전기전자부품용 고기능 원료소재의 신뢰성 평가 및 응용 기술 개발

송준광  한국산업기술시험원 신뢰성기술본부 재료평가팀
전민석  한국산업기술시험원 신뢰성기술본부 재료평가팀

1. 서론
전기전자부품 고기능 원료소재화는 자원의 가공, 공정개선, 요소기술융합 및 신뢰성 확립을 통해 응용 제품의 고부가가치를 부여하는 기술로서 본 기술개발에서는 전기전자 및 디스플레이 소재를 대상으로 Table 1에 나타낸 것처럼 각 세부 응용 분야를 설정하여 요구되는 기초특성, 성능 및 신뢰성을 도출하여 세부 품목에 최적화된 평가기술을 개발하고 있다.
본 기술 분야는 고도 기술력을 요구하는 고부가가치 제품이 주종을 이루며 외국 선진 기업들은 원료소재의 기초기반기술에서 비교 우위를 점하고 있다. 국내의 원료소재 산업의 경우 관련 제품은 급속히 발전하고 있으나 기술의 근간이 되는 핵심 원료소재는 거의 수입에 의존하고 있다. 일부 원료에 대한 고기능화 기술은 기초적 단계에 머무르고 있으며 특히 고부가가치 원료소재 상용화는 매우 미흡한 실정이다.
이러한 원료소재의 상용화 지연 이유로는 ① 연구개발이 부품, 세트 중심으로 진행, ② 원료소재별 특화된 특성, 성능 평가 기술이 부족, ③ 원료 정제, 혼합, 소성 등에 대한 전문적인 기술 정립 및 체계화가 미흡하며 ④ 관련 응용소재의 내구성 및 신뢰성 판단 기준의 부재로 사용자의 위험부담이 크다는 데 있다. 따라서 본 기술개발에서는 전기전자부품용 고기능 원료소재에 대해 첫째, 관련 해외 기술 동향 파악, 체계적이고 전문화된 기초특성 및 성능 평가기술과 상용화를 위한 응용기술 지원체계 확보하고 둘째, 제품 응용을 위한 내구성/신뢰성 평가 연구 D/B를 구축하여 최종적으로 개발 원료소재의 인증지원체계 구축 및 상용화 지원을 목적으로 하고 있다.
2. 관련 기술개발 현황
국내의 경우 IT 산업의 발달로 전자부품, 반도체, 디스플레이 분야에서 제품개발 및 생산 기술은 세계적인 수준을 유지하고 있으나 고부가가치 원료 및 소재 분야에 대해서는 기술 선도국가와 평균 5년 이상의 기술력 차이를 보이고 있다.
한 예로 수입중인 압전/유전체 원료의 경우, 수입사가 제시하는 원료사양서의 스펙상으로만 제품의 품질이 확인되고 있으며 국내에서 원료가 개발되는 경우 이를 실공정에 적용할 때 기초/성능 특성 평가 기술 부족, 스펙 선정 및 적용 시스템 부재로 상용화가 어려운 실정이다.
특히, 원료소재의 일부를 제외하고는 제품 응용에 필요한 기초·성능 특성 평가기술, 응용 기술 및 신뢰성 평가 기술의 한계로 사용 원료는 거의 해외에 의존하고 있으며 원료를 가공하여 기능을 부여하는 소재화 기술 또한 상대적으로 부족한 실정이다. 원료소재화에 있어 핵심 기술은 가공 설계 기술, 소재화 및 고기능 부여 그리고 개별 원료소재의 평가 기술 개발에 있으며 이를 부품화하여 신뢰성 입증을 통한 원료소재의 적합성까지 평가할 수 있는 툴이 마련되어야 할 필요가 있다. 이를 통하여 공급자와 수요자간 신뢰의 연결고리가 형성 고기능 원료소재 국산화가 앞당겨 질 것으로 예상된다. 따라서, 기초특성/성능 및 신뢰성 평가 연구, 이를 통한 국내 개발 응용 제품의 공정 최적화 및 상용화 지원 체계 마련을 통한 전기전자부품용 원료소재의 국내외적 기술 경쟁력 확보가 절실한 상황이다.
전기전자부품용 고기능 원료소재는 제품의 핵심 요소인 성능, 신뢰성 등이 상당 부분 원료소재에 의해 결정될 정도로 그 중요성이 부각되고 있고, 전기전자 기기의 발달 및 적용분야 확대로 수요가 급격히 증대되고 있고 최근 전기전자관련 원료소재는 자체적 산업군을 형성할 정도로 성장하였다. 사용 원료소재를 따라 제품의 성능이 향상되고 관련 산업 경쟁력이 좌우되며, 신개념의 원료소재가 탄생하면서 산업의 경쟁력은 물론 경제 성장의 중요한 원동력의 핵심요소의 위치를 차지한다.
특히 일본 기업들이 고기능 원료소재 시장을 주도하고 있고, 차세대 고기능성 전기전자재료에 강점을 보이며 세계 원료소재 공급기지로서의 역할을 하고 있다. (Fig. 2) 이에 반해 국내 산업에 사용되는 고품질 원료의 대부분이 일본에서 수입되고 있다. 따라서, 대일본 무역역조 현상 개선, 원가절감 및 기술격차 해소를 위해 국내 개발 응용 제품에 대한 공정 최적화 및 신뢰성 기반 기술 확보가 필요하다.
선진국의 경우 고기능 원료소재 기술을 전략화/자원화하는 추세로 원료소재의 내구성 및 신뢰성 평가기술에 관련하여 신뢰성 기술은 원료소재 선정 단계부터 최종 제품에 이르기까지 전 과정을  종합적으로 분석하게 하는 툴로서 인식되고 있으며 미국 에너지성은 세라믹 소재의 산업 적용의 성공의 열쇠로 평가 및 신뢰성 기술 확보를 언급하고 있다.
국내의 경우 원료소재의 중요성과 세계적 추세를 인지하여 국가기술지도등에 원료소재 분야를 포함시켜 다양하게 발전을 모색 중이나 선진국 대비 낮은 투자 및 기술 수준과 연구개발과 상용화의 연결고리 부재로 표준화 및 신뢰성 기술 확보를 통한 고기능 원료소재 국산화 확대를 위한 정부 주도하 체계적 지원이 절실히 필요한 실정이다.

