 7.9억대, 2010년에는 제3세대로의 이행, BRICS 등의 신흥지역에서의 수요 증가를 포함하여 10억대에 이를 것으로 예측된다(2005년 차세대 휴대전화와 키 디바이스 시장의 장래 전망, 후지키메라 총연).

2. Cd-free 가시광센서
Cd-free 가시광센서 대체소재기술로 적용할 수 있는 부품군으로는 그림 1과 같이 조도센서, 포토센서와 같은 개개의 수광 디바이스, 광커플러와 같이 광원과 수광 디바이스로 구성되는 단순 복합 디바이스 및 밀착형 이미지 센서(Contact Image Sensor)와 같이 광원, 광학계와 센서 LSI부로 구성되는 보다 복잡한 복합 디바이스가 있다.
현재 가시광 센서용 소재로는 유화카드뮴(CdS)과 비정질 Si이 센서 소재로 사용되고 있으나, 최근 발효된 EU의 RoHS(전기전자 제품 내 유해화학물질 사용제한 지침, 2006. 7. 1 발효)의 규정에 따라 유화카드뮴(CdS)의 사용이 제한될 것이 확실시됨에 따라서 대체 소재의 개발이 절실히 요망 된다.
이에 따라 Si계 태양전지의 선진강국인 일본은 자국의 선진 기술을 활용하여 비정질 Si 포토다이오드계 Cd-free 가시광센서를 개발하여 RoHS 대응 제품으로 적극적 홍보에 나서고 있는 상황이나 국내에서는 생산 기반이 취약하여 RoHS의 규제 적용 시, 비정질 Si 포토다이오드계 Cd-free 가시광센서를 전량 수입해야하는 실정이다.
따라서 일본을 필두로 한 일부 선진기업의 기술독점 및 주도가 예상되며, 주도권 확보를 위하여 외국선진사가 확보하고 있는 CdS 대체물질인 비정질 Si 포토다이오드 외에 새로운 대체 소재의 개발이 필요하다.

친환경 Cd-free 가시광센서의 대체 소재로서 비정질 Si계가 아닌 광전도 특성을 가지는 Cd-free 산화물 대체 소재의 개발을 목표로 하고 있으며, 이와 같은 소재는 제조에 반도체 공정 라인을 필요로 하지 않으므로 사업화 시에 대단위 설비 투자를 필요로 하지 않고 통상의 세라믹스 제조 라인을 이용할 수 있고 적외선 필터를 필요로 하지 않는 기술로서 중소기업이 사업화하기에 적합하며 가격경쟁력을 확보할 수 있는 기술이다.
그림 2는 Cd-free 가시광센서의 광발광 특성을 나타낸 것으로 대체 소재의 개발에는 기존의 영역을 확대해가고 있는 비정질 Si 포토다이오드계 Cd-free 가시광센서와 성능 및 가격 경쟁력이 전제되어야 하므로 경쟁력 있는 소재의 개발과 아울러 제조공정의 개발 및 개발 조성에 대한 신뢰성 확보도 더불어 요구된다.
개발 성공 시에는 RoHS의 규제와 맞물려 독점적인 지위의 확보가 가능한 기술이며, 단순한 소재 개발만이 아닌 제조공정의 개발 및 새로운 대체 소재를 적용해야 하므로 이에 따른 분석기법의 개발과 신뢰성 확보를 위한 신뢰성 테스트도 병행하여 추진하여야 하는 개발기술의 성격 상, 중기거점기술개발사업으로의 추진이 요망된다.

