세라믹소재 종합센터 후막세라믹 장비
구축 현황 및 활용 전망

여동훈 한국세라믹기술원 책임연구원
신효순 한국세라믹기술원 책임연구원

1. 서 론

후막공정 기술은 1990년대 중반부터 이동통신 시스템의 대중화 추세에 따라 단말기용 부품이 두께는 얇아지면서 집적도를 높이는 방향으로 개발 경쟁이 가속화 됨에 따라 기존의 bulk 형태의 제품을 빠르게 대체하면서 부품의 소형화, 경량화, 고집적화를 주도하는 기술로 발전하여왔다.
이러한 후막기술은 MLCC(Multi Layer Ceramic Capaci-tor), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)로 대표되는 전자부품 산업의 핵심공정 기술로 활용되고 있으며, 고주파 부품분야에 주로 응용되었으나, 최근에는 PDP를 비롯한 이차전지, 태양전지, 자동차 전장모듈, 반도체 치구용 등 다양한 분야로 확대 적용되고 있다.
후막기술을 적용한 세라믹 소재 및 제품들의 사업화를 지원하기 위해 지식경제부의 지원을 받아 2010년부터 3년간 세라믹 소재에서 제품화를 위한 첨단공정 장비들을 구축하여 소재개발 후 제품까지의 지원시스템을 구축하는 세라믹소재종합센터사업(Ceramics Test Bed)을 한국세라믹기술원에서 수행하고 있다.
이 사업은 후막, 유리용융, 극한세라믹, 박막공정의 네분야로 나누어 한국세라믹기술원 이천분원에 구축하고 있으며 1차년도에는 후막공정 장비들을 구축하였다.
본고에서는 급격하게 변화하는 기술의 흐름 속에 후막공정 기술 동향 및 응용분야를 살펴보고 한국세라믹기술원에 구축중인 후막공정 장비들을 소개하고자 한다.
2. 본 론