3. 국내·외 신뢰성 기술 및 특허 현황
국외 원료소재 평가와 관련하여 기초특성, 성능 평가 등에 대한 다수 기술을 규격화하고 있으며 각 제품 및 응용 분야별 규격까지도 표준화가 상당히 진행되었고 특히 미국의 경우 국가기관 차원에서 전문적 연구 지원을 수행중이다.
ISO (TC206)에서 세라믹스 평가방법과 내구성에 대한 평가기준의 정립을, NIST(Material Science & Engineering Lab.)에서는 다양한 분야에서 활발한 평가 기술 연구가 진행 중으로 세계 수준의 연구실적과 데이터를 축척하고 있으며, DOE에서는 전문적 내구성 및 신뢰성 평가 기술 연구를 진행하여 Advanced ceramics에 대한 2020년 까지의 장기 연구개발계획을 수립하여 진행중에 있다.
단순 특성 평가 기술을 확립하는 단계를 지나 복합적 평가기술을 확립하는 단계로 진행되고 있으며 더 나아가 수명 연구까지 국가 기관 주도로 강력히 추진되고 있는 상황이다.
국내에서는 일부 연구기관 및 대학 등에서 관련 연구가 진행되었으나, 상용화를 위한 응용·실증 기술 및 신뢰성 평가에 관련한 연구는 매우 부족하며 특히 고부가가치용 원료소재 중심의 공정 최적화를 위한 평가 기술 개발은 다루어지지 않은 실정이다. 원료소재에 관한 일반 공통적 평가에 관해서만 일부 규격이 마련되어 있을 뿐, 응용기술별 특화된 기초특성/성능평가 기술 및 내구성/신뢰성 평가 기술 표준화가 시급히 요구되는 상황이다.
국가별/연도별 출원 동향을 살펴보면, 1990년대 들어와 꾸준한 증가세를 보임, 전체 조사 특허 중  일본이 약 72%로 압도적인 우위를 보였으며 한국의 경우 1990년 이후 2000년 까지 꾸준히 출원이 증가하는 것을 볼 수 있다.
기능별 특허 출원 동향에서는 기술별로 유전재료가 전체 약 30%로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 다음으로 절연, 압전, 전도 기능소재 순을 나타내었다. 