3. 국내·외 관련기술의 현황
가. 국외
최근의 휴대기기는 동영상 표시가 기본 사양이 됨에 따라서 소비전력이 대폭 상승되어 가는 추세로서 조도센서를 활용하여 조명, 발광구동 회로기술을 구사한 전지의 소비전력의 저감이 중요한 기술의 개발이 요구된다.
광전도셀 소재를 포함한 광센서 관련은 Hamamatsu photonics, Perkin-Elmer 등이 CdS 광전도셀, Si 포토다이오드를 포함하여 광커플러를 생산, 공급하여 왔으며, 최근 Toshiba, Kodenshi, Mitsumi, Agilent 등에서 Cd-free 비정질 Si 포토다이오드의 가시광 센서를 개발하여 시판중이다. CCD 이미지센서의 주요 메이커는 SONY, Matsushita, Sharp 등이 있다. 최근에는 에너지 절감의 요구에 따라서 휴대전화 액정의 휘도조절용으로 사용되기 시작한 조도센서는 휴대전화 시장자체가 제1, 2, 3세대를 포함하여 2002년 4억대, 2003년 5.1억대, 2004년 6.3억대, 2005년 7.9억대, 2010년에는 제3세대로의 이행, BRICS 등의 신흥지역에서의 수요 증가를 포함하여 10억대에 이를 것으로 예측(2005년 차세대 휴대전화와 키 디바이스 시장의 장래 전망, 후지키메라 총연)되어 비정질 Si 포토다이오드를 이용한 조도센서의 개발에 참여하는 업체가 증가하고 있는 추세이다.

나. 국내
주요 센서 소자(chip)나 재료는 대부분 수입에 의존하고 있으며, 패키징이나 시스템 기술을 개발하여 제품화하고 있다. 최근 한국고덴시에서는 TV 휘도 조절, CCD 및 냉장고 등의 심야 모드 제어용으로 감지영역 450~700nm이며 IR 필터를 내장한 RoHS 대응 Cd-free 가시광센서 2종 개발을 발표한 바 있으나 RoHS 관련 가시광센서에 대한 국내의 연구는 미미한 수준으로서 시급히 대체 소재 개발 연구를 활성화하여야 할 것이다.

4. 시장현황
주요시장은 유럽, 일본, 중국 등 RoHS 규제를 적용하는 모든 국가가 포함되며, 시장 규모는 표 3에 나타내었다. 주된 시장은 비정질 Si 포토다이오드가 주된 시장을 주도하고 있지만 Cd-free 가시광 센서의 개발은 센서시장에 큰 변화를 주도할 것으로 판단된다.

5. 전망
친환경 Cd-free 가시광센서 대체 소재는 비정질 Si계가 아닌 광전도 특성을 가지는 산화물 소재의 개발을 목표로 하고 있으며, 이와 같은 소재는 제조에 비정질 Si계 가시광 센서와 달리 대단위 설비 투자비가 필요한 반도체 공정 라인이 아닌 통상의 세라믹스 제조 라인을 이용할 수 있는 기술로서 중소기업이 사업화하기에 적합하며 가격경쟁력을 확보할 수 있는 기술이다.
대체 소재의 개발에는 기존의 영역을 확대해가고 있는 비정질 Si 포토다이오드계 Cd-free 가시광센서와 성능 및 가격 경쟁력이 전제되어야 하므로 경쟁력 있는 소재의 개발과 아울러 제조공정의 개발 및 개발 조성에 대한 신뢰성 확보도 더불어 요구되며, 개발 성공 시에는 RoHS의 규제와 맞물려 독점적인 지위의 확보가 가능한 기술이다.

 표 1. 광센서의 측정 원리별 적용 부품군과 대체 대상

 
그림 1. Cd-free 가시광센서 대체소재 기술 적용 부품군

그림 2. Cd-free 가시광 센서의 광발광 특성

표 2. 조도센서 개발 참여업체 동향

  개발 기업명     현 황
  

표 3. 국내·외 시장규모
 
그림 3. 가시광 센서의 응용 예

필자약력
(주)신한세라믹 이사
친환경 전자부품용 세라믹 소재개발 실무위원

Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

Pb-free 세라믹 PTC 히터 개발

이우영 (주)하이엘 기술연구소 팀장

1. PTC 써미스터의 개요
PTC 써미스터란 Positive Temperature Coefficient의 약자로, 주위온도가 상승하면 저항이 상승하는 정온도계수 특성을 나타내는 저항체이다. 세라믹 PTC 써미스터는 Perovs
kite(ABO3)구조를 갖는 BaTiO3에 소량의 희토류 원소를 첨가하여 전도성을 나타내며, Ba site의 일부를 Sr 또는 Pb등으로   치환하여 임계온도(Critical Temperature, Tc)의 이동이 가능한 n형 반도체이다.
즉, 특정 온도에서 결정상이 입방정계(Cubic)에서 정방정계(Tetragonal)로 변화되는 상전이(Phase Transition)현상에 의해 주위 온도 상승에 따라 임계 부근에서 저항값이 급격하게 상승하는 특성을 나타낸다.

