Special ІІ 생태계 창조형 첨단 반도성세라믹 소재 기술개발(1)/ 김병익 외

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특집

편집부
등록 2013-11-05 10:00:09
수정 2015-02-22 15:49:54

첨단 반도성 세라믹 기술 및 시장 동향

김 병 익_ 한국세라믹기술원 선임본부장
조 영 훈_ (주)더비엔아이 사업전략본부 본부장

1. 서언

세라믹은 기원전부터 인류 문명이 발전하기까지 지대한 공헌을 하고 있으며 여러 분야에 적용되고 있다. 특히 2000년대 들어 IT 기술의 급속한 발전과 더불어 현재 우리들이 쉽게 사용할 수 있는 전자기기들의 중요한 특성을 발휘하고 제어하는데 파인세라믹(전자세라믹)이 훌륭한 역할을 하고 있어 소금과 같이 없어서는 안 될 존재로 인식되고 있다.
이러한 전자세라믹은 그 중요성으로 인해 선진국들은 오래전부터 지속적인 기술개발을 통해 원천기술 및 응용, 상용화 기술들을 확보하기 위한 노력을 해왔으며, 특히 소재 강국이라 일컫고 있는 일본의 경우 전자세라믹 분야의 선두를 지키고 있다. 그간 기술개발을 통해 우리나라도 핵심기술을 확보하고 있지만 안타깝게도 아직까지 우리나라가 세계 시장을 석권하고 있는 디스플레이, 스마트폰 등의 핵심부품·소재를 해외에 많이 의존하고 있어 무역수지가 날로 심각해지고 있는 실정이다.
그럼 전자세라믹이 우리 삶이 어떻게 적용되고 있는지 잠시 살펴보고자 한다. 우리가 쉽게 접할 수 있는 스마트폰과 같은 모바일 IT기기를 예를 들어 보고자 한다. 모바일 IT기기들은 불과 몇 년 사이에 우리 삶의 life style을 변화시키는 혁명과도 같은 존재로 없어서는 안 될 전자기기 중에 하나로 자리매김했다. 그런데 이 모바일 IT기기를 구성하고 있는 다양한 부품들 중에서 전자세라믹이 80% 이상을 차지할 정도로 핵심적인 역할을 하고 있다는 사실을 아는 사람은 많지 않을 것이다.
대표적으로 몇 가지를 살펴보면 유전체 세라믹(적층세라믹 콘텐서), 반도성세라믹(칩 바리스터), 압전세라믹(액츄에이터, 무선주파수 필터), 절연/저항세라믹(반도체 기판), 자성세라믹(페라이트) 등이다. 이름만 들어서는 잘 이해가 되지 않는 부분이라 쉽게 풀어서 설명하자면 적층세라믹콘덴서는 전기를 일시적으로 저장했다가 필요에 따라 안정적으로 회로에 공급하고, 불량신호를 차단하여 원하는 신호만 보내주는 역할을 담당하는 부품으로 전반적인 IT기기의 안정성을 담당하고 있다. 적층세라믹콘덴서는 모든 전자제품의 필수 핵심부품이다. 칩 바리스터는 기준치 이상의 고전압이 전자회로 들어오는 것을 막아주는 정전기방어용 필터로 쓰이는데 스마트폰에서 멀티태스킹(과부하) 혹은 부품간 정전기로 인한 과전압을 막아서 회로손상을 방지하는 역할을 한다. 액츄에이터는 전기 연결을 통해 진동, 압력 등의 물리적인 움직임을 출력하는 부품으로 스마트폰에서 카메라 찍을 때 자동으로 초점을 맞추는데 중요한 역할을 담당하는 부품이다. 무선주파수 필터는 스마트폰 통신에 필요한 특정 주파수만 통과시키거나, 송수신 신호를 분리하는 기능을 수행하고 있는데 이것이 없으면 기본적인 통신 기능이 마비되기 때문에 핵심 부품으로 인식되고 있다.
위에서 언급하고 있는 전자세라믹들은 모바일 IT기기에 중요한 역할을 담당하고 있음에도 불구하고 외형상으로 보이지 않기 때문에 관련 분야 전문가가 아니고서는 쉽게 알기 힘든 것이다.
지금까지는 현재의 모습을 살펴보았고, 이제 미래 사회에 대해 예상해보고자 한다. 미래에 필요한 여러 IT기기들에도 전자세라믹이 중요한 역할을 담당할 것은 분명하며 다가올 미래를 위해 전자세라믹은 무엇을 준비하고 있고 어떻게 변화되고 있는지 주목할 필요가 있다. 특히 전자세라믹 중에서 반도성 세라믹은 다가올 미래에 가장 중요한 역할을 담당할 것으로 인식되고 있다. 1세대 반도성 세라믹은 터치패널, 디스플레이 등의 투명전극(전도체)으로 이미 이용되고 있다.
본고에서는 전자세라믹 중에서 향후 미래 세상을 견인하는데 가장 필요수적인 요소로 인식되고 있는 첨단 반도성 세라믹에 대해서 집중적으로 얘기하고자 한다. 미래 세상을 표현할 때 가장 많이 등장하고 있는 투명 디스플레이 혹은 구부러지거나 접을 수 있는 디스플레이 등은 첨단 반도성 세라믹이 없이는 만들 수가 없기 때문에 아무리 강조해도 모자랄 정도이다.
따라서 앞으로 첨단 반도성 세라믹의 개념과 특징을 포함하여 기술이 어느 정도 발전해 오고 있는지, 그리고 미래 어떤 분야에 적용되고 시장은 어느 정도 형성될 것인지는 차근히 살펴보고자 한다. 참고적으로 서두에서는 쉽게 예를 들기 위해 스마트폰, 디스플레이 등을 많이 언급했지만 실제 첨단 반도성 세라믹 응용분야 중에 하나일 뿐이며 이 외에서 다양한 분야에 적용될 수 있다는 점을 미리 언급하는 바이다.
2. 첨단 반도성 세라믹 특징

