21세기 신기술 융합과 첨단 세라믹스 연구 정보기술과 첨단세라믹스 연구 金宗熙 공학박사 / 삼성전기(주) 기술총괄 중앙연구소 羅恩相 공학박사 / 삼성전기(주) 기술총괄 중앙연구소 1. 서론 미국, 일본 등 주요 선진국에서는 첨단 분야에 대한 국가적 육성전략을 수립하여 신기술개발과 연계한 고급인력 양성에 투자를 집중하고 있으며, 자국내에서 확보가 어려운 고급인력에 대해서는 다양한 해외 유치전략을 추진하여 차세대 핵심 전략 분야에 대한 기술을 확보하려고 국가적으로 대응하고 있다. 예를 들어 미국에서는 “생명과학분야”에만 180억불(약23조원) 투자, 일본의 경우 “밀레니엄 프로젝트”에 ‘01년부터 향후 5년간 24조엔 투자와 더불어 IT기술인력 무제한 이민 허용(미국), 외국 연구자 영주권 부여(일본)등 적극적으로 대응하고 있다. 국내의 경우, 지금까지 산업 및 과학·기술발전에는 투자를 집중해 온 반면, 이를 뒷받침할 고급인력양성에 대한 투자는 다소 미흡했다. 양적으로는 과잉 배출되고 있는 반면 고급 핵심 인력은 절대 부족한 실정이었다. 이에따라 경쟁 가능성 있는 핵심 전략 분야에서 세계 제일의 신기술 개발을 주도할 고급 인력 양성 개발 활용체제 구축의 기치아래 2001년말 정부에서 주관하여 21세기 한국의 미래 6대 기술 육성을 위한 인력양성종합계획, 각각 IT(정보기술), BT(바이오기술), NT(나노기술), ST(우주항공기술), ET(환경기술), CT(문화기술) 분야의 기술 및 인력양성 방안을 발표하게 되었다. 이때 발표된 IT산업의 발전 전략의 골자는 다음과 같다. ① 2005년까지 광통신, 이동통신, 시스템 IC(System on Chip)분야 등 IT 핵심부품 국산화율 80% 이상을 달성. ② 2005년까지 총 1조원을 투자해 범정부적으로 20만명 이상의 IT 전문인력을 추가 양성한다. ③ 전자정부, 교육, 의료 등 대형 정보화 프로젝트를 추진한다. ④ 세계적인 인터넷 인프라를 활용해 인터넷 신산업을 육성한다. ⑤ 전통산업 분야의 제조, 생산, 연구개발에 공통적으로 사용되는 전산모사(CAD/CAM) 등 핵심 기반기술을 개발한다. ⑥ IT와 BT/NT/ET의 산업간 융합제품 등 신규 유망품목을 집중 육성한다. ⑦ 2005년까지 전자상거래 비중을 18% 수준으로 높인다. ⑧ 현재 추진중인 3만개 중소기업의 IT화 사업을 2003년까지 완료하고 향후 추진성과를 보아 확대한다. ⑨ 외국의 현지 대리점, 중개인, 우수 기업 등을 국내 IT 중소벤처기업 제품의 해외 판매거점으로 활용한다. 본 고에서는 첨단 세라믹스를 응용하는 정보 기술(IT) 분야 핵심 부품의 시장 및 기술 동향에 관하여 알아보고자 한다. 2. 첨단세라믹스의 시장 및 기술 동향 21세기 정보 기술(IT 산업)을 선도하는 새로운 통신 시스템 기술의 혁신적 전개에 따라 전자 기기의 무선화, 고성능화, 디지털화 및 휴대화가 본격적으로 진행되고 있어, 차세대 칩 부품 기술도 소형경량화 및 대용량화, 초 고주파화 및 고속화, 복합기능화 및 집적모듈화의 방향으로 첨단 세라믹스의 발전이 전개되고 있다. 부품의 소형경량화를 위해서는 기판의 배선밀도를 높이는 것과 개별 부품 또는 모듈의 크기와 무게를 줄이는 것이 필요하다. 이러한 요구에 부응하기 위한 직접화와 모듈화에 대한 관심이 고조되고 있다. 특히, 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic: LTCC) 기술은 기판의 집적화와 수동부품의 모듈화를 동시에 구현할 수 있으며 초고주파에 대응할 수 있는 기술이어서 IT(정보기술) 산업에서 전세계적으로 많은 관심을 가지고 있는 첨단 세라믹스의 한 분야이다. 