羅恩相 공학박사 / 삼성전기(주) 전자소자사업부 CHIP부품팀 책임연구원 1. 서론 PCB와 콘덴서, 저항기, 수동 진동자 등 일반 전자 제품의 수요는 전방 사업이 IT 하드웨어 경기에 민감한 특성을 보이고 있다. 2003년 상반기 IT 하드웨어 경기는 대외적으로 이라크 전쟁, 사스 대내적으로 지정학적 리스크, 불확실한 경제정책 등 의 악재가 겹쳐 1/4분기 노트북 PC, 휴대폰, TFT-LCD, 디지털 가전 등 일부 품목의 호황 속 전반적 부진, 2/4분기 노트북 PC, 셋톱박스(STB), TFT-LCD 등 소수 품목을 제외하고 성장률 둔화 혹은 부진기조 지속으로 요약 될 수 있다. 특히 수요 비중이 큰 북미의 PC와 네트웍장비 시장이 회복될 기미가 보이지 않아 전체적인 전자 부품 경기는 바닥권을 벗어나지 못하고 있다. 2002년 전반적인 회복 국면이었던 전자 부품 경기는 2003년 1/4분기 들어 침체 국면으로 전환되었다. 공급 측면에서는 각 업체의 설비 증설에 따른 공급 과잉으로 단가가 지속적으로 하락하는 추세를 보이고 있어 국내 첨단 세라믹스 업체에 부정적으로 작용하고 있다. 그러나 1999~2000년 구매한 PC의 교체 주기가 도래하고 있어 수출의 경우 2003년 3/4분기, 내수의 경우 4/4분기 전자 부품의 경기는 바닥을 통과하고 회복국면으로 전환되고 있다. 전자 부품 경기가 되살아난다 할지라도 디지털 가전, 휴대폰 등의 일부 분야를 제외하고는 전자 부품 업체 전반적으로 수익성 개선은 다소 힘들 전망이다. 범용성이 강하고 수출비중이 높은 일반 전자 부품은 원화 강세, 주요 수요 업체들의 단가 인하 압력, 중국 및 동남아 업체의 약진으로 인한 경쟁 심화 등으로 채산성이 약화되고 있다. 또한 현재의 공급 과잉의 기조가 수요 부족은 물론 지나친 과잉 설비에 기인한 것이기 때문에 수요가 회복 된다고 하더라도 당분간 공급 과잉은 지속될 수밖에 없기 때문이다. 이처럼 전자 부품은 기본적으로 그 종류가 매우 다양하고 전방 산업의 경기 여부에 매우 큰 영향을 받으며 기술 및 시장 진입 장벽이 낮은 품목에 집중할 경우 수익률이 매우 낮으므로 주요 생산 부품별 마진율 및 경쟁 구도, 주요 생산 부품별 수요처 및 단가 하락 압력 존재여부를 반드시 검토해야 한다. 전자 산업의 이러한 동향에도 불구하고 부품 산업은 급격한 기술적 성장으로 고부가 가치 제품 개발에 총력을 기울이고 있어 지속적인 성장이 기대된다. 특히 휴대 전화 단말기, 평면 디스플레이, PDA 등의 첨단 세라믹스 분야의 전자 제품에 대한 수요가 지속적으로 늘어나고 있다. 이러한 향후 전자 제품의 수요와 핵심 기술 확보에 발맞춰 2001년 정부에서 21세기 미래 6대 기술 육성을 위한 인력양성 종합 계획을 수립하였으며, 추진 목표를 경쟁 가능성 있는 핵심 전략 분야에서 세계 제1의 신기술 개발을 주도할 고급 인력 양성 개발 활용 체제를 구축하는 것을 골자로 하였다. 이를 계기로 현재 과학기술부 산하 부품 소재 사업단 및 국가 지정 연구실(National Research Laboratory)을 선정, 집중적으로 육성하고 있으며, 해외 기관과 치열한 경쟁이 진행되고 있으며, 국내 전자 부품 산업에 경쟁력을 높이고 있다. 첨단 세라믹스 측면으로 보면 전자 부품의 성장을 위한 무기성 화학 재료를 활용해 만든 반도체 봉지제, 유기 액정 재료, 포토 레지스트 및 고흡습성 수지등이 있으며 특히, 무기성 화학 재료는 파인 세라믹(세라믹 콘덴서), 유리(Glass, 판유리, CRT, 광학 렌즈), 실리콘(실리콘 웨이퍼) 등의 사용이 증가되면서 시장이 급속히 확대되고 있다. 