2-1 미래 사회 Needs 변화에 대응하기 위한 필수 소재
정보, 교육, 건강, 편리함 등 국민의 삶의 질 향상을 추구하고자 하는 방향으로 미래 사회에 대한 패러다임이 변하고 있다. 이러한 패러다임을 반영하듯 최근 들어 더욱 가속화되는 첨단정보화의 물결은 지속적으로 고용량, 초고속, 다기능 등을 요구하게 되고 이를 충족시키기 위한 새로운 소재에 대한 Needs가 증가하고 있다. 특히 첨단 반도성 세라믹 소재는 반도체, 디스플레이, 이차전지, LED조명, 고감도 센서 등을 통해 우리 삶의 필수불가결한 핵심소재로 성장하고 있으며 타 소재에서 감당할 수 없는 다양한 기능 구현이 가능하기 때문에 향후 수요가 급증할 것으로 전망되고 있다. 특히 ITO를 중심으로 한 전도성 산화물의 발전은 LCD, PDP, OLED 등 디스플레이의 발전에 혁신적 기능을 제공하여 왔으며, 향후에는 보다 다양하고 새로운 기능을 구현할 수 있는 첨단 반도성 세라믹 소재를 중심으로 한 신시장과 생태계가 만들어질 것으로 전망되고 있다.

2-2 주요특징
첨단 반도성 세라믹이 부각되고 있는 가장 큰 이유는 현재의 실리콘 반도체를 대체할 수 있다는 점이다. 대표적인 첨단 반도성 세라믹인 산화물 반도체는 롤러블 디스플레이, 웨어러블 컴퓨터, 초박막 태양전지, 차세대 메모리반도체 등 미래 IT제품에 필수적인 소재로 실리콘 반도체가 가지는 물리적·기술적 한계 극복을 통해 미래 트렌드의 요구에 부응할 수 있다. 특히 산화물 반도체는 실리콘 반도체 대비 가격이 싸고 투명하면서도 우수한 전기적 특성 발현이 가능하기 때문에 투명·플렉서블 소자, 트랜지스터, 멀티터치센서 및 에너지 변환 소자에 적용될 수 있어 전 세계적인 이슈를 모으고 있는 상황이다.
3. 첨단 반도성 세라믹 기술 동향

