나노구조체 지능형 세라믹소재기술 및
산업적 응용전망
장호원 KIST 전자재료연구센터 선임연구원 | 윤석진 KIST 미래융합기술연구본부 본부장

1. 서 론

미래 핵심산업인 USN(Ubiquitous Sensor Netwok), 로봇, 지능형 자동차, 우주개발 분야의 기술적 메가트랜드인 초소형화, 고집적화, 복합다기능화, 고성능화를 구현하기 위해서는 기존의 관념을 초월하는 새로운 소재 및 공정기술이 필요하다. 따라서 인간의 오감기능을 재현하거나 다양한 자연환경의 변화를 감지/인식하여 자기진단, 대처 및 자가발전 기능을 부여하는 복합기능 소재기술로 양질의 기능성 세라믹 소재를 포함하는 지능형 세라믹소재(smart ceramic materials) 개발이 원천기술의 확보측면에서 매우 중요하다. 이와 더불어 개발된 소재를 저가의 공정을 통해 필요로 하는 소자 및 모듈로 구현하기 위한 다층 세라믹 박막 제조 기술 및 3차원 형상 나노구조체 소재 제조 기술을 일련의 공정으로 집적화하고 반도체 소자 공정과 결합함으로써 다중감응 기능을 갖는 지능형 세라믹 소재를 단일 기판상에 소형으로 구현할 수 있는 in-situ 지능형 세라믹 제조공정 기술도 동시에 개발되어야 한다. 그림 1은 지능형 세라믹 소재에 대한 정의를 도식화한 것이다.
내환경성이 우수한 세라믹소재 기반 3차원 나노구조체 소재 및 공정 기술개발을 통한 차세대 산업용 극한 기술의 상용화 기반 기술개발의 필요성이 확대됨에 따라, 미래 제품 트랜드에서 요구하는 기술 융합화를 위해서는 소재 및 부품의 집적화 기술 개발이 필수적이며, 이를 통해 원천기술 확보 및 국가경쟁력 향상을 실현할 수 있다. 따라서 지능형 세라믹 소재는 소형 및 다기능 및 지능화를 추구하는 미래의 유비쿼터스 환경, 휴먼로봇, 무인 자동차, 우주개발 및 에너지 효율 증대를 위한 차세대 시스템에 널리 응용될 수 있다. 그림 2는 지능형 세라믹 소재의 다양한 응용분야를 보여준다.
세라믹 소재는 금속이나 폴리머와 달리 매우 강한 결합력을 가져 고온안정성, 내화학성, 내구성 및 친환경적인 장점을 가지나, 세라믹 소재를 에피 박막형태로 성장시키거나, 구조를 나노구조로 제어하여 그 기능을 고기능화 하는 등 산업 수요에 맞도록 소재를 제조하는 것은 매우 어렵다. 따라서 국내 반도체 산업분야에서 발달된 박막제조기술 및 나노기술을 적용한 소형화, 다기능화, 지능화된 세라믹소재를 개발하는 것이 반드시 필요할 것으로 판단된다. 미래 USN 사회의 기반 기술인 센서기술과 관련된 시장 규모는 센서의 경우 2010년 약 290억 달러에서 2020년에는 725억 달러 규모로 150% 이상 성장할 것으로 전망된다. 이는 지능형 센서의 필요성이 급증할 뿐만 아니라 다기능 고감도의 고급 센서에 대한 신규 시장이 형성될 것으로 기대되기 때문이다. 또한 나노소재 및 공정기술을 이용한 MEMS형 소자와 바이오칩 등도 의료, 환경산업의 급성장으로 2010년 280억 달러에서 2020년 700억 달러 정도로 고도의 성장세를 보일 것으로 기대된다.
지능형 세라믹 소재의 물리적, 화학적 특성은 그 소재의 나노구조에 크게 의존한다. 따라서 지능형 세라믹 소재의 나노구조를 변화, 제어하는 기술은 소재의 특성을 향상시키기 위한 핵심기술이라 할 수 있다. 예를 들면 세라믹 후막을 이용한 반도체식 가스 센서의 경우, 후막을 구성하는 세라믹 입자의 직경을 수 nm으로 줄이게 되면 센서의 감응도를 획기적으로 높아지게 된다 [1]. 미국, 일본, 유럽 등 선진국과 마찬가지로 국내에서도 나노기반 지능형 세라믹 소재에 대한 원천기술개발사업이 활발히 진행되고 있다. 이에 본고에서는 지식경제부 주도하에 진행되고 있는 나노구조체 지능형 세라믹 소재에 관한 소재원천기술개발사업의 세부기술별 추진 현황과 산업적 응용전망을 살펴보고자 한다.

