최병헌 요업(세라믹)기술원 전자부품소재 본부장

1. PDP용 세라믹
1.1. PDP용 세라믹의 산업발전현황
PDP 모듈에서 사용되는 세라믹으로는 <그림 1>의 유전체, 격벽, 형광체, 보호막, seal재 및 기판을 포함한 전도성막 등으로 부품 전체가 세라믹으로 구성되어 있는 것과, 전면필터나 전극과 같이 일부분의 세라믹을 포함하고 있는 것으로 구분할 수 있다.     PDP용 세라믹소재는 `00년에는 대부분을 일본에서 수입가공하여 PDP를 제작하였으나, 2003년부터  시장경쟁력 우위 확보를 위해 국내 생산을 하기 시작한 후 `08년 현재는 상당부분이 국산화 되어, 모듈회사에서 사용되고 있다.
따라서 세라믹 산업발전도 계속적으로 이루어지고 있는 상황이다. PDP용 세라믹을 생산하고 있는 국내의 업체는 <표 1>에 나타내었다. PDP용 세라믹을 종류별로 보면 glass 기판은 국내 수요기업에서 사용하고 있는 전체를 일본 AGC로 부터 수입사용 하고 있다. 투명전극은 삼성코닝이 ITO ingot를 생산하여    LCD기판위에 코팅하여 사용하고 있으나 PDP에서는 glass 기판의 수입 시 대부분 coating이 되어 있기 때문에 사용하지 않고 있다. 전극은 국내에서 Ag powder를 대부분 수입하고, 유리 분말은 일부, vehicle은 대부분 국산화하여 paste화하여 사용하고 있다. 최근, 일부 감광성 paste를 개발하여 적용하고 있으나, 감광성 green sheet는 개발은 하였으나 가격적 면에서 상용화 되지 못하고 있으며 일부는 offset화하여 사용하고 있다. 형광체는 일부 일본으로부터 수입 사용하고 있고, 일부는 LG화학에서 합성하여 사용하여 왔으나 LG화학이 사업을 포기하여 대주전자재료에서 인수하여 6월 이후 생산을 시작할 예정이다. Seal재와 배기관 소자는 PbO 함유의 경우 상당부분을 국산화하여 사용하고 있다. 그러나 유리분말은 아직도 일부 수입사용하고 있으며, 또한 Pb-free의 경우는 현재 개발 중이어서 대부분을 수입하여 친환경 PDP에 적용하고 있다.
1.2. PDP용 세라믹산업 미래비전
PDP 모듈의 중장기 생산 능력을 전망하면 <표2>와 같이 국내생산 전망이 2010년에 전 세계 시장의 55% 이상을 차지할 것으로 예측됨으로 PDP용 세라믹도 함께 성장할 것으로 예측된다. 특히 `07년도 전반까지는 PDP시장이 40" 이상으로만 고려하였으나 2007년도 후반부터는 32"의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으므로 <표2>의 수요보다도 더 큰 시장이 예측되고 있다. 그러나 위와 같은 PDP 생산 전망의 달성은 FPD간의 경쟁, 친환경화 및 global 경쟁에서 우위를 확보해야만 가능할 것이다. 즉 대형 FPD간의 경쟁심화로 당분간은 소재의 저가화, 공정의 단축, 신공정 개발이 이루어져야 하며, 또한 유럽연합이 시행하고 있는 RoHS에 대체하기 위해 일부소재를 Pb-free화 해야할 것이다. 또, 선·후발 주자와의 경쟁에서 살아남기 위해서는 지속적으로 고효율화, 소비전력화, noise 감소화, 대면적화, 고정세화 및 contrast ratio 향상을 기할 수 있는 성능을 향상시키거나 새로운 세라믹을 개발하여야 할 것이다.  

