국내 자원을 활용한 저온소성 및 비귀금속
    내부전극용 압전 분말 소재화 및 응용 기술 개발

박인길  (주)이노칩테크놀로지 사장
노태형  (주)이노칩 테크놀로지 부설연구소 부장
이동석  (주)이노칩 테크놀로지 부설연구소 주임

1. 개요
압전체는 외부에서 가해진 응력에 대하여 전기적 변위를 일으키고 반대로 전기신호에 대해서 기계적 변형을 일으키는 물질을 말한다. 이는 전기적 에너지와 기계적 에너지가 상호 교환 될 수 있다는 것을 의미한다. 그림 1에 도시한 바와 같이 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것을 압전 직접효과(piezoelectric direct effect), 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 것을 압전 역효과(piezoelectric converse effect)라고 구분한다. 이러한 압전 특성을 응용한 제품들은 현재 레조네이터 등의 통신기기, 초음파 혈류계 등의 의료기기, LCD 백라이트용 트랜스포머, 초정밀 액츄에이터, 초음파 모터, 트랜스듀서, 각종 정밀 센서와 측정·계측기기 등 표 1에서와 같이 가정용에서부터 첨단 기술 분야까지 광범위하게 이루어지고 있다. 또한 최근에는 MEMS 기술과 함께 마이크로 크기의 액츄에이터 및 센서 등의 제작이 가능해 지고 있으며, 특히 전기/기계 에너지에서 기계/전기 에너지로의 변환을 이용하는 단방향의 압전 세라믹스와 함께 두 가지 변환을 동시에 이용해 새로운 기능을 보이는 쌍방향성 제2세대 압전 세라믹스가 개발되어 이에 따른 활용범위도 확대되고 있다.

2. 연구 배경 및 중요성
- 압전 원료 분말 국산화
압전 소재 분야에서 대부분의 국내기업이 취하고 있는 규모는 경제에 기초한 산업분야가 아니라 첨단 고유기술에 기초한 기술집약형 산업분야로 매출에 비하여 선행 기술 및 설비투자가 막대하게 요구되어 기술적 진입장벽이 대단히 높은 산업 품목이라 할 수 있다. 기술적으로는 고 신뢰성 보증이 요구되는 압전 소재 분야의 고유한 산업적 특성, 고 품질의 압전 분말 및 제품 제조 기술의 낙후, 소량 다품종에 기초한 시장 규모의 확보가 어려움 등으로 국내기술수준이 많이 떨어져 있는 실정이다. 이에 따라 국내에서 압전 원료는 주로 합성이 완료된 상태로 수입되거나, 일부는 초기 원료 상태로 수입하여 합성하여 사용되고 있다. 합성된 분말의 경우 kg당 약 4~5만 원대, 합성원료 분말의 경우 약 2~3만 원대의 가격을 형성하고 있고, 이는 압전부품에서 재료비의 50~80% 비율에 해당한다.
따라서 고품질 압전 원료 제조 기술 및 이를 기반으로 하는 고기능의 경제적인 원료소재의 국산화 개발이 절실하다. 그리고 고기능성의 압전세라믹 원료소재를 국산화함으로써 세계적으로 시장경쟁력 있는 압전 관련 응용부품 개발을 기대할 수 있다.
한편 압전세라믹 원료소재에 대한 세계 총 수요량은 표 2에 나타낸 바와 같이 2010년에 까지 약 10%로 성장하여 약 3,576톤이 사용될 것으로 예측된다. 그 중에서 사용량이 가장 큰 것은 세라믹필터, 레조네이터 등의 통신기기 분야이며, 전체 압전세라믹 원료소재 시장의 대부분을 차지하고 있다. 앞으로는 특수 용도의 압전 제품 수요가 급증할 것으로 기대되며, 이에 따라 원료소재 시장 역시 크게 증가할 것으로 예측된다. 연간 수조원에 이르는 압전관련 부품시장에서 한국업체가 참여하기 위해서는 기존의 압전 원료소재로는 경쟁력을 갖출 수 없으며 저온소성화, 비귀금속 내부전극화 등의 원료소재기술이 필요하다. 현재 내부 전극용으로 사용하고 있는 고가의 Pt, Pd 전극을 Ni, Cu 등의 비귀금속 전극으로 대체한다면 가격경쟁력에서 우위를 점할 수 있고, 고기능화를 추구함으로써 세계적으로 경쟁력 있는 압전부품을 출시할 수 있을 것이다.