4. 원료소재의 평가 및 수명예측기술
본 사업은 국내외 자원을 활용하여 전기전자부품용 고기능 원료소재 및 응용 부품의 개발을 위한 ① 기초특성 및 성능의 평가기술 표준화 ② 기반 공정 최적화 기술 개발 ③ 신뢰성 평가 기술 개발 및 기술 체계 구축을 목표로 1단계에서 평가기술 개발, 공정 및 응용 기술 연구를 2단계에서 상용화를 위한 신뢰성 평가 기술 연구 및 지원을 계획하고 있다. (Fig. 5)
전기전자부품의 신뢰성을 구성하는 요소로는 기초특성, 성능, 내구성 및 수명이 있다. 즉 신뢰성은 원료단계에서의 조성비 및 제조 조건 등의 설계, 공정품의 중간 평가, 응용시제품의 내구성시험 및 수명 예측 그리고 피드백 연구를 통한 특성 향상의 전체적 프로세스를 나타낸다.(Fig. 6) 고기능 원료소재별 상용화 단계로는 개발 기획, 개발자체평가, 공정최적화 실증, Scale up연구, 시제품제작 및 평가 그리고 상용화로 이루어져 있으며(Fig. 7) 각 단계에서 기반기술로는 기초특성 평가기술 확립, 기반 공정기술 확립, 성능평가기술 확립 및 신뢰성평가기술이 있으며 각 기술을 설명하면 다음과 같다.
기초특성으로는 사용원료분체의 입도, 비표면적, 결정성 등이 있으며 응용된 전기전자부품의 성능으로는 유전율, 유전손실, 온도계수, 압전상수 등이 있다. 내구성은 다양한 사용 환경에서 전기전자부품의 품질 특성이 유지되는 정도를 나타내는 것으로서 열·기계적 스트레스의 경우 열충격피로, 고온안정성, 열충격저항성이 있으며 환경적 스트레스에 대한 것으로 내습성, pH안정성 및 내화학성 등이 있다.
기존의 내구성 시험은 일반적으로 단일 조건하에서 수행됨으로 실제 필드에서 전기전자부품에 인가되는 복합적 스트레스를 반영할 수 없는 문제점이 있다.
이에 본 연구에서는 부품이 사용되고 있는 환경 조건을 구체적으로 조사하고 실제 현장 응용에 가장 유사한 조건에서의 내구성 평가 방법 수립을 진행하고 있으며 정립된 시험 조건하에서 내구성시험을 수행하여 개발된 전기전자부품의 내구성에 가장 치명적 영향을 주는 스트레스를 도출하여 발생한 고장에 대해 재료 측면 고장물리(Failure physics)를 적용·분석하여 근본적 고장 메니즘 규명 및 가속시험을 통한 수명 예측을 함으로서 개발된 고기능 원료의 상용화 지원을 수행하고자 한다.
본 기술개발을 수행하기 위한 추진조직체계는 Fig. 8와 같으며 각 참여업체에서 개발중인 원료소재 및 응용제품에 대한 평가기술, 시험 D/B 제공 및 상용화 기술을 지원하며 상호 정보를 공유할 수 있는 네트웍을 구성하여 애로점을 해소한다. 위탁기관으로 한밭대학교 및 USC(university of southern california)가 있으며 각각 XPS 및 X선 흡수분광법을 이용한 원료소재의 화학 구조 분석 및 하이브리드 원료소재 TEM 평가 및 실시간 기계적 특성 평가를 담당하여 고기능 원료소재의 상용화를 위한 기초기반 연구를 수행중이다.
현재 본 기술개발은 1단계 2차 년도를 진행 중에 있으며 1차 년도에는 각 참여업체별 원료 소재에 대한 기초 특성 시험법 개발을 수행하였다.
이러한 기초 특성 시험법 개발은 고부가가치의 응용 소재 개발 시의 다양한 공정을 정확하게 제어하는 데 필수적 요소이다.
따라서 원료 소재 공급자의 데이터 자체에 의존하기 보다는 산업 현장에서 사용되고 있는 원료 소재 각각에 독립적이고 재현성 있는 분석법을 개발하는 것을 목표로 하여 연구를 수행하였다.
이에 따라 본 연구에서는 전기전자부품용 고기능 원료소재의 특성평가방법 표준화 연구를 Table. 2같이 분류하여 수행하였으며 각 품목별로 기초 특성 평가법에 관한 규격안을 마련하였다.