본 고에서는 첨단 세라믹스를 이용한 핵심 전자 부품 산업(칩캐패시터, 칩 인턱터, 칩 저항 등)에 대한 소개와 이들의 2004년 연구 개발 동향을 파악하고자 한다. 2. 핵심 전자 부품 산업 21세기 정보 기술(IT산업)을 선도하는 새로운 통신 시스템 기술의 혁신적 전개에 따라 전자 기기의 무선화, 고성능화, 디지털화 및 휴대화가 본격적으로 진행되고 있어, 차세대 칩 부품 기술도 소형·경량화 및 대용량화, 초 고주파화 및 고속화, 복합기능화 및 집적모듈화의 방향으로 첨단 세라믹스의 발전이 전개되고 있다. 최근의 현실들을 볼 때 IT산업을 기반으로 하는 전자산업은 그 특성상 성장률의 둔화는 있을지라도 꾸준한 성장이 예상되고 있으며, 이들 전자산업을 뒷받침하는 전자세라믹스 소재 및 부품 또한 발전을 계속할 것으로 기대된다. 이와 더불어 Chip 부품 또한 기술과 품질의 무한 경쟁에서 시장을 선점하기 위한 기술개발이 절실히 요구되고 있으며, 그 발전의 정도를 예측하는 것이 불가능할 정도의 변화가 거듭되고 있다. 가. Multilayer Chip Capacitor 커패시터(또는 콘덴서)는 두 도체 사이 유전체의 전하 축적에 의해 전기를 일시적으로 충전하는 기능을 가진 부품으로, 직류전류를 차단하고 교류 전류를 통과시키며 충전시킨 전류를 항상 일정하게 방전하는 특성이 있다. 이러한 커패시터를 전극을 형성한 후 여러층 겹쳐 만든게 MLCC이다. 커패시터는 유전체와 전극의 재료에 따라 세라믹(MLCC), 탄탈, 니오브, 니오브산화물, 알루미늄 전해질과 알루미늄 폴리머 필름으로 분류되며, 이중 MLCC가 전체 커패시터 시장의 70%이상을 차지하고 있다. 또한 MLCC시장은 05년까지 연평균 시장 성장률이 전자산업의 1.07%, 부품산업의 1.7%보다 높은 9.28%의 고성장 분야이다. (2002년 시장 규모 : 전자산업(1.8%), 전자부품(2.9%), MLCC(18.2%)) MLCC 부품과 관련 소재의 발전 패러다임은(그림 1) 고용량화에 대한 시장 요구가 증가하여 고적층, 박층화로 기술 변화가 가속화되고 있다. 관련 기술공정 기술과 소재또한 이에 대응하기 위해 유전체 및 내부 전극 분말의 미세화 기술(Sub micron or Nano size etc) 및 고유전율, 고신뢰성의 유전체 개발, 내산화 특성을 갖는 전극 물질 등 특성 개선 기술 개발이 진행되고 있다. 부품 및 Device는 2006년에 100㎌의 고용량화, 공정 기술에서는 1㎛의 유전체 두께에 의한 박층화 및 800층의 고적층 실현이 예상되며, 주요 소재인 유전체 분말과 내부 전극의 분말은 0.2㎛이하로 개발되어야하며, 이를 분산 처리할 수 있는 Powder Processing 개발도 동시에 이루어져한다. MLCC의 원재료는 크게 유전체 분말인 BaTiO3 (재료비의 44.6%), 내부 전극 분말인 Ni 전극과 Pd 분말(재료비의 24.6%), 외부 전극 분말인 Cu 분말(재료비의 15.6%) 등으로 구성되어 있으며, 부성분 분말(4.5%)과 캐리어 필름, 도금액 등이 포함된다. 이러한 원료들 중 유전체 분말과 캐리어 필름인 PET 필름, 테이핑 테잎의 일부만이 국산화된 정도로 국내 MLCC 소재 산업의 환경은 매우 취약한 상태에 있으나, 이를 극복하기 위한 방안으로서 산학연 인프라를 이용한 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한 초미립 BaTiO3 분말은 2005년, Ni 분말과 Cu 분말은 개발이 진행중에 있으며, 각각 2004년, 2006년에 상용화가 예상되고 있다. 