그림1. 지능형 세라믹 소재의 정의

그림2. 지능형 세라믹소재의 응용분야

그림3. 반도체식가스센서의 변천과정

그림4. A) 나노구조 세라믹 박막 기반 4 x 4 센서 어레이, B) 다양한 형태의 가스 감지용 나노구조 세라믹 박막, C) 나노구조 형상 제어에 따른 세라믹 박막의 가스 감응도 변화, D) 나노구조 세라믹 박막의 가스 감지 원리 

2. 본 론

가. 지능형 3차원 형상 세라믹 박막 소재 및 집적화 기술
미래의 전자기기는 소형, 환경 친화적, 다기능, 고성능을 지향하는 방향으로 발전하게 될 것이며, 따라서 각종 전자기기의 부품은 환경 친화적인 세라믹 소재를 기반으로 소형화, 다기능화, 지능화 형태로 점차 대체될 것이다. 대표적인 예로 그림 3과 같이 세라믹 소재 기반의 반도체식 가스 센서의 변천 과정을 보면, 과거에는 세라믹 후막을 이용하여 소수의 특정 가스를 감지하는 개별 센서가 사용되었고, 현재에는 반도체 MEMS 기술을 접목하여 여러 가스를 하나의 센서칩으로 감지할 수 있는 박막 센서 어레이가 개발되어 점진적으로 보급되고 있다. 가까운 미래에는 세라믹 나노막대로 구성된 박막 가스 센서가 스마트폰에 내장되어 언제 어디에서라도 손쉽게 활용될 수 있는 시대가 도래할 것으로 예상된다.
한국과학기술연구원에서는 세라믹 다층 박막을 제조하는 기술을 바탕으로 3차원 나노구조체를 in-situ 공정으로 집적화하고 부분식각, 선택적 패터닝 등 반도체 제조공정기술을 적용함으로 기능성 복합소자를 단일 기판 상에 소형으로 구현하고자 하는 연구를 진행 중이다. 다양한 기능성 세라믹 소재의 나노 구조제어 기술 및 집적화 기술을 통하여 소재의 고감응성 및 정확한 정보량을 인식기능을 확보하고자 한다. 세라믹 소재는 내화학성, 내부식성, 고온안정성 등의 원천적인 물성을 가지며 따라서 금속 물질로는 구현이 불가능한 극한환경에 적용이 가능하다. 이러한 기술은 상황인식 및 대처 기능을 갖는 시스템의 소형화 및 지능화에 널리 응용될 것이다. 그림 4A는 한국과학기술연구원에서 대기환경모니터링 센서 또는 자동차 및 실내환경 공기질 센서로 응용하고자 개발 중인 4 x 4 세라믹 박막 가스 센서어레이의 모식도를 보여준다. 센서 어레이를 구성하는 세라믹 박막은 그림 4B에서 볼 수 있듯이 다양한 형태의 나노구조 형태를 가지게 되어 높은 가스 감응도와 빠른 가스 감지 속도를 나타낸다. 또한 그림 4C와 같이 나노구조 세라믹 박막의 미세 구조를 정밀하게 제어함으로써, 개별 나노구조체 사이의 전계 장벽을 조절하여(그림4D) 가스 감응도를 보다 획기적으로 향상시킬 수 있다 [2].
향후 센서 어레이의 내구성, 신뢰성, 재현성을 확보하게 되면, 개발된 센서어레이는 공기질 센서 뿐만 아니라 그림 5와 같이 하나의 센서 어레이로 어떠한 종류의 가스도 모니터링할 수 있는 전자코가 가능할 것으로 사료된다. 특히 사람의 날숨으로 병을 진단할 수 있는 호흡 진단기 분야로의 응용성이 매우 클 것으로 예상된다.

