전자부품 및 디스플레이용 무연계 나노 사이즈
Glass Powder 개발

강민수 (주)다이온 부설연구소 연구소장

1. 서론
유리소재는 전통적으로 건축용 창유리, 자동차용 유리 및 카메라용 렌즈 등에 주로 사용되어 왔으며 특히 주방용 식기, 병유리 등 우리 주거 환경에 널리 사용되고 있다. 이는 유리 소재가 가시광선 영역에서의 광학적 투명성과 높은 기계적 강도, 내화학성 등 장점을 두루 갖추고 있기 때문이다. 또한 평판 디스플레이 산업이 성장하면서, 유리 소재의 또 다른 응용분야가 형성되고 있다. 이는 유리의 열적, 전기적, 광학적 특성을 응용한 것인데, PDP 패널을 형성하고 있는 기판유리, 격벽, 상유전체, 및 하유전체 소재가 그 대표적인 예이다. PDP 패널을 구성하는 소재들은 대부분이 유리 소재를 이용하고 있으며, 이는 유리 용융물을 성형하여 사용하는 기존의 방법과는 달리 용융 및 고화된 유리를 수㎛ 크기로 분쇄한 후 액상화하여 유리표면에 도포 및 소성하는 공정으로 적용되고 있다.
Glass powder의 응용은 이미 CRT 브라운관 유리의 봉착제, LTCC 및 MLCC용 첨가제 등으로 적용되어 왔으나, 그 사용양은 전체 유리 산업에 비해 매우 미미한 수준이었다. 그러나 이러한 기술이 밑거름이 되어 최근에는 디스플레이 분야 및 전자 부품 소재분야로 많은 진전을 이루어 왔고, 최근 들어 부품 및 디스플레이 제품의 기능이 고성능화 되면서 사용되는 Glass powder의 요구 특성의 향상이 요구되고 있는바 이러한 성능을 만족하기 위해서는 Glass powder의 나노화가 절실히 필요한 실정이다.

2. 본론
가. Nano Glass powder의 현 시점
나노 사이즈의 분말은 기존의 마이크로 크기의 소재들이 갖는 물리적, 화학적, 기계적 특성이 현저히 구별되는 특성을 나타내는데 광학, 전자기적 특성, 전기화학적 특성 및 기계적 특성과 특정 크기 영역에서 다른 효과를 나타낸다.
이러한 나노 분말은 Ag, Cu, Ni 등의 메탈 형태로 제조하여 전극 또는 첨가제 형태로 사용하는 경우가 있고 SiO2, Al2O3, CeO2 등의 단일 산화물 형태로 제조하여 광학 부품용 재료로 사용하기도 한다. 또한 나노 분말은 분말 자체로 사용하기도 하고, 분산된 형태로 제조하여 코팅제, 필름 형태에서 새로운 특성을 발현하기도 한다. 그러나 현재까지의 나노 분말은 균일한 조성의 제어가 어렵기 때문에 단일 원소 또는 단일 산화물 정도의 형태로 제조하여 사용하고 있는 상황이며, Nano glass powder에 대한 연구 현황은 거의 보고된 바 없다.
Nano glass powder에 대한 기술 개발은 전 세계를 대상으로 하여 분석된 나노 소재 관련 특허 동향을 살펴보아도 알 수 있듯이 그 연구 수준이 매우 미미한 상황이다.
현재 국내의 Nano Technology 기술은 미국, 일본, 유럽에 이어 네 번째로 높은 기술력을 확보하고 있으나, 기술력 보유 수준이 1% 수준으로 매우 낮으며, 전 세계 등록 및 출원 특허를 바탕으로 조사한 국가별 나노소재분야의 기술력(표 1 참조)을 비교하면 0.68%의 특허 점유율로  현재 한국의 기술력이 매우 저조한 것으로 분석되고 있다.
한편, 그림 1에 나타낸 국내에 출원된 나노 소재 분야와 관련된 특허 동향을 보면 대부분이 나노 금속 소재 개발에 집중되어 있으며, Nano glass powder 관련 기술은 거의 전무한 상황이다.
MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor), LTCC(Low Temperature Ceramic Co-fired Ceramic), MCM(Multi Chip Module) 등과 같은 초소형, 고집적, 고적층의 소형 부품들은 제한된 공간에 다양한 기능과 높은 신뢰성을 가져야 한다. 이를 위해서는 수 미크론의 층간 두께와 균일한 소성 수축 제어가 필요하고 저온 소성의 영역에서 특성이 발현되어야 하는 까다로운 조건을 요구하고 있다. 이러한 요건을 충족하기 위해서는 기존의 마이크론 영역의 원료 분말로는 균일한 특성 산포와 신뢰성을 얻기에는 한계가 있기 때문에 모재와 전극 등 적용되는 재료들의 크기 영역이 나노화 쪽으로 연구가 진행되고 있다. 이러한 재료들 중, 첨가제 중의 하나인 Glass powder는 특히 제조가 어려운 영역으로서 최소 3~4성분계 이상의 복합 산화물 조성이기 때문에 조성 및 형상 제어가 어려운 영역이다.
90년대 후반부터 한국 산업의 큰 축을 형성한 디스플레이 산업에서 PDP(Plasma Display Panel)는 빠른 시간동안 평판 대형 크기의 TV 시장을 선도해 온 영역이다. PDP에는 상, 하유전체와 격벽, 씰링 프릿 등 많은 양의 Glass Powder가 사용되고 있는데, 현재는 2~3micron 크기의 Glass powder가 주로 사용 되고 있다. 그러나 최근에 들어서 PDP의 고정세화에 따라서 화소수가 증가함에 따라서 셀간의 거리와 셀자체의 크기가 대폭 감소하게 되면서, 사용되는 Glass powder의 성능도 고성능화 되고 있다. 특히 상판 유전체의 경우 Plasma에 의해 발광된 빛이 통과하는 층으로 내부 기공의 크기와 분포가 매우 중요한 재료로서 나노 사이즈의 Glass Powder를 사용하면 미세하고 작은 기공에 의해 높은 광투과율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
이상과 같은 전자부품 및 디스플레이용 Glass Powder는 최근 몇 년 전부터 환경 규제가 강화되면서 Pb가 없는 무연 재료로 전환이 진행되고 있다. 무연계 Glass powder는 기존의 유연계와는 다른 열특성과 표면 특성을 나타내기 때문에 적용에 많은 시행착오가 필요하며 무연계 나노 사이즈의 Glass Powder의 개발 및 적용은 거의 전무한 상태로서 향후 부품 및 디스플레이용 재료의 경쟁력의 향상을 위해서는 개발이 필수적이다. 또한 Glass Powder 원재료의 선진국 의존도를 낮추기 위해서 일본산 정제 원료 등에 대응해서 국내 및 중국산 원료를 개발하고 그 수준을 향상함으로써 최근과 같이 국제 원재료의 폭등에 따른 국내 제품의 경쟁력 하락을 막아야 하는 시점에 도달해 있다.