최근의 현실들을 볼 때 IT 산업을 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 세라믹 부품산업 또한 기술과 품질의 무한 경쟁에서 시장을 선점하기 위한 기술개발이 절실히 요구되고 있으며, 그 발전의 정도를 예측하는 것이 불가능할 정도의 변화가 거듭되고 있다. 본 고에서 첨단 세라믹 부품 중에서 현재 개발 활성화되어 있는 부품에 대한 시장 및 기술 동향에 대하여 알아보겠다. 가. 이동통신부품 통신부품의 경우 IMT2000의 등장으로 2.4GHz용 고주파 부품과 멀티밴드화 대응부품의 수요가 늘어나는 가운데 필터는 복합제품화 추세로 개별품의 증가세는 둔화될 것으로 보인다. 또 5×5mm TCXO가 일반화되는 등 VCO·TCXO의 복합화와 소형화가 더욱 진전될 것으로 예상된다. 대응주파수의 변화는 900MHz 대역으로 예상되는 IMT2000까지 급속하게 변하고 있으며, Ka 및 Ku-BAND등 10GHz 이상 주파수의 위성통신까지 등장하고 있는 시정에서 부품의 소재도 현재 사용되고 있는 것 보다 고유전율, 저손실계수와 좀더 작은 온도계수 등이 요구되고 있다. 이동체통신 단말기 회로의 RF단에서는 Tx와 Rx단을 나눠주는 듀플렉서와 단간필터인 유전체 동축진필터, 압전단결정에 의한 표면파필터(SAW필터) 등이 사용되고 있고, 1st IF영역에서 사용되며, 2nd IF영역에서는 주로 세라믹 압전필터가 사용되고 있다. 이러한 부품들은 휴대용 단말기의 부피가 점점 작아짐에 따라 소형 및 고성능화의 추진이 매우 활발하게 이루어지고 있는데, 능동소자(LSI)들과 함께 단말기의 기본성능 및 크기, 중량 등을 결정짓는 매우 중요한 부품이다. 성능을 향상시키면서 소형 경량화 및 저전압화를 해야 하는 서로 상반되는 기술과제를 해결해 나가는 노력이 계속되고 있다. 유전체필터는 삽입손실이 적고 온도특성이 양호하며 내전력성이 큰 등의 여러 특성이 요구되며, 이 필터 두 개를 조합한 듀플렉서는 수신부와 송신부를 분리시켜주는 switch로서 사용되고 있다. 대부분의 유전체 필터는 단면적 6×6mm 또는 3×3mm의 공진기를 2개 또는 3개를 결합시킨 형태를 하고 있으나 이 형태의 필터들은 생산성면과 크기에서 불리한 단점을 가지고 있다. SAW필터는 이미 일찍부터 SMD화가 이루어져 있으며 사용하는 압전재료 및 동작기구에 따라 1GHz를 넘는 중심주파수를 갖는 것이 개발이 되어서 보통의 휴대폰 영역인 900 MHz대역뿐만아니라 일본의 PHS와 한국의 PCS에 대응되는 1.5∼1.8GHz대역까지 사용되게 되었다. 1st IF영역에서는 디지털화가 진행됨에 따라 광대역의 필터가 필요하게 되어 수정의 MCF를 대신해서 SAW필터가 주로 사용되고 있는 실정이다. 나. Chip 부품 대표적인 칩부품으로서 chip 저항, chip 인덕터, 콘덴서를 들 수 있다. 콘덴서라는 것은 전기를 일시적으로 비축이 가능한 부품으로서 알루미늄전해, 탄탈전해, 세라믹콘덴서 및 필름콘덴서 등으로 분류되고 있다. 이동체통신기기. 디지털 AV기기 등 전자기기의 소형경량 및 박형화에 따라서 콘덴서의 칩화는 급속도로 진행되어 있다. Set제품의 디지털화, 고주파화 및 소형경량화의 요구에 따라서 각종 칩부품의 세계시장은 확대 기조를 보이고 있다. 그러나 LSI 등 부품의 반도체에 의한 고집적화에 따른 기존 칩부품의 수요 감소가 예상되기도 하지만 디지털화와 고주파화의 진전은 일반부품의 수요감소 우려를 불식시키기에 충분하다. 