- 세라믹 레조네이터 시장 규모.(압전 원료 분말 응용 분야)  
압전 레조네이터의 해외 주요 선도기업으로는 일본의 무라다, AVX, TDK가 있으며, 중국의 Jiakang이 최근 저가품 시장에서 점유율을 높이고 있다. 최대 생산은 일본 무라다에서 하고 있으며 국내시장 40%, 전세계시장 70%를 점유하고 있다. 무라다의 경우 제품의 품질이 우수함과 동시에 적절한 시기에 신제품의 출시로 시장을 선도하는 것이 시장 점유율을 유지하는 원인으로 분석된다. 또한 무라다의 경우 종합부품 메이커로서 다양한 재료 및 기술과 함께 회로 기술에 대한 방대한 data base를 기반으로 하여 압전레조네이터 기술을 선도하고 있다.
세라믹레조네이터에 대한 세계적 수요는 표3에 나타낸 바와 같이 년 평균 약 12.5%의 성장을 지속하고 있다. 이는 휴대폰(CDMA), 스토리지, 휴대용기기, 무선통신, 영상기기, 광기기 시장의 큰 성장에 기인한다. FDD와 CD-ROM등의 수요는 축소되고 있는 반면 DVD-ROM의 수요가 급증함에 따라 전체적인 ODD에 대한 수요는 증가될 것으로 예측된다. 디지털 전자제품의 지속적인 신제품 출시로 인한 새로운 수요의 창출이 계속되기 때문에 레조네이터의 소형화, 저전력화, 고신뢰성 제품에 대한 수요가 증가될 것으로 예상되며, 또한 레조네이터의 품질개선 및 성능향상을 통하여 수정진동자의 시장의 잠식이 가속화될 것으로 추축된다.
레조네이터 부문의 대일 무역 역조는 2003년 약 4000억 원 정도이지만 향 후 IT 성장속도가 매우 빨라 무역수지의 역조는 더욱 심화될 것으로 예상된다. 향후 국내 전자제품의 시장이 큰 폭으로 성장이 예상되며, 특히 휴대폰, ODD, Printer, HDD등의 IT 관련 산업의 폭발적인 성장이 있을 것으로 전망됨에 따라 레조네이터의 수요도 연 30%이상으로 성장할 것으로 예상된다. 세라믹 레조네이터는 세계시장규모가 1조원에 달하나 국산화가 미흡하여 대일 종속적인 대표적인 부품으로 국산화가 절실히 요구된다. 레조네이터의 사업화를 위해서는 독자적인 세라믹 조성물과 부품제조기술 뿐만 아니라 생산성과 품질수준이 확보된 생산기술이 절대적으로 필요하다.

3. 연구 개발 목표
압전 소재의 경우 대부분의 국내기업이 취하고 있는 규모는 경제에 기초한 산업분야가 아니라 첨단 고유기술에 기초한 기술집약형 산업분야로 매출에 비하여 선행 기술 및 설비투자가 막대하게 요구되어 기술적 진입장벽이 대단히 높은 산업 품목이라 할 수 있다. 기술적으로는 고 신뢰성 보증이 요구되는 압전 소재 분야의 고유한 산업적 특성, 고 품질의 압전 분말 및 제품 제조 기술의 낙후, 소량 다품종에 기초한 시장 규모의 확보가 어려움 등으로 국내기술수준이 많이 떨어져 있다고 판단된다. 따라서 고품질 압전 원료 제조 기술 및 이를 기반으로 하는 이러한 고기능의 경제적인 원료소재의 국산화개발을 통하여 관련응용부품을 개발함으로서 세계적으로 시장경쟁력을 확보할 수 있으므로 고기능성의 압전 세라믹 원료소재의 국산화 개발이 절실한 상황이다.

4. 결론 및 파급 효과
본 연구 개발의 성공 시에 기대 할 수 있는 성과들을 정리하였다. 첫째 고기능의 압전 원료 분말의 국산화가 가능하게 됨에 따라, 기존 수입에 의존 되어 지던 원료분말의 수입 대체가 가능 하고, 압전 응용 부품의 완전한 국산화가 가능하다. 둘째 기존의 압전 세라믹스(PZT 또는 PLT)의 경우 1200℃ 이상의 온도에서 소결됨으로 PbO 휘발로 인한 환경오염 및 압전특성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다. 또한 기존에는 Bulk type으로 압전 응용 부품이 개발됨에 따라 소형화 및 정밀제어 시스템 회로구성상 바람직하지 않았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 현재 적층형 Type 압전 응용 부품이 개발 또는 양산화 되어 지고 있는 추세이다. 그러나 이러한 적층형 압전 응용 부품의 경우 적층 시 내부전극과 함께 동시에 소성해야 한다. 따라서 1200℃ 이상의 높은 소결온도가 요구되어지는 PZT 또는 PLT계의 압전 분말의 경우 융점이 높고 화학적으로 안정한 고가의 귀금속(Pt Melting Point : 1773℃, Pd Melting Point : 1552℃)을 내부 전극을 사용하여 압전 응용 부품 가격이 상승 하였다. 실제 적층형 소자의 단가에서 내부전극이 차지하는 비중은 약 40%정도로 매우 높으므로, 1000℃이하의 저온소결이 가능한 압전 분말이 가능하다면 Ag(Melting Point : 960℃), Ag-Pd, Cu(Melting Point : 1050℃)의 비귀금속을 내부전극으로 사용할 수 있으므로 원가를 절감 할 수 있다. 연가 수조원에 이르는 압전관련 부품시장에서 한국업체가 참여하기 위해서는 기존의 압전 원료소재로는 경쟁력을 갖출수 없다. 따라서 저온소성화, 비귀금속내부전극화를 통한 원료소재를 바탕으로 한 고기능의 가격경쟁력이 있는 압전부품을 출시함으로써 세계시장에서 경쟁력을 확보 할 수 있을 뿐만 아니라, 전방의 국내 산업의 경쟁력 강화와 핵심 소재의 원천기술국으로 자리 매김이 기대 된다.

박인길
한국과학기술원 재료공학과 공학 박사.
한국과학기술원 재료연구센터 선임 연구원
(주)삼성전기 연구개발 실장
(주)삼성전기 품질보증 실장
(주)이노칩 테크놀로지 대표이사

노태형
대전 산업대학교 재료공학과 석사
한국과학기술원 전자세라믹 재료연구센터 연구원
동아전기부품 연구원
(주)이노칩 테크놀로지 부설연구소 부장

< 본 사이트에는 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>