나. Nano Glass powder의 제조 기술
전통적으로 Glass powder의 제조는 Ball mill 장비를 이용하여 Glass 급냉물을 순수, 에탄올 등의 용액 상에서 분쇄하는 습식 분쇄 혹은 Glass 급냉물을 대기 분위기하에서 분쇄하는 건식 분쇄법이 주로 이용되어 왔다. 각각의 방식은 장단점이 있는데 습식 분쇄법은 건식 분쇄법에 비하여 균일한 입도 제어가 가능한 반면, 건조 공정이 추가되어야하며 건식 분쇄법은 습식 분쇄법에 비하여 입도 제어가 어렵다는 단점이 있다.
한편, 최근 디스플레이 분야에 적용되고 있는 Glass powder는 유기 바인더, 용매, 분산제 등으로 구성된 Vehicle과 혼합하여 Paste 상태로 사용되고 있는데, 건식 분쇄법을 이용하여 제조된 Glass powder가 습식 분쇄법 보다 우수한 분산성을 보여 대부분의 Glass powder들은 건식 분쇄법을 이용하고 있으며, Ball mill 건식 분쇄법의 단점을 보완한 fine mill, Air Jet-mill 혹은 건식 Ball mill에 분급기를 추가하는 등 보다 개선된 분쇄장비들이 도입되고 있다. 하지만, 이러한 분쇄장비들의 한계는 Sub-micron powder의 제조가 불가능하다는 것이다.
습식 분쇄법으로는 Ball mill 이외에 Beads mill, apex mill 등 보다 강력한 분쇄 설비들로 많은 진전이 있었으며, Sub-micron까지 분쇄가 가능하나 여전히 수백 nm 사이즈까지가 한계이며, Al2O3, ZrO2 ball 이나 Beads를 이용하여 분쇄하는 것이기 때문에 오염의 가능성이 매우 높은 단점이 있다.
따라서, 100nm이하의 Nano glass powder를 제조하기 위해서는 현재까지 이용된 기계적 분쇄 방법이 아닌 신개념의 제조 process 설계가 필요하다. 
본 연구에서는 제조된 Glass powder를 용융 상태에서 급냉하여 유리를 제조하는 기존의 전통적인 제조 방법에서 벗어나 Glass의 성분들을 고온에서 기화된 기체 상태에서 급냉하여 Nano glass powder를 제조하는 방법으로 접근하고자 한다.
그림 2에 본 연구에서 Nano glass powder를 제조하기 위한 모식도를 나타내었다. 1차년도 연구 목표로는 500~1000nm 사이즈의 구형 Nano glass powder를 제조하는 것으로 그림 2에 나타낸 바와 같이 기 제조된 2~5um의 유리 분말을 고온의 온도로 순간 가열하여 기체 상태로 만든 다음 상온으로 급냉하면서 약 500nm 크기의 Glass powder를 제조 할 수 있었다. 
특정 유리는 SiO2, B2O3, P2O5 등 한 성분으로도 유리화가 가능하나 전자 부품 및 디스플레이 분야에서 요구하는 많은 특성들을 만족하기 위해서는 최소 5성분계 이상의 성분으로 구성된 유리가 응용된다. 이 제조법은 기상 합성법을 응용한 것이기 때문에 유리 조성의 성분이 증가할수록 정밀한 조성 제어가 어렵다는 문제가 있는데 따라서, 목표로 하는 유리 조성을 합성하기 위해 투입하는 원재료의 혼합비를 어떻게 제어하는가와 혼합된 원재료를 균일하게 투입하는 기술 또한 확보되어야할 과제이다.
다른 한편으로는 유리의 구성성분들을 기화시키기 위한 온도 설정의 문제가 있는데 유리를 구성하는 성분마다 기화되는 온도가 모두 다르기 때문에, 설계된 유리 조성에 맞는 온도 설정이 매우 중요하다. 그리고 기화된 성분들을 급냉하는 과정은 Glass powder의 크기를 직접적으로 결정하는 공정으로 고온의 온도에서 냉각되는 Glass의 구성 성분들은 유리의 기화온도 이하에서 액상을 형성한 후 유리 전이온도에 도달할 때까지 액적의 크기가 성장하게 되고, 온도가 그 이하로 감소하게 되면, 완전히 고화되어 하나의 분말을 형성하게 된다. 따라서 기체 상태의 유리 구성 성분들을 급냉하는 속도가 빠를수록 더욱 작은 크기의 Glass powder를 제조할 수 있다. 마지막으로 합성된 Nano glass powder의 회수 및 Nano glass powder의 응집을 방지하는 기술이 중요한 과제인데 매우 높은 온도에서부터 냉각되기 때문에 Nano glass powder를 회수하는 시점에서의 온도를 예측하기가 어려울 뿐만 아니라, 유리 전이온도 부근에서 Glass powder간의 응집형상이 발생할 가능성이 있기 때문에 이를 제어하는 기술 개발이 요구된다. 물론, 이러한 문제점들이 해결 불가능 한 것은 아니다. 실질적으로 본 연구 개발 영역 이외의 분야에서는 각 각의 문제점들이 해결되어 각 각의 해당 공정 및 설비에 적용이 되고 있다. 따라서 각 해당 분야의 정보와 기술력을 취합하여 본 연구 개발에 맞게 적절히 응용한다면, 당면 과제를 하나하나 해결해 나아갈 수 있으리라 판단된다