그림 . 지능형 센서 어레이의 적용 분야（출처: NASA) 
나. 실시간 저전력 가스 감응 세라믹 나노 구조체 소재 기술
고려대학교에서는 나노 중공구조, 나노선, 나노 계층구조, 나노촉매 등 나노구조 소재 또는 새로운 가스감응소재를 이용하여 피검가스가 가스감응 물질에 도달하는 확산속도 및 가스감응 물질 표면에서 일어나는 표면반응의 속도를 극대화하는 방식으로 가스 응답속도 및 회복속도를 10초 이내로 줄이고, 가스 감도 및 선택성을 추가적으로 부여하는 기술을 개발 중이다. 통상의 가스센서는 신속감응 및 확산을 위하여 주변온도를 높여주어야 하나 나노구조를 잘 제어하게 되면 비교적 낮은 온도에서도 목표로 하는 시간 내에 미세량을 적절히 검출할 수 있는 소재의 개발도 가능하다.
가스 감응성을 극대화하기 위해서는 표면적이 큰 나노분말을 이용하는 것이 바람직하지만, 작은 나노입자는 쉽게 응집되어 가스의 확산을 어렵게 하는 문제가 있다. 가스 감응을 빠르게 하기 위해서는 가스감응물질 내에서 가스의 확산이 용이하고, 반응물질의 dimension이 작은 것이 좋다. 가스 확산이 어려울 경우 응집체의 전체 입자가 반응에 참여하기 어렵고, 각 응집체의 dimension이 클 경우, 전자공핍층이 형성된 입자가 응집체의 표면에만 존재하게 되어 실시간 가스 감응이 어려워지는 문제가 발생한다. 따라서, 실시간의 가스 감지를 위해서는 응집체의 dimension을 최소화하는 것이 관건이다. 그림 6은 In2O3 나노구조체 형태에 따른 가스 반응 속도 차이를 잘 보여준다 [3]. 나노입자의 응집으로 인해 보다 큰 입자가 형성되면 큰 입자 내부로의 가스 확산이 원활하지 않아 반응 속도가 매우 느리다. 반면에 기공도가 높은 나노중공구조에서는 가스 확산이 원활하여 반응 속도가 상당히 빠르다.
가스 감지 속도가 나노중공구조 및 1차원 나노구조 기반의 반도체식 세라믹 가스 센서는 향후 대테러, 산업안전, 국방 분야에서 유해 폭발성 감지용 센서로서 응용가능성이 매우 크다.