세라믹 PTC 써미스터의 기본 특성은 저항-온도 특성, 전압-전류 특성, 전류 감쇄 특성이 있으며, 이러한 기본 특성들은 다결정의 Barium titanate에서 높은 저항을 나타내는 결정립계(Grain-boundary) 특성에 기인하는 것으로 보고되고 있다.
이러한 특성을 이용하여 과전류보호, 과열보호, 정온발열히터, 온도센서 등으로 응용된다.

2. Pb-free 세라믹 PTC 기술 개발 목적
현재 세라믹 PTC 써미스터를 생산하는 대부분의 국내 업체들은 중국에서 배합된 원료를 수입하여  후가공하거나, 중국에서 수입한 제품을 사용하고 있는 실정이다.
PTC 세라믹 히터는 그 응용분야가 다양하며, 최근에는 자동차 분야(Door-lock, Fuel-heater, Air pre-heater등)로 확대 적용됨에 따라서  지속적으로 시장규모가 성장하고 있지만, 국내 기업들의 경우에는 글로벌 환경 규제에 대응하기에는  기술적으로 매우 취약한 실정이다. 세라믹 PTC 써미스터 히터용 제품(Tc 130℃이상)의 대부분이 Tc 이동 물질로서 환경 유해물질인 Pb를 사용하고 있다.
현재는 RoHS 등 글로벌 환경 규제에서 예외 조항으로 되어있으나, 글로벌 환경 규제가 강화됨에 따라 세라믹 PTC의 Tc이동물질인 Pb를  대체할 수 있는 물질의 개발이 요구되고 있다.

전 세계적으로 환경에 대한 인식이 높아짐에 따라, RoHS, REACH, EuP등의 글로벌 환경규제가 강화되고 있는 추세로 납, 수은 등 6대 중금속에 대해서  규제를 하고 있으나, 전자세라믹스에 포함되는 납(Pb), 형광등과 냉음극관에 포함되는 수은(Hg) 등에 대해서 예외 규정을 두고 있다. 그러나 중금속 함유 제품에 대한 규제 추세가 점점 더 강화되어감에 따라 첨단 기술집약적인 부품소재로 확대되어 갈 것이다.
그러므로 이러한 글로벌 환경 규제를 극복하기 위한 기술 개발이 지속적으로 이루어져야 한다.
3. Pb-free 세라믹 PTC 기술 개발을 통한 기대 효과
세라믹 PTC 써미스터 산업의 경우, 주요 선진기업이 조성 배합 기술을 보유하고 제품을 생산하고 있으며, 글로벌 환경 규제 물질인 Pb를 대체할 수 있는 물질을 개발하기 위한 지속적인 연구개발이이루어지고 있으나, 현재까지는 Pb를 대체할 수 있는 물질을 개발하지 못하고 있는 실정이다.
Pb-free 세라믹 PTC 기술 개발을 통한 기대 효과로는 기술적인 측면에서는 새로운 Pb-free 세라믹히터 조성 및 양산 기술, 평가 기술을 확보함으로써 글로벌 환경 규제에 대응이 가능하며, 각종 전자 세라믹의 기술적 파급 효과가 예상되어진다.
경제, 산업적 측면에서는 꾸준한 응용 분야 확대로 시장 규모가 성장하고 있는 세라믹 PTC 히터 시장의 선점 및 세계 시장을 주도할 수 있는 계기가 마련될 것으로 기대된다.