국내 MLCC 주요 생산업체로는 삼성전기와 삼화콘덴서를 들수가 있다. 이 분야에서 삼성전기는 일본의 Mmurata, TDK, 태양유전, Kyocera에 이어 시장 점유율이 5위의 Major 업체로서, 2007년 세계 1위의 MLCC 생산업체가 되기 위한 국내외 공장의 생산 설비의 증설, 글로벌 공급 체계를 확립중이며, MLCC용 생산 설비중 85% 이상을 자체 제작 할 수 있어 경쟁국인 일본 업체에 비해 설비 증설에 유리한 조건을 가지고 있다. 최근, 삼성전기는 고부가가치품 초소형 0402 (0.4mm×0.4mm×0.2mm) MLCC를 개발 완료하였다. 0402 크기의 MLCC는 현재까지 가장 작은 크기로 기존 생산되어 온 0603 크기에 비하여 부피가 약 3분의 1에 해당하는 것이다. 0402 MLCC가 본격 시장에 도입되는 단계에서 X7R 및 NPO 특성의 초소형 MLCC 개발을 완료함으로써 고부가가치 시장을 선점할 수 있는 토대를 마련하였다. 나. Duplex and Filter 정보통신 수동 부품용 소재는 휴대 전화, PDA, GPS, 위성방송, 무선 노트북 등 이동 통신 시스템의 대중화 추세에 따라 최근 10여년 동안 괄목할 만한 성장이 이루어진 분야이다. 머지않은 장래에 주문형 비디오의 수신과 동영상 전송까지 가능한 차세대 이동 전화가 보급될 예정에 있어 현재 사용되고 있는 부품과 소재도 새로운 요구에 맞게 개발 되어야한다. 특히 데이터 송수신 속도와 반송 주파수의 증가에 따라 기존의 소재 보다 품질계수가 개선된 유전체가 각광을 받을 것으로 보인다. 대부분의 커패시터가 대략 수백 MHz 이하의 회로에서 사용되는 것과는 달리 이통 통신에 사용되는 주파수는 800MHz 이상의 마이크로파 대역이기 때문에 주어진 대역폭에서 가능한 한 많은 채널을 확보하기 위해서는 유전 손실이 작은 유전체가 주목을 받게 된다. 대표적인 부품으로는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)나 듀플렉서(Duplexer)를 들 수 있다. 이동통신 부품의 발전 방향을 살펴보며, 단말기용 부품의 경우 부품의 경박단소화 및 집적화 추세에 따라 단위 부품의 크기가 작아지는 것은 물론 가능한 많은 부품들을 하나의 부품속내 포함 시키는 방향으로 발전되어 가고 있다. 이런 맥락에서 멀티 칩 모듈(Multi Chip Module)의 일종인 세라믹 칩 팩키지(MCM-C)를 구현하기 위한 LTCC 기술이 국내외적으로 매우 활발하게 연구되고 있는 것이다. 반면에 기지국용 부품의 경우에는 크기보다는 부품의 성능이 가장 주요한 고려사항이므로 위 소자들이 특성을 개선함과 동시에 신소재 및 부품의 개발이 이루어지고 있다. 이와 같은 추세는 장차 4세대 이동통신 서비스가 정착될 때 까지는 계속될 것으로 판단된다. 이 분야에서는 일본의 Murata, Kyocera, 후지쯔 등이 선두기업으로 일부는 국내 부품업체와도 원료 공급 및 기술 자문 등 협력 관계에 있기도 하다. 