한국세라믹기술원 세라믹소재종합솔루션센터,

Ceramics Test-Bed 운영현황과 발전방향

여동훈_한국세라믹기술원 수석연구원

1. 소개

한국세라믹기술원은 세라믹 소재 및 제품들의 사업화를 지원하기 위해 지난 2010년 한국세라믹기술원 이천분원에 3,525㎡ 규모의 전용공간을 확보하고 산업통상자원부의 지원을 받아 2010년 후막세라믹 일괄공정 라인을 시작으로 용융세라믹 라인, 2011년에는 극한세라믹 라인, 2012년에는 단결정 세라믹 라인, 그리고 2015년에는 진주본원에 박막공정의 대형 스퍼터 시스템을 구축하여 소재합성부터 설계, 생산 공정, 시제품 제작까지 수요자 맞춤형 One-Stop Total Solution 제공을 위한 Ceramics Test-Bed 인프라를 구축하여 중소기업들을 지원하고 있다.
세라믹 소재 및 부품의 사업화를 진행하기 위해서는 고가의 공정장비들을 활용하여야 하므로 새로운 분야의 신규사업 추진을 위한 투자여력이 부족한 중소기업들이 소재 개발~양산까지 공동으로 활용 가능한 종합 인프라를 구축하여 중소기업들이 개발하고자 하는 소재와 시제품 개발 및 사업화를 지원하는데 목적을 두고 설립되었다. 본고에서는 각 공정별로 구축된 장비들을 소개하고 운영현황에 대해 살펴보고자 한다.

2. 한국세라믹기술원 이천분원에 구축된 세라믹 공정라인

2.1 후막 세라믹라인
산업계에서는 후막 세라믹 공정기술을 적용한 다양한 적층형 부품들의 사업화가 진행되고 있으며, 전자부품을 비롯한 반도체, 에너지 분야 및 융복합 부품·모듈 개발을 위한 기술개발이 이루어지고 있다. 후막 세라믹라인으로 원료합성을 위한 Batch 공정부터 소결까지 기판제조 및 모듈화를 위한 일괄공정 라인을 구축하였다. 또한 기존 적층형 부품들의 단가는 하락하고 있으며, 반도체 치구를 비롯한 새로운 분야로 그 적용범위가 확대되고 있는 기술 동향을 반영하여 생산성 확보와 대형 세라믹 부품 제조가 가능하도록 270㎜, 430㎜ 그린시트를 이용하여 제품화를 위한 전체 공정이 진행될 수 있도록 라인을 구성하였다. 그림 1은 슬러리 제조를 위한 Batch실과 그림 2는 그린시트 제조공정부터 그린바 및 적층부품들의 절단을 위한 절단공정까지 후공정라인이 구축되어 있는 클린룸 내부 사진이다.
2010년에 라인이 구축되기 시작하여 2011년부터 기업체 활용을 위한 서비스를 진행하여 110여개의 업체가 2,800건 이상을 활용하였으며, 이외에도 다수의 연구기관 및 대학들이 제품개발을 위해 후막세라믹 인프라를 활용하였다. 특정 중소기업의 경우에는 시제품 제작 후 후막세라믹 라인을 이용하여 사업화를 진행하여 초기 시설투자가 어려운 중소기업들에게 큰 부담을 덜어 주기도 하였다.

그림1, 2

2.2 유리 용융라인
유리 용융라인은 연속식 용융~성형~서냉의 일괄라인으로 신조성 유리의 시험 생산을 위한 원료혼합(브이믹서)기와 유리 벌크 및 프릿을 제조하기 위한 연속 용융식 용융로 구축하였으며 유리의 특성을 평가하기 위한 장비로 유리 연화점 측정기와 표면응력 측정기를 구축하였다. 연속식 용융로는 다양한 조성의 유리 용융 test, 치과용 유리소재 및 전자기기 산업, 바이오산업 등 다양한 분야에 약방의 감초와 같이 사용되는 글라스 프릿의 제조에 활용되고 있다. 또한, 습식 코팅 공정법을 이용하여 기판위에 반사방지막, 광투과/차단막, 내오염 코팅막, 하드코팅막, 전도성 코팅막과 같은 다양한 기능성 박막을 제조하기 위한 dip coater, spray coater, knife & roll coater, slot die coater를 구축하였다.

2.3 극한환경 세라믹라인
항공/우주/국방산업, 반도체/LED/디스플레이산업, 에너지 발전산업, 자동차산업 등의 국가기간 산업에 적용될 초고순도/초고온/내식/내플라즈마 등 극한환경용 세라믹스 제조를 위한 핵심공정 장비들을 구축하였다.