그림 6. A) In2O3 나노구조체 기반 가스 센서의 가스 감응곡선, B) 나노구조체 형태에 따른 가스 반응 속도 차이를 나타낸 모식도

다. 고감도 바이오·환경 감응 세라믹 나노 하이브리드 소재 기술
한국세라믹기술원에서는 세라믹 나노구조체와 화학/바이오 물질의 융합 소재에 관한 연구를 진행 중이며, 양자점과 다공성 세라믹으로 구성된 나노 하이브리드 소재는 1) 비표면적의 획기적인 증가, 2) 나노구조에 의한 초고감도, 3) 고선택성, 4) 광학적인 고감도 검출기법을 사용할 수 있어 초고감도 감응소재를 구현할 수 있는 장점이 있다. 휘도 및 안정성의 개선이 요구되는 유기형광물질 기반의 기존 바이오?환경 물질 감응소재와 달리, 물리·화학적인 환경 하에서도 안정성이 뛰어나고, 바이오·환경물질에 고감도 구현이 가능한 3차원 다공성 세라믹에 나노점이 고집적화된 세라믹 나노 하이브리드 소재를 개발하고 있다.
한국세라믹기술원에서 제안하는 기술인 다수의 양자점을 집적한 하이브리드 나노구조체는 그림 7과 같이 형광 밝기 측면에서 단일 양자점의 수백에서 수천 배 이상의 밝기를 가지게 된다 [4]. 이러한 나노 하이브리드 구조체를 이용하면 밝기에 비례하여 민감도가 증가하는 초고감도 검출 시스템 구현이 가능하다. 또한 센서의 감지부를 나노구조체로 대체하면 비표면적 증가에 따른 센서의 민감도 향상에 따른 감지한계의 대폭적인 향상과 더불어 소형화에 유리하다. 물리·화학적인 환경 하에서도 안정성이 뛰어나고, 바이오·환경물질에 고감도 구현이 가능한 세라믹 나노하이브리드 소재를 개발하여 인체나 혈액 내에 존재하는 NO 등과 같은 극미량의 분자를 InVivo 진단 검출하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 저차원의 세라믹 나노구조체와 특정 생화학 물질이 결합된 융합 구조를 갖는 세라믹 나노 하이브리드 소재는 나노 센서에 응용은 물론이고, DNA 컴퓨터와 같은 바이오 전자 소자분야의 새로운 장을 열 수 있는 차세대 핵심기술로 각광받고 있다.

그림 7. A) CdSe 양자점 크기 제어에 따른 밴드갭 변화, B) 세라믹-양자점 하이브리드 나노구조체 형성에 따른 형광 변화

라. 마이크로 에너지 변환 지능형 세라믹 소재 기술
전자부품연구원에서는 기존의 단위 소재보다 성능이 획기적으로 우수한 압전 세라믹 소재, 변위가 용이하고 유연성 확보가 가능한 지능형 압전 세라믹-폴리머 복합 소재 및 3차원 이형(heteromorphic) 적층 패터닝 공정 기술에 의한 압전 다중 복합 진동모드 활용 기술를 개발하여 초소형, 경량화의 한계를 극복하고 실용화 가능한 진동에너지 하비스팅 자가 발전기를 개발 중에 있다.
유비쿼터스 센서 네트워크(USN), 홈네트워크, 재난 방재 시스템, 멸종위기 동물추적 시스템, wearable PC 등에 필요한 각종 전자기기들은 정보를 인식하고, 무선 송수신하기 위해 전원이 필요함은 주지하는 사실이다. 현재는 이러한 네트워크를 구성하는데 센서 노드점에 배터리 채용을 고려하고 있으나 진정한 기술완성은 독자적인 자가발전형태의 에너지를 확보하여 영구적으로 동작되기를 희망하고 있다. 특히 배터리 충전, 교환이 곤란한 시스템에 있어서 자가발전시스템은 더욱 절실한 상황이다. 자가발전을 위해 자연에서 얻을 수 있는 에너지 소스로 태양에너지를 활용한 solar cell은 많은 각광을 받고 있으나, 실내에서의 에너지원으로는 부적합한 실정이다. 따라서 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 각종 기계적 에너지로부터 발전시스템을 구현하는 것이 가장 쉬운 방법이며 압전 소재는 이러한 분야에서, 기계에너지를 직접 전기에너지로 변환시키므로 별도의 변환장치가 필요 없이 소형 경량화에 적합한 최적의 발전시스템용 소재라고 말할 수 있다.
특히 그림 8A와 같이 USN 분야에서는 센서와 통신 모듈에 구동에너지를 공급하는 배터리의 소형 경량화 필요성이 증대되고 있고, 배터리의 교환 및 충전의 불편함이 없도록 동작 중에 자체 발전하는 시스템을 만들어 반영구적 에너지원을 구현하고자 노력중이다. 진동에너지를 에너지원으로 이용할 경우 전기를 발생시키는 압전 소재는 그림 8B처럼 캔틸레버 형태로 제작이 된다. 세라믹 압전 소재만으로 캔틸레버를 제작하면 세라믹의 취성(brittle) 때문에 구조적으로 장기 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 압전 캔틸레버를 그림 8C처럼 다양한 구조의 세라믹-폴리머 나노복합체로 만들게 되면 기계적 안정성도 늘어날 뿐만 아니라 변위도 크게 가져갈 수 있는 장점이 있다. 압전 세라믹 폴리머 복합소재를 이용하여 고신뢰성 소형 자가 발전기가 개발되면, USN 전원공급, 자동차 타이어 자가 진단, 긴급 휴대폰 전원 공급 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