4. 연구 개발 동향
PTC 써미스터는 일반적으로 네가지 형태로 나누는데, 그 형태는 그림 2와 같다.
디스크, 평판과 나사와 같은 각각의 다양한 형태는 압축 성형하여 소결 후 절단과 연마하여 사용할 수 있고, lead type은 기계적 강도, 전기적 절연, 내습성 및 환경 안정성을 위해 높은 온도에서 코팅하여 사용할 수도 있다.
국내의 경우, 자화전자, 하이엘등이 세라믹 PTC를 생산하고 있으며, 대부분의 업체가 배합 원료를  수입하여 제품을 생산하고 있어, 원천 기술인 원료에 대한 조성 기술이 취약한 실정이다.
국내의 대부분의 업체들이 원재료를 수입에 의존하고 있어, 재료비의 비중이 크게 차지하고 있다. 그러므로  가격 경쟁력을 확보하기 위해, 원재료의 국산화와 저가 원료의 대체 개발 및 폴리머 PTC 대체 개발을 위한 저저항 제품 개발에 중점을 두고 기술 개발을 추진하고 있다. 반면 세라믹 PTC의 Tc 이동 물질인 Pb 대체 개발 실적은 전무한 상황이다.

세라믹 PTC 써미스터의 응용분야가 확대됨에 따라 저저항화 및 소형화가 요구되고 있으며, 현재는 RoHS등의 환경 규제에 예외대상으로 되어 있으나, 환경 규제가 엄격해짐에 따라 유해 물질인 Pb의 대체 개발이 요구될 것으로 예상된다.
세계 선진 기업의 경우, 적층방식을 이용한 제품의 저저항화와 환경 규제에 대응하기 위한 Pb의 대체 개발에 박차를 가하고 있다. 일부 저저항 제품이 개발되어 폴리머 PTC를 대체하고 있으며, 지속적으로 소형화, 저저항화를 위한 기술 개발이 진행되고 있다.
또한 환경 규제에 대응하기 위해 Pb의 대체 개발 활동이 지속적으로 이루어지고 있으나, 제품의 신뢰성 및 특성의 취약성으로 인해 아직까지 상용화하지 못하고 있다. Pb의 대체 물질로서 비스무스계 화합물을 이용하여 기술 개발을 시도하고 있으나, 비저항 및 Tc 제어가 어려우며 기존 제품에 비해 신뢰성이 매우 취약한 문제점을 해결하지 못하고 있다.

본 과제는 Pb 대체 물질로서 표 1의 비연계 압전재료 및 선진국에서 대체 개발 검토 물질로 채택되고 있는 비스무스계 화합물을 이용하여 연구 개발을 진행하고 있다.
현재는 기존 제품에 비해 특성적으로 불안정한 상태이지만, 반도체화제 및 소결조제의 조절, 공정 조건 등의 제어를 통한 지속적인 연구 개발이 이루어진다면 유해물질인 Pb를 대체 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