3-1 첨단 반도성 세라믹 기술 동향
주요 특징에서도 언급했듯이 첨단 반도성 세라믹으로 대표되는 산화물 반도체는 기존 소재의 기능을 뛰어넘는 새로운 소재로써 각광받고 있다. ITO(indium tin oxide)로 대표하는 산화물 투명전극(TCO)은 디스플레이와 태양전지 분야에서 이미 큰 산업적인 기반을 차지하고 있으며 최근에는 산화물 반도체를 기반으로 한 박막 트랜지스터(Oxide thin-film transistor)가 우수한 특성을 보여주기 시작하면서 기존에 실리콘 기반 소자의 대체 가능성이 대두되었고, 실제로 TFT-LCD, AMOLED 및 응용 Display에서는 산업적으로 큰 관심을 받고 있으며 일부에서는 양산 적용이 시작되고 있다.
산화물기반 전자소재의 산업적 응용에 따른 기술개발 동향을 보면 제1의 물결은 투명전극의 산업적 응용으로 주로 터치패널, 디스플레이, 솔라셀 등에서 시작되었으며, 제2의 물결은 이제 상승세를 타기 시작한 n형 산화물 반도체 시대로서, 고속 TFT-LCD 혹은 AMOLED 패널의 구동소자로 사용되거나 차세대 e-paper, HD-imager, 고분해능 센서에 이르기 까지 활용 폭을 넓힐 수 있으며, 이를 활용한 각종 투명디스플레이나 투명전자소자 기기도 출현 할 것으로 예상된다. 향후 p형 산화물 반도체가 개발된다면 제3의 물결이 시작되어, 저렴한 고순도 백색 LED나 CMOS IC, 무선 Smart card, 고성능 투명 저전력 IC 및 다기능 Display 등의 출현이 기대되고 있다.
산화물 반도체를 활용한 TFT연구 개발은 전 세계적으로 2003년도에 본격적으로 시작되었다. 일본의 Hosono, 미국의 Wager, 포루투칼의 Fortunato 그룹에서 주도적으로 산화물 TFT와 이를 이용한 투명 TFT를 발표하였다. Hosono 그룹은 IGZO를, Fortunato 그룹은 IZO를, Wager 그룹은 ZTO 소재를 대표적으로 연구하였으며, 이들 그룹은 그 이후에도 산화물 TFT 연구개발을 지속적으로 주도하고 있는 상황이다. 국내의 경우 2006년부터 SMD, LGD, ETRI 등을 중심으로 연구개발이 진행되어 오고 있으며, 최근에는 후발주자로 대만 및 중국의 성장세가 두드러지고 있다.
산화물 반도체 개발을 위한 주요 기반소재를 보면 IZO를 기반으로 하여 제3원소를 첨가시키면서 연구한 논문이 전체 48%를 차지하고 있으며, 다음으로 ZnO기반이 33%, ZTO 기반이 10%, ITO기반이 4%정도 포함되어 있다. 산화물 반도체 개발을 위한 주요 기반소재 연구는 고이동도 소재·소자개발 그리고 저온 TFT공정이 가능한 소재·소자 개발이 주류를 이루고 있다. 이는 향후 차세대 디스플레이의 두 가지 축인 고성능 TFT를 기반으로 한 고분해능·고속 디스플레이 개발과 저온·플렉서블 기판을 활용한 플렉서블 디스플레이 개발 분야와 밀접한 관련이 있기 때문이다.
KOSEN Expert Review 자료에 따르면 산화물 TFT 논문은 현재 대부분의 연구가 n형 소자들에 기반하고 있는 것으로 나타나고 있는데 2001~2011년 사이 출판된 논문의 현황을 보면 2006년 이후 급격한 증가로 2009년에는 161건을 기록하였다. 용액-공정된 TFT 논문의 경우는 전체 건수는 작지만 지난 2년 동안 급속도의 증가추세를 보이고 있다.
n형 산화물 반도체 TFT의 성공이 p형 산화물 반도체 TFT 개발에 많은 동기 부여를 하는 계기가 되고 있다. 하지만 현재까지 n형 산화물 TFT와 유사한 성능을 갖는 p형 산화물 TFT에 대해 이렇다 할 연구실적이 없는 상황이다. 간단한 ZnO와 NiO에 기반한 이종 산화물이 p형 반도체로 연구 중에 있다.