그러나 휴대 전화에 들어가는 핵심 부품에 대한 수입 의존도는 매우 높은 편으로 SAW 필터, 듀플렉서, 아이솔레이터 등의 경우 70%이상 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 다. Multilayer Chip Inductor Chip 부품 중 또 하나의 중요 수동부품인 적층칩 인덕터는 코어에 감긴 도선에 전류를 흐르게 함으로써 주파수에 비례하여 임피던스가 높아지는 특성을 갖고 있어 이를 이용하여 해당 주파수에 있는 잡음을 제거하거나 커패시터와 함께 공진 회로를 구성하여 특정 주파수 대역의 신호를 증폭하는 부품이다. 적층형 칩 인덕터는 세라믹 본체 재료와 내부 도체 및 외부 전극 단자로 구성되어 있다. 세라믹 재료는 중저주파수 대역에서는 Ni-Zn ferrite가 사용되고 고주파 영역에서는 낮은 유전율을 가지는 저온 소성 유전체가 사용된다. 내부 도체 및 외부 전극 단자 재료로는 전기 저항이 낮은 Ag가 많이 사용된다. 인덕터의 기술 개발은 복합화, 소형화, 고용량화, 고기능화(High Q), 고주파수화, 고정밀화를 추구하고 있다. 소형화는 0603까지 진행되었으며 L-C, L-R, R-C 등 복합 칩의 수요가 점차 증가하는 추세에 있다. 칩 인덕터 국내 생산 업체로는 한국 태양유전, 삼성전기, 필코전자, 삼화전기, 세라텍 등이 있고 해외 업체로는 TDK, Matsushita, Murata, Taiyo Yuden, Toko, KOA 등이 있으며, 전자기기의 디지털화에 힘입어 노이즈 대책부품으로서 크게 각광받고 있으며 적층 칩 인덕터의 세계시장은 연 100∼150억개 정도로 추정되고 금액으로 환산하면 3000억원에서 5000억원에 해당된다. (작년 국내 시장은 290억 규모임.) 라. Chip Resistor 칩 저항기는 회로내 전류를 조절하고, 전압의 세기를 조절하는 핵심 부품으로 노트북(350개), 이동 전화(100개), PDA(200여개)등에 대당 수백개씩 사용되고 있다. 저항체의 구성 재료에 따라 Carbon composition, Carbon film, Wire wound, Metal Oxide (RuO), Thick Film(Ni-Cr-Ta)등으로 구분되며, 저항체의 형성 방법에 따라 박막형과 후막형으로 구분된다. 박막형의 칩 저항기는 저항체로는 Ni-Cr 등의 금속을 증착하여 형성시킨 금속 피막형으로서 저항치의 편차가 적고, 온도 계수가 작다. 후막형 칩 저항기는 세라믹 기판상에 RuO2 저항체와 AgPd 전극을 인쇄 방법으로 형성하고 저융점의 녹색 유리를 저항체의 보호막으로 코팅하여 제작한다. 칩 저항기의 개발 동향은 고정밀화, 복합화, 저전력화와 소형화(0603 size)이다. 국내 생산업체로는 삼성전기와 한륙전자이며, 해외업체로는 Matsushita, KOA, ROHM, Murata, Hokuriku, Kyocera, Taiyo Yuden 등이 있으며, 세계 시장 규모는 연간 14억 달러 규모이다. 현재 칩 저항의 가격하락이 급격하게 일어나고 있어 대량생산에 의한 가격경쟁력이 없는 제조회사는 경합이 어려운 상태이며 하위 회사들은 향후 사업에 어려움이 예상되고 있다. 마. 기타 부품 분야 바리스터는 각종 휴대정보기기에 탑재돼 기기 내외부에서 발생하는 정전기(ESD) 충격으로부터 회로를 보호하고, 배터리 사용시간을 늘려주는 기능을 하는 부품으로 휴대폰 칩 배리스터가 15~30개가 장착된다. 배리스터의 종류에는 칩형과 디스크 형이 있으며 칩형에는 단일 칩형과 Array형으로 구분된다. 이 부품 역시 소형화(0603), 저가격화, 어레이화, 고정밀화 관점으로 연구가 집중되고 있다. 