그림 8. A) USN용 센서 노드, B) 진동에너지 하비스팅용 압전 캔틸레버, C) 다양한 구조의 세라믹-폴리머 나노복합체

마. 상온 분사 공정에 의한 다층 박막 소재 및 in-situ 성막 기술
센서의 성능을 높이기 위해서는 원천적으로 고감도 물리량 감지 소재의 개발과 이를 위한 새로운 박막소재 제조공정기술의 개발이 필요하다. 또, 최근 소자의 소형화 및 다양한 물리적 자극을 동시에 감지하는 센서를 구현하기 위하여 이종의 센서 소재들로 이루어진 다층 박막 물리량 감지 소재 기술이 필요하며, 이를 통해 센서의 복합감지 기능, 환경에 따른 신호 잡음 보상, 초소형화를 이룰 수 있다. 아울러 상업화를 위해서는 양질의 세라믹 박막을 고속으로 대면적화하는 기술이 필수적이나, 현존하는 기술로써는 고속성막, 대면적화, 고밀도화 및 복합 다층화의 요구조건을 모두 만족하는 세라믹 성막공정은 개발되지 상태이다.
재료연구소에서는 고속 대면적, in-situ 성막이 가능한 상온 분사 공정에 의하여 세라믹 및 금속 모재의 표면에 강한 결합력을 가지는 고감도 복합 물리량 감지 다층 세라믹 박막소재를 개발하고 있다. 사회간접자본 및 항공기 등 대형 구조물의 구조 안전진단 센서, 로봇용 촉각센서 등에 적용되는 물리량 감지센서가 고감도, 고분해능을 가지기 위해서는 고특성을 가지는 물리량 감지 소재가 원천적으로 필요하며, 특히 전압출력지수, 열응답도가 우수한 소재의 개발이 요구된다. 또한 하나의 물리량감지 센서에서 다양한 물리적 자극들을 동시 감지하기 위해서는 다층 박막 물리량 감지 소재 기술이 필요하며, 이를 통해 최종적인 센서소자의 주변환경에 대한 신호잡음의 보상과 소자의 초소형화가 가능하다.
그림 9A와 같이 상온 분사 공정을 이용하면 나노입자에 의한 치밀한 결합 조직을 가지는 세라믹 박/후막의 제조가 가능하기 때문에(그림 9B-D), 기존 기술의 한계를 극복하고 신기능을 창출하여, 물리량 감지 센서 및 엑츄에이터 소재의 응용범위 확대를 가져올 수 있다 [5-7]. 상온 분사 공정을 이용한 단일 공정에 의한 고감도 다층 박막소재의 개발이 가능하여 복합감지 센서소재 세계시장을 선도할 수 것으로 기대된다.

