10 월호 특집 세라믹스 산업에의 컴퓨터 시뮬레이션 응용 MLCC 제조공정에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 尹貞皓 공학박사 / 삼성전기㈜ 중앙연구소 CAE팀 부장 최근 각종 전자제품이 소형화 및 고용량화됨에 따라 여기에 사용되는 부품역시 소형화 및 고용량화되고 있다. 그 중에 대표적인 전자부품으로 MLCC를 꼽을 수 있다. MLCC(Multi Layered Ceramic Capacitor)는 초소형 축전지로써 산업용, 가정용 전자기기의 부품으로 널리 사용되고 있으며, 일반적인 축전지에 비해 훨씬 소형이면서도 축전용량이 큰 장점을 갖고 있다. 특히 휴대폰 시장의 급속한 성장, 디지털 A/V기기의 보급 및 PC의 고속-대용량화와 주변기기의 확대 등으로 MLCC의 수요는 빠른 속도로 확대되고 있는 추세이다. 그런데 최근 세계적인 IT산업침체로 전자부품수요가 일시적이나마 감소하고, 또한 제조업체의 난립으로 품질 및 가격경쟁이 날로 치열해지고 있는 실정이다. 이러한 경쟁에서 생존하기 위해서는 제품의 품질 및 성능은 물론 가격적인 측면에서 경쟁업체보다 우위를 확보해야만 한다. MLCC 불량률을 저감시켜 고품질을 유지하고 고용량의 제품을 생산하기 위해서는 각각의 제조공정에 대한 정밀한 분석과 문제점 파악 및 그에 따른 공정개선이 필요하다. 여기서는 MLCC제조공정에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 설비 및 공정조건을 최적화함으로써 공정불량을 최소화할 수 있는 가능성에 대하여 간략히 소개하고자 한다. MLCC제조공정에서 유체유동, 압력 및 온도가 공정능력에 중요한 인자로 작용하는 공정은 배치공정(MIXING/MILLING), 성형/건조(CASTING/ DRYING), 인쇄/건조(PRINTING/DRYING), 적층/압착(PRESSING), 절단, 가소(BINDER BURN-OUT), 소성(FIRING), 연마, 도금, 전극소성 등이다. 여기서는 대표적으로 다음의 5개 공정에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 사례를 간략히 소개하고자 한다. 1. 배치 공정 (MIXING/MILLING Process) 배치 공정(MIXING/MILLING Process) 은 세라믹파우더, 솔벤트, 분산제 및 첨가물들을 혼합하고 분산시켜 슬러리를 만드는 초기 공정이다. 이 공정에서는 슬러리의 혼합 및 분산정도가 제품품질에 중대한 영향을 미치므로 이를 향상시키기 위하여 슬러리의 유동을 최적화하는 작업이 필요하다. 이러한 최적화 작업은 유동실험 혹은 컴퓨터 시뮬레이션으로 가능하며, 실험의 경우 많은 경비와 기간이 소요되기 때문에 최근에는 시뮬레이션에 의해 최적화하고 최종적으로 검증시험만을 수행함으로써 기간 및 경비를 최소화 하면서 원하는 목적을 달성하고 있다. 그림 1은 MLCC 제조업체에서 많이 사용되고 있는 Basket Mill내에서의 유동형태를 컴퓨터 시뮬레이션한 것으로, 원활한 혼합을 위해서는 회전유동을 줄이고 상하유동을 증대시키기 위한 개선작업이 필요함을 볼 수 있다. 2. 성형/건조 공정 (CASTING/DRYING process) 성형/건조 공정은 슬러리를 필름위에 원하는 두께(2~20㎛)로 코팅한 후 이를 급속히 건조시켜 세라믹 성형박막을 만드는 공정으로써 압출방식과 슬롯다이 방식이 많이 사용되고 있다. 이 공정에서 성형박막두께는 슬러리의 토출량과 필름의 주행속도, 슬러리자체의 표면장력, 밀도, 압력, 점도 및 다이와 필름사이 간격 등에 의해 결정된다. 해당 공정에서는 코딩두께가 균일하고 얼룩이 없이 균일하게 고속건조가 되어야 고품질을 유지할 수 있다. 이와 같이 성형두께를 균일하게 하기 위해서는 성형다이 형상이 매우 중요하며, 형상에 따른 슬러리 유동특성을 정밀 분석함으로써 최적형상을 설계할 수 있다. 그림 2는 성형다이 내부에서의 슬러리 유동형태이며, 그림 3은 다이선단부분에서의 슬러리 거동을 컴퓨터 시뮬레이션한 그림으로써 파란부분이 슬러리가 필름에 코팅되는 부분이고 빨간색 부분은 대기상태(공기)를 나타내며 교차되는 부분이 슬러리 자유표면을 나타낸다. 이와 같이 컴퓨터 시뮬레이션기법을 사용함으로써 성형막두께를 균일하게 하기 위한 다이형상을 최적화 할 수 있다. 3. 