그림 1. 페로브스카이트 결정구조

그림 2. PTC 써미스터의 형태

그림 3. 가열 형태에 따른 PTC 히터의 용도

그림 4. 첨가물에 의한 PTC 발현 온도의 제어

그림 5. Nb-doped Bi2Ti4O11 조성물의 PTC 특성

표 1. Lead-free Piezoelectric Material

필자약력
전북대학교 재료공학과 학사
(주) 하이엘 기술연구소 팀장

Special  친환경 전자부품용 세라믹 소재 개발

친환경 전자부품용 세라믹 소재의 
분석기술개발 및 신뢰성 평가

이영호 공학박사 요업기술원 선임연구원

2002년 유럽 연합에서 RoHS(전자부품 유해물질 지침), WEEE(전자부품 폐기물 지침)을 발표하고, 2006년 7월부터 카드뮴(Cd), 납(Pb), 수은(Hg), 6가 크롬(Cr6+), 브롬계 난연제(PBB, PBDE) 등의 사용을 금지하였다. 이에 따라 전 세계적으로 이들 유해물질사용을 억제하고 친환경 전자부품 개발에 박차를 가하고 있으며, 이를 분석하기 위한 분석 평가방법도 연구되고 있다.
또한 최근 국제경쟁력이 심화되면서 각 제품의 신뢰성 확보는 매우 시급한 과제로 대두되고 있으며, 국내기업도 신뢰성의 중요성을 인식하기 시작하고 있다.
소비자의 품질에 대한 요구수준이 크게 증대, 소비자의 권리강화로 인해 PL 및 리콜이 발생할 경우 막대한 피해보상은 물론 기업의 브랜드 이미지 하락이 불가피한 실정이고, 신기술 및 신소재를 활용한 제품개발 추세가 확대되면서 향후 발생할 고장을 미리 예측하고 이를 보완하기 위한 기술개발이 시급한 실정이다.
전기·전자 제품 및 부품은 그 종류도 다양하고 분류체계를 정립하는 데에도 상당한 시간이 소요될 것으로 판단된다. 소재별 분류가 불가능한 경우가 많고, 복합재질로 구성된 경우도 많다. 2종 이상의 소재가 혼합된 복합소재의 경우에는 각각의 성분으로 분리하여 분석하거나 하나의 독립된 시험규격을 적용해야하며, 특히 소재에 포함된 충진제나 라미네이트 되어있는 유해물질을 동시에 분석할 수 없는 어려움이 있다. 따라서 현재 유럽연합의 WEEE나 RoHS에 따라 전기·전자 산업 분야의 대응 방안 구축에 있어서 가장 우선적으로 선결되어야할 과제는 시험분석기술의 개발임이 인식되고 있다. 시험분석기술은 기술개발분야의 발전을 뒷받침하는 기반 기술로서 최근 진행되고 있는 선진국의 환경규제에 의한 무역장벽 심화에 대응하기 위해서는 무엇보다 시험분석기술의 개발이 선행되어야 한다.
시험분석은 어떤 제품의 개발단계에서 사용, 고장, 폐기에 이르기 까지 여러 단계에 적용하고 그 제품 및 기술을 발전시켜 나가는 기본적인 기술이라 할 수 있으며, 이러한 시험분석기술의 개발이 절실한 상황이다. 또한 국내 규격에서는 많은 분야에 대해서 특히 세라믹 분야에 대한 유해물질 분석관련 규격이 부족한 실정이다. 따라서 ELV, WEEE, RoHS 와 같이 제품 내에서 특정 원소에 대한 시험을 요구하는 제한에 대해서는 국내규격을 적용하는 데 한계를 드러내고 있고, 분야별 유해물질 시험방법에 대한 규격도 아직 완전히 제정되지 않아 유사규격을 준용하여 사용하고 있는 실정이다.
현재 많은 국가에서 ICP, IC, GC-MS, AAS, XRF 등을 이용하여 이들 유해물질에 대한 분석평가가 이루어지고 있으며, 이 방법들은 유럽과 미국 등에서 분석 방법을 표준화하여 사용 중에 있다.
그러나 이 분석방법들은 XRF를 제외하고 모두 파괴적 검사방법인 습식분석 방법이다. 이러한 습식분석방법은 대표적인 방법으로 ICP를 들 수 있는데 분석의 정확도는 ppb order까지 매우 높지만 재료에 따라 solution의 선택이 매우 중요하고 재료의 일부를 채취하여 용융한 후 분석하는 방법 즉, 재료나 부품을 있는 그대로 분석하는 것이 아니라 재료를 파괴하여 분석하는 방법이다. 따라서 수출입시 분석에 많은 시간과 고가의 분석비용이 필요로 한다.
또한 파괴적인 분석방법이기 때문에 한번 분석을 수행한 제품의 경우 재활용이 불가능하므로 불필요한 소모가 많아지게 된다. 또한 RoHS 등 유해물질사용제한지침에서는 카드뮴만 100ppm, 타원소의 경우 1,000ppm으로 제한하고 있기 때문에 0.01ppm order의 분석정확도를 갖는 습식분석은 불필요하다고 할 수 있다.
최근 미국, 일본 등 선진국에서는 지나치게 정밀하여 고가이고 시간이 걸리는 방법보다는 효율적이고 저렴하며 또한 신뢰도가 높은 방법을 선택하기로 결정하여 이에 가장 먼저 시도된 분석방법이 XRF이다.
XRF는 시료에 X선을 주사하여 거기서 발생하는 2차 X선을 가지고 정성 및 반정량을 하는 방법이다. 이 방법은 정성은 가능하지만 정량적인 수치를 신뢰 할 경우 큰 문제가 발생할 수 있다. 이는 X선을 사용하기 때문에 그 에너지가 작아 high order의 peak와 분석하고자 하는 주 peak가 겹치는 현상을 구별할 수 없기 때문이다. 그러나 아직까지도 유럽의 경우 유해물질에 대한 분석방법을 ICP, GC, IC, UV, XRF로 규정하고 있다. 즉, 검출하한이 낮은 XRF를 이용하여 반정량을 한 후, 그 결과에 따라 습식분석 여부를 결정하는 방법을 채택하고 있는 것이다.
그러나 최근 일본의 경우 RoHS등에 대응하기 위하여 ICP, GC 등 습식분석방법이 필요 없음을 인식하고 건식분석방법에 주력하고 있다. 초기 XRF를 이용한 분석방법을 개발하였으나, 그 분석하한의 한계를 확인 후 최근 AIST등에서는 EPMA를 이용한 분석방법 개발에 주력하였다. 특히 전자선원으로 사용되는 filament의 개발과 전자빔을 집적하기 위한 기술을 개발하여 더 작은 영역 및 더 정밀한 분석을 가능하게 하기 위한 노력을 아끼지 않고 있는 실정이다. EPMA의 측정한계는 0.1%order로 RoHS, ELV, WEEE등 국제적 유해물질사용제한지침에 충분히 대응할 수 있는 수준으로 신속하고 정확한 분석결과를 얻을 수 있으며, 일본의 EPMA 분석기법을 이용한 유해물질 분석에는 세계 최고의 수준이다.  최근 일본은 EPMA의 mapping 기술을 이용하여 유해물질의 위치, 침투 깊이, 상변화 확인 및 phase mapping까지 그 분석영역을 확대하여 기술을 개발하고 있다.
이에 본 과제에서는 RoHS에 대응하기 위하여 시간과 많은 비용을 차지하는 습식분석방법 보다 차기 주목받게 될 분석방법인 EPMA분석방법에 주력하여 세계 수준의 분석능력을 배양하고 빠른 분석시간과 분석의 정밀도를 높이기 위하여 시료의 제작방법에서부터 정밀정량방법까지 다양한 시도를 통하여 유해물질 분석방법에 대한 연구를 진행하고 있다.
신뢰성은 제품의 수명기간동안 고장 없이 일정기간동안 사용할 수 있는 특성으로 제품의 설계단계에 미리 반영되어야 할 기본사양으로 선진국과 후진국의 기술수준을 차별화하는 질적 척도로 활용되고 있으나, 성장위주의 발전을 거듭해온 국내 산업구조는 설계기술의 대외의존성이 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