3. 결론
앞서 언급한 바와 같이 Nano glass powder 소재 분야는 전 세계적으로도 미개척 분야이며, 본 연구 과제가 완료되는 시점인 2009년도에는 Glass powder의 세계시장이 수 천 억 원 규모로 성장할 것으로 예상된다. 따라서 향후 본 연구 개발을 통해 개발된 Nano glass powder는 기존의 전자 부품 및 디스플레이 소재를 대체하여 연간 약 1600억 원의 시장을 창출 효과뿐만 아니라, 그 동안 미국, 일본 등에 뒤쳐진 분야에서 벤치마킹하여 접근 하는 현 실태를 탈피하여 선도하는 분야로 전환 할 수 있다는 큰 의미를 가지고 있다.노령화로 노동시장을 외국에 개방할 수밖에 없는 일본에서 우리나라의 인재는 앞으로 인기가 있을 것이다. 얼굴도 생각도 비슷하고 근면 우수하기 때문이다. 당신의 관심 분야도 있을 것이다. 한일 융합의 시대 새로운 전략이 필요하다.
 참고문헌 NT특허 분석 보고서, 한국특허정보원, 2004년 12월,

그림 1. 국내 나노 소재 특허 동향
그림 2. Nano glass powder 합성 process

강민수
이노칩테크놀로지 창업멤버(2000~2001)
대주전자재료 디스플레이재료사업부장(2002~2004)
(주)다이온 부설연구소 연구소장(2005~현재)

< 본 사이트는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>