3-2 일본의 기술개발 동향
초기 연구는 Hosono 그룹과 Canon이 공동 연구를 진행하였으며, 산화물 TFT기술과 관련하여 NEDO Project 및 정부지원하에 산(Sony, Canon, 토판, 샤프, 히타치, DNP)·학·연에서 활발한 연구개발을 진행 중에 있다. 동경공대 Hosono 그룹은 일본 JST에서 5년간 216억원을 기초소재에 투자하여 IGZO(인듐, 갈륨, 아연산화물) 트랜지스터를 최초로 개발했다. 투명 산화물 TFT는 2003년도 Nomura가 단결정 channel 물질을 이용하여 이동도 80cm2/Vs의 소자를 발표하여, 투명 전자소자의 구현에 대한 가능성을 보여주었다.
CAAC(C-Axis Aligned Crystal) IGZO기술을 최근 몇 년 동안 발표가 되고 있으며 CAAS IGZO TFT는 NBTS, PBTS, NBTIS 등에서 높은 신뢰성을 보여주고 있으며 특히, 540Hz 구동에서도 고해상도의 LCD 패널 동작이 가능함을 보여주었고, 대량생산이 가능한 플렉서블 AMOLED 패널 기술에 적용 가능성을 시사했다.
정부지원(NEDO 프로젝트 등) 하에 Sony, Canon, 토판, 샤프, 히타치, DNP 등의 산업체에서 활발하게 산화물 반도체 소재 및 소자를 개발하고 있는데 토판프린팅에서 IGZO TFT 어레이를 유연기반인 PEN 위에 제작하여 Oxide TFT 기반 플렉서블 전자종이 시제품을 처음 시연하였다.
TOSHIBA는 2010년에 바이오스-온도-스트레스(BTS)에 대한 신뢰성이 세계 최고 레벨을 갖는 산화물 반도체 TFT를 발표했다. Sony는 산화물 반도체를 기반으로 2010년에 11.7인치 QHD급 AMOLED를 발표했으며 2011년에는 Self-aligned coplanar 구조를 적용한 IGZO TFT와 WOLED 방식을 적용한 9.9인치 패널을 발표하였다. 또한 OLED 구동을 목적으로 전기/광 신뢰성이 우수한 산화물 TFT를 개발하여 19인치 AMOLED를 시험 제작하였다.
샤프는 2012년 미국 반도체업체 퀄컴과 스마트폰용 차세대 액정패널을 공동개발하기로 합의했는데 자체 개발한 IGZO 기술을 퀄컴에 제공하는 대신 퀄컴으로부터 50억엔(약 660억원)의 출자를 받기로 하였으며, 추후 공동 개발이 완료되면 추가 50억엔을 더 출자 받기로 했다.

3-3 미국의 기술개발 동향
정부 뿐 아니라 개별 기업의 적극적인 R&D활동을 통하여 소재 뿐 아니라 장비 등에서도 선도적 위치를 확보하고 있다. NSF, DARFA, 산업체(HP, CBITE, ATK)를 중심으로 산화물 TFT 원천기술 확보에 주력하고 있는데 HP는 Wager 교수와 공동연구를 통하여 선행 특허를 확보하였으며, HP는 오레곤 대학과 함께 산화물 TFT에 사용되는 산화물 반도체 재료와 관련된 원천기술을 확보하였다. 또한 SAIL(Self-Aligned Imprint Lithography) 기술을 이용하여 R2R(Roll-to-Roll) 방식으로 전자종이용 backplane 제조 기술을 개발 중에 있다.
CBITE는 IGZO가 아닌 Oxide반도체를 이용하여 이동도 80cm2/Vs 이상의 특성을 보여주었고, 300℃이하로 낮은 열처리 온도에서 높은 이동도를 가질 수 있다고 설명하고 있다.

3-4 유럽의 기술개발 동향
대학을 중심으로 기초원천 단계의 연구 활동이 활발하며 특히 태양전지 등과 관련된 첨단 반도성 세라믹 기술에 있어서 진전이 이루어지고 있다.
독일 Darmstadt 대학은 태양전지의 일함수를 고려한 ZnO, In2O3, SnO2을 기반으로 하는 n형과 다양한 p형 반도성 세라믹을 이용한 소자 특성 향상 연구를 추진하고 있다. 영국 Cambridge 대학의 Driscoll 교수는 Cu2O, ZnO 등을 이용한 저가형 태양전지 기술 개발을 위해 electrodeposition과 ALD와 같은 저온 공정을 활용하는 방식을 검토하고 있다. 포루투갈 Lisbon 대학의 Fortunato 교수가 Sn계, Cu계 이원계 세라믹을 이용한 p형 TFT 연구 결과들을 발표했다.