극한환경 하에서 사용되어질 수 있는 세라믹 코팅 라인 구축
- 초고온 초고순도 SiC/C 코팅막 제조용 CVD/CDI 장비
- 초고온 내열/단열 세라믹 복합 코팅막 제조용 장비
 극한 환경용 난소결성 세라믹 소결/열처리 라인 구축
- 붕화물, 질화물 등 난소결성 세라믹 소결 장비
(SPS, 핫프레스, 초고온로)
- 세라믹 급소 소결 및 대형(500㎜급) 소결체 제조 가능 장비
- 초고온(2500℃) 열처리 가능한 진공 열처리로

이들 핵심 공정장비로 초고온/초고순도 세라믹 코팅 라인(△CVD/CDI 시스템 △E-Beam Generator △Thermal Plasma Spray)과 초고온 난소결성 세라믹 소결 라인(△Spark Plasma Sintering △Hot-Press △초고온 진공로)이 구축되었다.

최근 용사코팅에 대한 기업들의 관심이 높아지고 있어 Thermal Plasma Sparay에 대한 활용도가 높은 편이다.

2.4 단결정 세라믹 라인
단결정 세라믹 공정라인은 에너지 변환 및 친환경 조명 등 에너지 산업에 응용되는 초고순도 SiC, AlN 등 비산화물 단결정 원료 소재 및 단결정 웨이퍼의 시험생산 또는 생산조건 최적화를 위한 장비들을 구축하였다. 2000℃ 이상의 고온에서 화학반응 또는 열처리 시 Outgas가 나오는 비산화물계 원료합성 장비인 고온진공반응로와 단결정 성장을 위한 PVT(Physical Vapor Transport)와 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 시스템을 구축하였다.

2.5 대면적 스퍼터링 시스템
박막 세라믹 공정라인은 Cu, Ti, Cr과 같은 금속 전극 박막 및 ITO, Al2O3, SiO2, TiN 등과 같은 전자세라믹 및 구조세라믹 박막 등을 코팅할 수 있는 배치형 스퍼터링 시스템을 구축하였다. 본 장비는 800㎜ 크기의 타겟 3종이 장착 가능하며, 400×600㎜ 크기의 기판 6장을 동시에 코팅할 수 있는 준양산시스템이다. 또한 최대 3kV까지의 에너지가 인가되는 1,000㎜급의 이온빔시스템이 장착되어, 기판소재의 표면오염제거 및 표면개질을 통해 박막과의 밀착력을 극대화시킬 수 있다. 추가적으로 기판의 3D 회전이 가능한 지그가 준비되어 있어서 입체형상의 구조물에 대해서도 균일한 코팅이 가능하므로 다목적으로 활용이 가능하다.
앞에서 구축된 장비들은 세라믹소재종합솔루션센터 홈페이지에서 온라인 예약 후 공정조건 협의 및 사용승인 절차를 거쳐 사용이 가능하다. Ceramic Test-Bed에는 6명이 전담인력이 배치되어 기업들의 장비활용을 지원하고 있다.

3. 향후 진행 방향
그동안 정부지원으로 구축된 많은 인프라들이 설비 노후화와 운영상의 어려움으로 인해 제역활을 못하고 있는 경우가 많다. 정부예산으로 기 구축된 인프라들이 제역활을 수행하기 위해서는 구축된 장비들을 제대로 운영할 수 있도록 정부의 지원이 절실하다. 이를 위해서는 관련기관들이 상호 협력하여 효율적인 기업지원이 될 수 있도록 방안을 마련하고 정부를 설득하는 노력이 필요하다.
한국세라믹기술원 이천분원에 위치한 Ceramics Test-Bed는 수도권에 많은 기업들이 위치하고 있어 접근성이 우수하며 기업들이 필요로 하는 장비 위주의 인프라를 활용하여 지원하는 서비스를 실시하고 있으며, 2015년에는 76개 기업들에게 957건을 지원하였다. 향후에는 수요기업들이 원하는 시제품 개발 및 제작 그리고 고난이도 시제품 개발을 위해 필요로 하는 공정기술 지원 등의 다양한 산업계의 요구에 대응하기 위한 맞춤형 기술지원 서비스를 확대 실시하고자 한다.
이를 위해서는 세라믹분야 다수의 전문인력을 보유한 한국세라믹기술원의 소프트웨어 인프라를 활용한 서비스를 강화하여 소재부품분야 사업화를 위하여 기업들에게 도움이 되는 실질적인 서비스를 실시하기 위하여 최선의 노력을 다하고자 한다. 이를 통해 IT분야 소재 부품을 비롯한 유리, 디스플레이, 에너지, 반도체 공정장비, 자동차, 우주항공 분야의 소재 부품, 방탄부품 분야 등의 세라믹 기술 발전과 시장 확대에 기여하고자 한다.