신뢰성기술은 고유설계기술보다 한 단계 상위의 기술로서 우리나라에서는 일부 가전제품 및 자동차생산 대기업을 중심으로 하여 수명예측(보증) 및 고장분석기술 등 신뢰성향상에 관한 기술개발을 시작하고 있으나, 국내의 관련 기반은 불모지나 다름없다.
현재까지는 신규성이 낮은 모방연구 및 개발이 주류를 이루어 선진국 제품의 물성을 기준으로 비교개발이 진행되었으나 일류 상품제조 및 친환경 제품제조를 위한 독자적인 기술 및 대외 경쟁력 확보를 위해서는 제품 개발과 함께 평가 기술의 개발과 함께 이루어져야 한다. 즉, 친환경 전자부품용 세라믹 소재의 상용화를 위해서는 신뢰성 향상이 필수적이라 할 수 있다.
선진국과 다른 패러다임으로 산업이 발전해온 우리나라의 경우, 독자기술개발을 통한 신뢰성 노하우의 축적보다는 조립 산업위주의 성장전략과 국산개발과정을 통해 단기적인 시장 확대 및 외형적 성장은 거둘 수 있었으나, 신뢰성평가를 마친 설계도면 및 기술을 막 바로 도입함에 따라 수명 및 고장률 평가 등 신뢰성정보의 축적기회를 상실하여 기계류, 자동차, 가전제품 등 내구성을 요하는 제품은 물론  life cycle이 비교적 짧은 IT제품에 있어서도 잔 고장, 짧은 수명과 같은 공통적으로 신뢰성이 문제가 야기되고 있다. 이 같은 대다수 국산제품의 신뢰성결여는 제품·기업 나아가 국가브랜드 이미지의 불신으로 직결되는 양상을 보이고 있다. 신뢰성에 대한 인식부족은 전체 연구개발(R&D)과정에서 신뢰성이 누락되어 잠재적인 결함 및 고장을 내포한 제품을 생산하여 제품의 사용 환경 변화 시 자체적인 제품개선이 어려워 기술의존이 심화되고 있다.