2.1 후막공정 기술개발 동향
후막 세라믹스 기술은 초기에는 적층형 기판 소재로서 W, Mo 전극을 사용하는 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramics) 기술이 적용되었으며, 이동통신 시스템의 적용을 위해 전기전도도 특성이 우수한 Ag, Cu 전극을 사용한 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술이 고주파 부품의 소형화, 고성능화, 복합화에 폭넓게 응용되고 있다 [1].
이외에도 Ni, Ag-Pd 등 전극의 종류에 따라 다양한 소재들을 적용한 부품들이 제품화되었다. 특히 이동통신 단말기 시스템은 다기능화, 소형화, 박형화가 급진전됨에 따라 제품의 life cycle이 점점 짧아지고 있으며 기존에 채용되고 있는 제품들의 가격은 지속적으로 하락하고 있는 추세다.
2000년대 이후 자동차의 전장화가 가속화되면서 LTCC 기반 기술을 자동차용 ECU(Electronic Control Unit)에 적용하면서 ABS 모듈 등의 신규시장이 창출됨에 따라 자동차용 전장모듈분야에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 의료용 고가 장비 등의 경우 고내열성이 요구되는 다층회로 기판을 세라믹 기판으로 제작하는 경향이 늘고 있어 다양한 신규 아이템들이 생성되고 있다.
Kyocera, NTK에서는 Probe Card용 대면적 세라믹 기판을 사업화하여 반도체 치구분야로 시장을 확대하고 있으며, 반도체 웨이퍼 사이즈가 8″에서 12″로 대형화, 고집적화 추세에 따라 최근 들어 12″ 사이즈의 대면적 기판 개발에 주력하고 있어 향후 이 분야 시장이 확대될 것으로 예상된다. 국내기업들은 전량 수입에 의존하던 반도체 Probe Card 및 정전척(Electrostatic Chuck)용 세라믹 기판 국산화를 추진하는 등 후막 기술의 응용분야는 부가가치가 높은 다양한 반도체 치구용 대면적 세라믹 기판, 고집적 모듈 등으로 확대되고 있다.
일본 선진업체들의 경우에도 기존의 수익성이 낮은 부품들은 생산을 중단하고 있으며 고부가가치 고난이도 제품 개발에 집중하고 있다. 이러한 고부가가치 고난이도 제품 개발을 위해서는 기존의 소재 및 공정기술로는 한계에 이르렀으며 한층 업그레이드된 공정 및 소재 개발이 필요한 실정이다.
생산성 확보를 위한 그린시트 대면적화, 반도체 웨이퍼의 대구경화, 고속화, 미세 패턴화 추세에 따라 대면적 세라믹 기판 적용을 위한 대면적 그린시트의 수축율 편차 제어, 층간 적층 정밀도 확보, 미세 패턴화, 미세 비아홀 형성 및 충진 등의 공정기술 개발이 요구되고 있다 [2].
집적도가 높아질수록 비아홀 수와 적층 layer가 증가하므로 그린시트 층간 정밀도 확보, 미세 비아홀에 충진된 도체 전극의 소성과정에서의 수축거동 제어 그리고 세라믹 기판의 소성 후 수축율을 일정하게 제어하는 것은 매우 중요하다 [3].
그러나 세라믹스의 가장 큰 단점인 소성 시 발생하는 13~17%에 이르는 소성 수축율이 생산현장에서 발생하는 불량율의 가장 큰 원인이 되고 있다. 이에 따라, 출발 원료의 입도 균일성, 슬러리의 분산성 확보 및 그린시트의 균일성, 물성 제어를 통한 수축율 편차 제어는 후막공정 기술의 기본적이면서 핵심요소 기술이라 할 수 있다 [4].
최근 개별 기술 영역인 IT, BT, NT 기술들이 융합됨으로써 그동안 넘지 못했던 기술적 한계를 극복하고자 하는 기술간 융합화가 새로운 흐름으로 자리잡아가고 있다. 이러한 융합기술로의 발전은 어느 정도 성숙된 기술을 바탕으로 다른 기술이 융합되어 가는 형태로 발전해야 시장도 쉽게 창출되며 기술의 검증도 쉬워진다. 따라서 지금까지 기술의 발전 속도나 복합화 및 소형화를 주도해온 IT부품 기술은 이들 융합기술의 중심에 있으며, IT부품 기술의 중심에는 세라믹스 소재, 부품 및 모듈화 기술이 있다.
기존의 IT 중심의 세라믹스 관련 부품 및 소재 개발에서 IT를 기반기술로 한 BIT, NIT, EIT, EvIT로의 융복합기술 관련 부품소재 개발로 연구개발 분야를 확대할 필요성이 커지고 있다 [5]. 그동안 확보한 세라믹 기반의 소재?공정 기반 기술을 한 단계 업그레이드한 부품 및 시스템 응용 기술로 연결함으로써 시너지 효과를 극대할 수 있을 것이다.
세계 시장을 석권하고 있는 일본의 선진업체들은 고부가가치 신규 아이템 개발을 적극적으로 추진하고 있으며, 중국의 후막공정 기술은 국내 엔지니어들이 후막 세라믹 설비들을 중국에 셋업하며 기술을 이전하고 있어 갈수록 기술 격차는 좁혀질 것으로 예측된다.
이러한 여건을 고려할 때 후막세라믹 분야의 사업화를 위해서는 고부가가치의 고난이도 제품 개발이 필수적인 조건이다. 그러나 국내 후막세라믹 전문기업들이 대부분 중소기업으로 다양한 신규 아이템 개발을 위한 전문기술인력 부족과 보다 업그레이드된 인프라 확보가 절실한 실정이다.
2.2 세라믹소재종합센터 후막세라믹 장비 구축 현황
최근 세라믹 기판의 대면적화 및 수요산업의 Life-Cycle이 갈수록 짧아지고 있으며 산업의 융복화가 활기를 띠고 있어 세라믹 소재설계-제조공정-제품평가-신뢰성에 이르기까지 전주기 지원체계(Full-Cycle Support System) 인프라를 구축하여 소재개발 후 제품 적용까지의 기간을 단축시키는 것이 경쟁력의 핵심요소로 부각되고 있다.
기업의 세라믹분야 사업화 지원을 위한 인프라 구축사업인 세라믹소재종합센터사업은 2010년부터 3년간 장비 위주의 하드웨어 인프라를 한국세라믹기술원 이천분원에 구축하는 것이 주요 사업내용으로, 1차년도에는 후막세라믹 일괄공정라인 및 유리용융 일부 라인, 2차년도에는 유리용융 및 극한세라믹 공정라인, 3차년도에는 박막공정 장비들을 구축하고자 한다.
세라믹소재종합센터 인프라가 구축되면 그림 2에서와 같이 한국세라믹기술원이 기존에 보유하고 있는 소재정보은행, 시뮬레이션센터, 신뢰성센터들과 연계가 가능해지며 각 분야별 전문 인력과 결합하여 소재에서 부품사이의 설계, 제조, 시험, 평가, 신뢰성 등 다양한 테스트를 통해 제품화 시 문제점 파악 및 피드백을 통한 품목별 맞춤형 사업화 서비스를 제공하고자 한다.
1차년도인 2011년도에는 그림 3과 같은 후막공정 장비들을 셋업하고 있으며, 이 라인은 12″ 다층 세라믹 기판 제조가 가능한 후막세라믹 공정라인으로 Batch실에는 Ball Mill(50ℓ, 100ℓ)과 Basket Mill(5ℓ, 60ℓ), Beads Mill(1.4ℓ), Nanoset Mill(0.5ℓ) 장비들을 구축하였다. Casting부터 소성 전단계인 Cutting 공정 장비들은 클린룸에서 장비들을 운영하기 위해 셋업중에 있다.
Coater는 건조존의 길이가 15m, 헤드부는 Slot Die와 Comma type을 동시에 장착하여 4㎛~450㎛ 두께의 그린시트 제조가 가능하다. 그린시트 사이즈는 최근 후막공정 기술 동향과 기업들의 니즈를 반영하여 270×270㎜와 430×430㎜를 겸용으로 사용할 수 있도록 라인을 구성하였으며, 그린시트 제조부터 그린바 절단에 해당되는 후공정 장비들의 사양을 표 1에 간략히 정리하였다.
구축된 후막세라믹 공정라인을 이용하여 기업들을 위한 지원하는 방안은 그림 4와 같이 세 가지 유형으로 진행하고자 한다. 첫째는 구축된 장비들을 기업들이 활용할 수 있도록 지원하는 방안, 둘째는 그린시트 혹은 시제품 제작 및 개발을 대행하는 방안, 셋째는 제품 제조 공정기술을 지원하는 방안으로 분류할 수 있으며 수요기업들의 상황에 맞게 맞춤형 서비스를 진행하고자 한다. 특히 여러 기업들이 장비를 활용할 경우 기업들 간에 기술 유출을 유려하고 있어 각별히 이 부분에 유의하여, 10월부터 기업 지원을 위한 본격적인 서비스를 진행하고자 한다.