3-5 중국의 기술개발 동향
산화물 반도체 백플레인 기술이 이미 업계 선진 수준에 도달했으며, AMOLED 등 차세대 디스플레이 제품 연구 개발에 더욱 박차를 가할 것으로 예상되고 있다. BOE는 중국 최초로 산화물 반도체 LCD패널(18.5인치 HD Oxide TFT-LCD)과 산화물 AMOLED 디스플레이(4인치 WQVGA Oxide AMOLED) 연구개발에 성공하였으며 또한 관련 공정 기술과 설계 기술을 확보했다고 최근 발표했다.
BOE는 중국의 최대 규모의 광전디스플레이 제품과 솔루션을 공급하는 업체로 산화물 반도체 백플레인 기술 및 AMOLED 차세대 디스플레이 등에서 주요 특허를 획득했다. 이러한 기술 기반위에 고변화율, 고안정의 새로운 반도체 재료 개발에 착수했으며, 고해상도 산화물 LCD 디스플레이와 대형 AMOLED 기술 개발과 생산을 추진하고 있다.

3-6 대만의 기술개발 동향
산화물 TFT 관련하여 산(AUO), 학(타이완국립대학), 연(ITRI)를 중심으로 원천기술 확보 및 개발에 주력하고 있는데 AUO는 산화물 IGZO TFT를 이용하여 2010년 32인치 HD급 LCD를 발표하였고, 2011년에는 37인치 TFT-LCD를 개발함으로써 산화물 TFT의 대면적화 가능성을 입증하였다

3-7 한국의 기술개발 동향
LGD는 2010년 IGZO TFT를 이용한 2.8인치 WQVGA급 LCD패널을 발표하였는데 광신뢰성과 바이어스 스트레스 신뢰성이 우수한 것으로 확인되었다. 2010년에는 SID에 TiOx passivation layer로 적용한 고신뢰성 oxide TFT기술을 발표했다.
2012년에는 세계 최대 가전 박람회 ‘CES2012’에서 TFT용 IGZO 산화물 반도체가 적용된 55“ OLED TV를 세계최초로 공개하였다. LG디스플레이는 LCD 패널과는 달리 빛의 양과 색상 정보를 한꺼번에 더 빠르고 정교하게 제어해야 하는 OLED 패널의 특성을 최적화 하기 위해 기존 소형 OLED 패널에 사용되던 LTPS(저온 폴리 실리콘) 방식 대신 옥사이드(산화물) 방식을 채택한 것이다.
삼성전자는 2011년 70인치 240Hz UD급 LCD를 발표했는데 탕정의 8세대 라인에서 산화물 반도체 TFT를 테스트 하고 있다. 이동도는 10cm2/Vs로 충분하나, 3,000nit에 대응하기 위해 Gate shied 및 TFT 구조 개선을 통한 NBTIS 개선을 시도하고 있다. 삼성 모바일 디스플레이는 LTPS 기반으로 AMOLED 패널을 개발하는 것을 최우선으로 정하고 있고 Oxide TFT 기술을 후보기술로 병행 개발하고 있다. 2011년에 14.1인치 크기의 Hf-IZO TFT를 적용한 AMOLED 패널을 발표하기도 했다. 향후 AMOLED TV 시장을 놓고, 미국 증권가 에널리스트들도 LGD와 SMD 중 누가 먼저 대형 AMOLED TV를 상용화 시킬지에 관심이 집중되어 있으며, SMD는 다양한 Backplane 및 SMS방식을 채택하고 있다.
한국전자통신연구원은 2010년 IGZO TFT의 광신뢰성을 개선하고, OLED의 투과도 향상 기술을 추가로 제안하여 개구율 67.7%, 백플레인 어레이 투과도 80%이상의 3.2인치 QVGA 투명 AMOLED 패널을 개발하였다. 한편 산화물 반도체 신소재인 ZITO:B를 사용한 TFT를 적용하고, 양면터치 기능을 장착한 3.5인치 투명 QVGA 패널을 2010년 MRS Fall meeting에서 발표하였다. ZITO:B 산화물 반도체는 2011년에 US patent를 확보하였으며, 저온(300도 이하)에서 IGZO를 능가하는 고신뢰성을 보여주고 있다.

< 이하 생략- 자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 9월호를 참조 바람.>

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