.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
이에 따라서 본 과제는 친환경 전자부품용 세라믹 소재의 시험분석방법으로 현 분석방법 중 최대의 장점을 갖고 있는 EPMA를 이용하여 부품 또는 소재에 대한 image, line profile, image mapping 및 정량분석을 동시에 수행하여 분석할 수 있는 분석 기법 개발을 진행 중에 있다. 또한 개발된 친환경 전자부품용 세라믹에 대한 신뢰성확보를 위하여 성능평가, 수명평가 및 고장분석을 통한 신뢰성 분석에 대한 연구를 수행하고 있다.

- 성능평가 : 각 소재 및 부품의 요구 성능을 측정하는 것으로 저항, 절연파괴전압, 유전율, 투광도, 강도 등의 항목에 대한 평가를 의미하며, 이러한 성능평가는 환경시험 및 수명시험 전과 후에 이루어지고 이를 통해 소재 및 부품의 경시변화를 확인한다.
- 수명평가 : 주요 고장모드로 추정 또는 확인된 인자를 변인으로 하는 실험을 지속하며  경시변화를 관찰하고 요구 성능에서 일정 범위이상의 변화가 일어나는 시간을 확인하는 평가이다.
- 고장분석 : 실험조건 혹은 필드조건에서 고장이 일어난 원인을 찾고 그 메커니즘을 확인하여 제품설계에 feedback 하기 위해 수행한다.

이러한 시험분석방법과 신뢰성평가 방법의 개발을 통하여 기술적으로는 친환경 전자부품용 세라믹에 대한 원천기술을 확립하고, 신뢰성 향상 및 환경규제 해결에 따른 대외 경쟁력을 확보하며, 조물 책임법에 대비 제품 안정성 및 업체 위험 분산 확보 대책에 기여할 수 있다.
경제적으로는 대외 인지도 고양과 이에 따른 매출증대(국산 커넥터 제조사 (마루스솔루션) : 신뢰성향상 후 수출 285억원, 수입대체 250억원 효과)와 신뢰성 설계 적용에 따른 비용절감효과를 가져올 수 있으며, 친환경 대체 소재 개발과 아울러 민간의 참여가 어려운 시험분석 및 신뢰성 평가 기법의 개발로 개발 소재의 제품화 단계에서의 시행착오를 줄여서 제품화시기를 앞당기고 제품의 신뢰성 확보로 성능의 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
상기와 같이 본 과제의 수행으로 개발되는 분석기술 및 신뢰성 기술에 의하여 친환경용 세라믹 소재 전자부품에 대한 국가 경쟁력 확보 및 수출증대 등 국가 경제적으로 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

필자약력
충남대 금속공학과 석사
충남대 금속공학과 박사
요업기술원 선임연구원

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