그림 1. 후막공정라인 산업기술 Trend
그림 2. 기존 센터들과 연계한 전주기 지원체계 개념
그림 3. 후막세라믹 공정라인 설비 구축 현황
그림 4. 후막세라믹 공정라인 Test Bed 운영 방안

표 1. 후막세라믹 구축 장비 사양
장비명 세부사양 비 고

3. 맺음말

그동안 국내 업체들은 당장의 제품화를 위한 공정기술이나 설계 기술 개발에 편중되어 있어 장기적인 관점에서 연구개발 및 아이템 도출에는 소홀했던 것이 사실이다.
후막세라믹 기술의 시장성이 계속 확대되려면 소형화, 저가화 및 생산성 확보를 위한 소재?공정기술 개발을 통한 제품의 경쟁력 확보가 필수적이며, 고부가가치 아이템 개발이 중요한 요소로 부각되고 있다. 이러한 고부가가치 고난이도 제품 개발을 위해서는 장기적인 관점에서 보다 개방적이고 적극적인 자세로 산학연과 기술정보 공유 등을 통해 융복합 기술 관련 부품?소재로 연구개발 분야를 확대하며 기술력을 높여가야 할 것이다.
한국세라믹기술원에 구축되는 후막세라믹 인프라가 고부가가치 아이템 도출 및 그동안 확보한 후막 세라믹 소재?공정 기술을 한단계 업그레이드하는데 기여할 수 있도록 최선의 노력을 다하고자 한다.

참고문헌
[1] Takashi Yamamoto, “Tech-nologies & Applications of Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics”, pp. 172-174, 2005.
[2] 小林吉伸, “LTCC基板の製造技術とトラブル對策“, サイエンス&テクノロジ?株式會社, pp. 29-39, 2006.
[3] Yoshihiko Imanaka, “Multi-layered Low Temperature Cofired Ceramics Technology”, pp. 169-174, 2005.
[4] Richard E. Mistler and Eric R. Twiname, “Tape Casting Theory and Practice”, pp. 63-68, 2000.
[5] 신효순, 여동훈, 김효태, 김종희, “차세대 정보통신과 세라믹스”, 월간세라믹스 pp. 71-74, 2007. 1월호

여 동 훈
- 성균관대학교 전기공학과 공학박사
- 펜실베니아주립대학교 Post-Doc.
- (주)한원마이크로웨이브 연구소장
- 2004현재 한국세라믹기술원 책임연구원

신 효 순
- 경북대학교 무기재료공학과 공학박사
- New York State College of Ceramic(Alfred) Post-Doc.
- 한국과학기술연구원 Post-Doc.
- 경원훼라이트공업 책임연구원
- 삼성전기(주) 책임연구원
- 현재 한국세라믹기술원 책임연구원

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