2. SOFC용 세라믹
2.1 SOFC용 세라믹산업 발전현황
차세대 연료전지라 불리는 SOFC는 고체상의 산소이온 전도체인 세라믹이 전해질과 전극으로 사용되는 연료전지로서 공기와 연료가 600~1000℃의 고체산화물 사이에서 반응하여 전기와 열을 동시에 생산하는 연료전지이다. SOFC는 고온에서 운전되므로 발전효율이 50~60% 높고 고온의 배기가스를 이용하여 열병합 발전이 용이하며 지역이나 기후조건에 제약없이 대규모로 활용될 수 있으며, NOx, SOx등 발생이 거의 없는 청정 발전 방식이고 세라믹 소재를 국산화할 수 있는 큰 장점을 갖고 있다.
현재 국내에서는 SOFC 산업이 형성되어 있지는 않지만 00~07년까지 8년 동안 정부 과제로서 172억원정도의 사업비가 전극, 전해질, 스택, 시스템 등에 투입되어 연구개발이 <표 3>와 같이 기업과 연구소, 대학에서 이루어지고 있다.
2.2 SOFC용 세라믹산업 미래비전
전 세계 시장이 2002년에 $85백만 수요에서 2008년에 $3.3억시장으로 급상승할 것으로 예상된다. 특히 2025년이 되면 연료전지 전체 중에 SOFC가 40%를 점유할 것으로 예측되므로 SOFC용 세라믹 시장은 밝다고 할 수 있다.
위와같은 목표가 이루어지기 위해서는 stack구성 세라믹의 저가격화, 고신뢰성화 이루어져야 할 것이다. 또한 소형의 경우는 저온화, 박막화가 이루어져야 할 것이다.
즉, 650℃이하로 저온화 및 박막화에서는 높은 이온전도도 및 촉매특성을 갖는 새로운 재료의 개발이 요구되며, 고신뢰성 및 내구성 확보에서는 구성재료 간의 반응 및 열화감소, 금속분리판의 산화억제 및 성능저하방지, 밀봉재의 열화방지 및 내구성 확보, 소재/부품의 고신뢰성으로 stack의 경제성 확보 등의 장기안정성이 요구되고 있다. 또한 저가화를 위해서는 stack구성물질의 저가화, 단전지 면적의 최대화, 연료전지 주변장치의 저가화, 결함최소화, 수율확보, 가공비절감 등을 이룩해야 한다. 그렇게 하기 위해서는 기초원료와 구성소재를 국산화하거나 대체재를 탐색하여야 하며, stack제조 공정을 개발하여야 한다. 또한 기술의 성장을 위해서는 대규모 투자와 체계적인 기술개발도 이루어져야 한다.

3. 리튬이온 이차전지용 세라믹
3.1 리듐이온 이차전지용 세라믹산업 발전현황
<표 5>에 나타낸 바와 같이 정보통신, 전기전자 산업 및 방산용으로 사용되는 리튬이온 이차전지용 세라믹으로는 전극 물질(양극, 음극) 즉, LiCoO2와 carbon이 사용되고 왔으나 최근 고용량화, 고밀도화 따라 Li(NiCoAl)2O4계, Li(Mn1-xMx)2O4계나 LiFePO4계 및 Li4Ti5O12등의 산화물등의 전극이 개발되고 있다.
2008년 현재 리튬이온 이차전지용 국내 세라믹 시장은 1,000억원 정도이며, 이중 양극 재료가 600억원 정도인데 대부분 외국계 회사인 유미코아에서 생산, 국내업체는 시제품을 개발하여 모듈업체 적용 test중이며, 음극재료는 일부 소디프신소재에서 생산하고 있으나 상당량을 수입하고 있다.  
3.2 리튬이온 이차전지용 세라믹산업 미래비전
산업 전체적으로 보면 소형 리튬이차전지로 시작한 한국 이차전지 산업의 기술은 초소형과 중대형전지로 기술이 진화하고 있는데, 시장규모에서 보았을 때, 초소형은 중소제조업체에서 관심을 보이며 중대형은 대형제조업체에서 관심을 보이고 있다.
리튬 이온이차전지는 에너지밀도(체적당 에너지 밀도가 220~300wh/l)가 높고, 사용 전압이 3.6V여서 현재까지는 주로 소형 전지에 사용되고 있으나 <표 6>과 같이 최근에 HEV, LEV, 로봇, 공구 등에 중대형 전지의 필요성이 대두되고 있어 더많은 세라믹이 사용될 것으로 예측되고 있다. 특히, 자동차용 HEV 및 PHEV는 LG화학과 현대자동차가 공동으로 HEV용 리튬이온이차전지를 개발중이며, 자회사인 CPI와 함께 GM용 PHEV 전지를 개발중이고, SK는 HEV용과 PHEV용으로 리튬이온이차전지를 개발하여 토요타자동차의 Prius에 전지시스템을 탑재 실 주행테스트를 받고 있는 중이다. 또한 SDI는 ‘09HEV용 리튬이온이차전지의 상용화를 목표 실장테스트를 진행 중이어서 리튬이온이차전지용 세라믹의 수요는 크게 증가할 것으로 예측된다. 이들 중대형 전지에 전지가 사용되기 위해서는 양극물질의 방전용량은 200mAh/g이상 음극 물질의 방전용량은 500mAh/g이상이 되어야 고용량화, 고출력화, 고신뢰성화가 이루어질 것이다.

그림 1. PDP모듈에서 전자소재 및 부품이 차지하는 비중

표 1. PDP용 세라믹 생산업체
표 2. PDP 중장기 생산 전망                   (단위 : Kpcs) 
표 3. SOFC 기술개발현황

표 4. SOFC 시장현황

표 5. 리튬이온 이차전지 용도

표 6. 연도별 시장전망 (중대형 전지)                (단위 : 억 $) 
 

 최병헌
연세대학교 요업공학과 공학사, 연세대학교 대학원 요업공학과 공학석사
아주대학교 대학원 재료공학과 공학박사
국립공업시험원 요업과
국립공업기술원 요업기술원 공업연구사 공업연구관
현재 요업(세라믹)기술원, 수석연구원, 전자부품소재 본부장
현재 한국세라믹학회 운영위원
현재 세종대학교 신소재공학과 겸임교수
현재 한국단결정학회 감사