그림 . A) 상온 분사 공정 기구, B) 상온 분사 공정에 의한 박막 성장 원리, C) 상온 분사 공정에 의한 NiMn2O4, D) 상온 분사 공정에 의한 PZT 압전 박막

3. 결 론

우리나라의 주력 산업인 IT산업의 흐름은 80년대의 정보저장, 90년대의 정보표시를 거쳐 2000년대에는 정보생성 및 처리 기술로 대변됨에 따라 정보생성의 핵심 중 하나인 센서는 향후 관련 산업의 핵심요소 기술로 주목받고 있다. 또한 미래의 전자기기는 소형, 환경친화, 다기능, 고성능화를 지향하는 방향으로 발전하게 될 것으로 전망된다. 따라서 각종 전자기기의 부품은 환경 친화적인 세라믹 소재를 기반으로 소형화, 복합기능화, 지능화 형태로 점차 대체될 것이 자명하므로, 이와 관련된 나노구조체 지능형 세라믹 소재 원천기술의 확보가 매우 중요한 시점에 놓여 있다.
현재 나노구조체 세라믹을 기반으로 지능형 소재 개발을 위해 한국과학기술연구원, 고려대학교, 한국세라믹기술원, 전자부품연구원, 재료연구소가 협력하여 연구 개발에 매진하고 있으며, 국내외 7개 대학이 요소기술 개발에 참여하고 있다. 나노구조체 지능형 세라믹 소재 관련된 기술개발은 향후 국내 성장동력산업의 근간을 건실하게 할 것이 때문에 관련된 원천기술의 확보 여부가 미래의 기술경쟁력 지표에 중요 요소로 작용할 뿐만 아니라 산업의 고부가가치화, 고용증대, 수출증대 및 수입역조 완화와 같은 국내 산업의 기반을 견고히 할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

감사의 글
본 보고서는 지식경제부 소재원천기술개발사업의 지원으로 이루어졌으므로 이에 감사드립니다.

참고문헌
[1] N. Yamazoe and K. Shimanoe, “New perspectives of gas sensor technology”, Sens. Actuators B, Vol. 138, 100, 2009.
[2] H. G. Moon, Y. S. Shim, D. Su, H. H. Park, S. J. Yoon, and H. W. Jang, “Embossed TiO2 Thin Films with Tailored Links between Hollow Hemispheres: Synthesis and Gas-Sensing Properties”, J. Phys. Chem. C, Vol. 115, p. 9993, 2011.
[3] J. H. Lee, “Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: Overview”, Sens. Actuators B, Vol. 140, p. 319, 2009.
[4] D. S. Lee, J. C. Lee, E. H. Koo, and J. H. Lee, CdSe/ZnS QD Incorporated Microbeads for Ultra-sensitive Chemo-sensor Applications, J. Kor. Phys. Soc., Vol. 57, p. 1111, 2010.
[5] http://www.yet2.com/app/list/techpak?id=53752&sid=90&abc=0&page=tpprint
[6] J. Ryu, D. S. Park, and R. Schmidt, “In-plane impedance spectroscopy in aerosol deposited NiMn2O4 negative temperature coefficient thermistor films”, J. Appl. Phys., Vol. 109, p. 113722, 2011.
[7] G. Han, J. Ryu, W. H. Yoon, J. J. Choi, B. D. Hahn, and D. S. Park, “Effect of Film Thickness on the Piezoelectric Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films Fabricated by Aerosol Deposition”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 94, p. 1509, 2011.

장호원
- 포항공과대학교 재료금속공학과 공학사
- 포항공과대학교 재료금속공학과 공학석사
- 포항공과대학교 신소재공학과 공학박사
- 위스콘신대학교 재료공학과 박사후연구원
- 현재 KIST 전자재료연구센터 선임연구원

윤석진
- 연세대학교 전기공학과 공학사
- 연세대학교 전기공학과 공학석사
- 연세대학교 전기공학과 공학박사
- 펜실베니아주립대학교 전자전기공학과 박사후연구원
- 현재 KIST 미래융합기술연구본부 본부장