5. 결론 및 향후 계획
본 기술 개발 연구를 통해 기술적으로 전기전자부품용 고기능 원료소재의 국산화 개발 활성화에 도움이 예상되며, 이를 통해 응용분야별 기초특성/성능 평가 기술 제공, 제조 공정 간의 평가기술 확립으로 인한 공정 안정화 및 제품 수율 향상 및 단체 규격화 및 이의 관련 업체 전파를 통한 타 원료소재 기술 향상 효과가 기대된다.
또한 고기능화 요구에 대한 능동·신속한 대처로 정밀·정확한 평가기술의 적기 적용에 따른 제품 성능 향상과 제품 불량률 개선 및 신뢰도 향상을 꾀할 수 있을 것이다. 그리고 고기능 원료소재 및 관련 제품 등에 대한 수명예측기술 확립에 의한 제품 업그레이드로 신뢰성에 바탕을 둔 제품 설계 기술 향상 및 축적된 신뢰성 데이터 및 설계 기준 및 기술 간의 상호 피드백 연구를 통한 제품 성능 개선 및 신수요 방안을 도출할 수 있는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
산업·경제적 측면에서 원료소재의 고부가가치 구현으로 국제 시장 경쟁력이 강화되어 첫째, 국산화 원료소재 사용에 따른 제조원가 절감 및 가격 경쟁력 상승, 둘째, 고기능 원료소재 개발을 통한 세계 시장 선도, 그리고 원료소재 국산화를 통한 부품소재 대외 의존도 감소가 기대된다.
또한 제품 성능 향상에 의한 매출 신장 및 수출 다변화 효과를 가져와 수입의존성이 강한 전기전자부품용 원료소재의 국산화 및 국산 제품에 대한 신뢰도 제고를 통한 관련 부품/소재의 국산화 유도 및 수출 증진과 개발된 고기능 원료소재의 다양한 분야에 응용되어 고부가가치화를 이룰 수 있을 것으로 기대된다.
본 기술 개발을 통해 구축된 인프라는 산학연 협력 거점으로서의 역할을 수행하여 첫째, 시험평가 기술의 관련 기업 보급 및 활용, 둘째, 산·학·연간 유기적 협력체제를 통한 시너지 효과 창출, 그리고, 시험 평가 기술 및 장비 공유를 통한 인증 지원에 필요한 기초 데이터로 활용될 것이다. (Fig. 9)

※본 개발과제는 산업자원부 에너지·자원기술개발사업의 일환으로 지원, 수행되고 있습니다.

송준광
연세대학교 세라믹공학과 공학사
연세대학교 대학원 세라믹공학과 공학석사
연세대학교 대학원 세라믹공학과 공학박사
한국산업기술시험원 선임연구원
미국 NIST 방문연구원

전민석
한양대학교 무기재료공학과 공학사
한양대학교 대학원 무기재료공학과 공학석사
한양대학교 대학원 무기재료공학과 공학박사
(주)메타텍 기능재료연구소 과장
한국산업기술시험원 선임연구원

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