인쇄/건조 공정 (PRINTING/DRYING Process) 인쇄/건조 공정은 MLCC 세라믹 성형박막에 전극을 인쇄한 후 건조시키는 공정으로 스크린 인쇄기법 및 노즐분사식 강제대류에 의한 건조방식을 많이 사용하고 있다. 고품질의 인쇄를 위해서는 인쇄도포막의 균일성, 높은 해상도 및 인쇄패턴의 반복성이 요구되며, 이를 위해서는 적절한 유동특성을 갖는 페이스트, 인쇄기 성능 및 스크린과 인쇄조건의 적절한 설정이 필요하다. 그리고 인쇄 후 적절한 건조를 위해서는 건조로 구조 및 운전조건이 최적화가 요구된다. 여기서는 건조상태를 최적화하기 위하여 건조기 내부를 시뮬레이션한 예를 그림 4에 나타내었다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 통하여 건조로의 적절한 구조는 물론 온도, 공기속도 및 압력과 같은 운전조건을 최적화 할 수 있다. 4. 가소공정 (BINDER BURN-OUT Process) 가소 공정은 MLCC 제작시에 성형을 위해 투입되는 솔벤트 및 바인더 성분들을 오븐내 열풍 순환방식에 의해 제거하는 공정이다. 일반적으로 가소공정에서 발생할 수 있는 불량은 제품의 전기적 특성에 따른 불량외에 기계적 특성과 관련된 불량에 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 이러한 불량은 가소오븐 내 불균일한 온도 및 속도분포에 의존하므로 이를 균일하게 할 수 있는 설비구조 및 운전조건이 요구된다. 이를 위한 방법으로 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 사용할 수 있으며, 그림 5, 6은 박스형태의 가소오븐 내 유동 및 온도분포를 시뮬레이션에 의해 나타낸 그림으로 유동 및 온도분포가 매우 불균일 함을 볼 수 있다. 이와 같이 컴퓨터 시뮬레이션 기법은 실제 시험을 수행하지 않고 최적의 오븐구조 및 운전조건을 도출하는데 기여할 수 있다. 5. 소성 공정 (FIRING Process) 소정 공정은 가소된 MLCC칩을 고온에서 소성시키는 공정으로 가소공정(BINDER BURN-OUT Process) 에서 제거되지 않은 바인더를 소성 초기에 제거하게 되는데, 이때 급격한 온도상승은 칩내부의 탈바인더의 가스압력이 너무 높게 되어 크랙 등의 소성불량을 유발하게 된다. 그리고 이 경우 내부전극이 산화 정도에 따라 제품의 신뢰성에 까지 영향을 주게 된다. 따라서 잔류한 바인더 성분을 원활히 제거하기 위해서는 적절한 온도 및 유동이 요구되며, 이를 해결하기 위한 방법으로 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 소성로 유동해석을 사용할 수 있다. 소성로의 경우 온도가 600~1300℃정도로 매우 높기 때문에 시험으로 유동장을 측정하기가 매우 어렵다. 따라서 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 유동특성을 규명할 수 있으며, 그 예를 그림 7에 나타내었다. 원활한 가소를 위해서는 섹터 사이의 유동이 균일해야 하며, 이를 위해서는 노즐의 형상, 크기 및 간격 그리고 그에 따른 유량 및 압력과 같은 운전 조건에 대한 파라메타 스터디를 통해 최적화하는 작업이 필요하다. 이상에서와 같이 MLCC 공정에서 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 사용한 몇가지 사례에 대하여 간략히 살펴보았으며, 이러한 응용을 산업체에서 활용함으로써 제품의 품질 및 가격 경쟁력을 확보하는 데 기여할 수 있다. 좀더 세밀한 시뮬레이션을 위해서는 고체내에서 바인더가 열분해 되는 과정이나 크랙발생 메커니즘, 건조 메커니즘 등에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 수식화(Formulation) 및 모델링(Modelling)에 관한 기초적인 연구가 필요하다고 생각한다. 이를 위해서는 기초연구가 확대될 수 있도록 학계와 기초 연구기관을 중심으로 심도 깊은 연구가 뒷받침 될 때 더욱 발전된 컴퓨터 시뮬레이션이 가능하리라 판단된다. 그림 1. Basket Mill 내 유동형태 그림 2. 성형다이 내 유동형태 그림 3. 성형다이 내 선단에서의 슬러리 거동 그림 4. 인쇄건조로 내에서의 유동특성 그림 5. 가소오븐 내에서의 유동특성 그림 6. 가소오븐 내에서의 온도특성 그림 7. 소성로 내에서의 유동특성