압전 세라믹스는 주파수 필터 및 기준신호 발생원 초음파 응용기기, 센서 등 산업전반에 걸쳐 폭넓게 응용이 기대되는 분야로 성장성이 높고 활용분야도 점차 다양화되고 있다. 또한 LCD의 시장확대와 더불어 backlight용 압전트랜스포머도 SLIM화, 효율향상, 안정성의 장점으로 인버터회로에 채용되어 Pb 휘발 억제를 위한 저온 소결화, 출력 특성 향상 및 기능의 다양한 설계를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 자성체 세라믹스는 페라이트 코아를 중심으로 성장을 해왔으나 최근에는 칩인덕터, 칩비드, EMI 필터 등의 칩형 부품의 개발 및 시장참여가 활발하게 이루어지고 있다. 향후 자성체 세라믹스 산업은 일부 품목을 중심으로 한 대량생산 체제에서 소량 다품종 생산체제로 변화하는 추세에 대응하고 저가격화에 의한 생산성 향상 및 고성능의 재료 개발, 신규 시장 창출을 위한 다각적인 협력관계 구축을 통하여 국제적인 경쟁력을 갖추는 것이 요구되고 있다. 반도체 세라믹스는 NTC, PTC 서미스터를 중심으로 칩화되는 경향이 커지고 있으며, 고성능의 원재료 개발, 조성 개발, 후막 성형 공정, 공정등의 핵심기술확보에 기술이 집중되고 있으며, 신규 설계를 통한 시장 진입을 노리고 있다. 3. 맺음말 다행히 올해 세계경제는 미국 경제 및 IT경기 회복세에 힘입어 대체로 회복세를 보일것으로 예상되며, 우리 경제는 수출 증가와 내수의 완만한 회복세에 따라 5.1% 수준의 성장을 기록할 것으로 전망된다. 최근들어, 휴대 전자기기의 저가격화가 급격히 이루어지고 있는 상황에 따라 각 전자 부품의 가격 하락의 압력도 매우 커지고 있으며, 범용 SMD 칩 부품의 경우 매년 10% 정도의 가격 하락을 경험하고 있는 실정이다. 이에따라 고부가가치의 기종 개발만이 가격 하락에 대응하여 양호한 사업성을 유지할 수 있는 길이며, 이를 위해서는 적기에 소형화, 대용량화 및 다기능화에 대한 기술을 개발하여야 한다. 상기의 첨단 세라믹스를 이용한 전자 부품의 수요는 급속하게 증가하고 있는 전자 기기의 디지털화 및 소형화에 따라 지속적인 증가가 있을 것이며, 이에 따른 첨단 세라믹스의 분말 합성 기술과 공정 기술의 괄목할 만한 성과를 이루어 부품의 고부가가치화 및 복합 부품의 실용화를 주도하고 있다. 향후의 기술은 적층화에 의한 SMD 칩화는 물론 부품의 one chip화가 요구됨으로서 각 부품의 기능이 반도체 기술에 의한 소형화 및 IC화됨으로서 칩 부품의 실장 밀도를 증가시키는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술 개발을 위해서는 서언에서 언급한 바와 같이 핵심기술 개발 인력을 양성하기 위한 인프라 및 산·학·연 협력을 통한 현장성 있는 인력 양성과 지속적인 과학 기술 분야 및 핵심 부품 소재 기술 분야의 지원이 지속적으로 유지되어야 함은 물론 해외 기술을 outsourcing 할 수 있는 인프라 구축이 시급한 상황이다. 전자 부품 산업은 하루 아침에 이루어질 수 없으며, 끊임없는 연구의 결과로 나타날 수 있다. 참고 문헌 1. 전자 부품의 산업 전망, 하나경제 연구소, 2003년 7월 2. 일본 산업의 현황 및 Industry Shift, 주간전자정보, 2002년 11월 3. MLCC용 핵심 재료, 삼성전기, 2003년 9월 4. 칩 부품 재료 기술 동향, 전자정보센터, 2003년 10월 5. 2004년 경제 및 경영 환경 전망, LG 주간 경제, 2003년 9월