국내 MLCC 주요 생산 업체로는 삼성전기와 삼화콘덴서를 들 수가 있다. 삼성 전기는 2005년 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 과기부 주관 중점 국가연구 개발 사업의 지원을 받아 기존 탄탈 캐패시터를 대체할 수 있는 100㎌의 초대용량 MLCC 개발을 완료하여 양산에 들어갔으며, 220㎌도 연구 개발중이다. 또한 우수한 경쟁력을 확보하기 위하여 부품 생산에 소요되는 재료비 절감을 위해 독자적인 원가 절감 기술 개발에 앞다퉈 나서고 있다. 일례로, 내부 전극의 재질 중 가격대가 비싼 팔라듐(Pd)보다 저렴한 니켈의 비중을 90%에서 95%로 확대하고, 해외 생산 비중도 60%에서 80%로 확대해 가고 있다. 삼성정밀화학에서 개발하여 사용하기 시작한 세라믹 파우더의 사용률을 확대하여 생산 원가를 절감하고, 이 같은 국산 소재를 100㎌ 이상의 대용량 제품과 0603(0.6mm×0.3mm)의 고주파용 구리전극 MLCC에도 확대, 대용량, 고주파의 MLCC 시장을 선점하고자 한다. 또 하나의 중요 수동부품인 적층칩인덕터의 시장은 크게 두 부문으로 나뉘어지는데 그 하나는 회로의 중요 구성요소로서의 인덕터이며, 다른 하나는 EMI에 대응하는 칩비드품이다. 이들은 꾸준하게 성장하였으며, 소형화는 국내에서도 1005수준까지 상품화가 되어 있다. 특히 사용주파수에 따라서 크게 두 종류의 소재가 사용되고 있는데 중저주파수 대역에서는 기존의 Ni-Zn ferrite가 사용되고, 고주파영역에서는 낮은 유전율을 갖는 저온소성 유전체가 사용되고 있는데, 칩화율은 98년도에 일본에서 57%에 달하며 현재는 65%정도로 추측되고 있다. 시장상황은 전자기기의 디지털화에 힘입어 노이즈 대책부품으로서 크게 각광받고 있으며 적층칩인덕터의 세계시장은 연 100억∼150억개 정도로 추정되고 금액으로 환산하면 3000억원에서 5000억원에 해당된다. 국내에서는 삼성전기와 세라텍에서 Ni-Zn 페라이트에 의한 범용품 및 저온소성세라믹을 이용한 고주파용으로 1005크기의 HIGH-Q 고주파용 적층칩인덕터의 수요가 급등하고 있어 미세세라믹분말과 저저항전극 재료를 미크론단위에서 고정밀로 적층화한 기술로 일본의 TDK사는 업계 최고의 품질계수를 보이는 칩인덕터를 생산하고 있다. 비디오카메라 및 디지털카메라 등의 휴대기기의 전원부분의 저소비전력화가 이루어지고 이에 따른 IC의 구동전압의 저전압화에 따라 IC전원라인에 사용되어지는 모든 부품에서 직류저항의 감소가 요구되고 있다. 태양유전에서는 페라이트가 함유된 내열수지로 코일을 감싸는 형태를 한 칩을 개발하여 위의 요구에 대응하고 있다. 칩저항은 1976년에 일본 rohm사가 3216사이즈의 각형 칩저항기를 양산한 이래 고속마운팅, 고집적화의 요구에 따라 칩타입의 저항기 수요는 확대일로에 있었으나 수년전부터는 그 성장세가 둔화되고 있다. 현재는 고정저항기의 90% 이상을 각형 금속피막저항이 차지하고 있는 실정이다. 향후의 시장동향은 이동체통신용도의 0603사이즈의 보급과 산업기기 분야에서의 리드타입에서 칩타입으로의 변환 및 디지털화에 따라 칩 저항의 수요가 증가할 것으로 예상되고 있으나, 전체수요면에서 볼 때는 다른 부품보다는 증가폭이 작을 것으로 예상된다. 기술동향은 일본의 마쯔시타는 초미세 스크린 인쇄기술을 개발하여 06 03의 소형화를 실현했으며 전극과 저항재료간의 확산을 억제할 수 있는 소형패턴을 이용하여 특성 개선도 이루고 있다. 현재 칩 저항의 가격하락이 급격하게 일어나고 있어 대량생산에 의한 가격경쟁력이 없는 제조회사는 경합이 어려운 상태이며 하위회사들은 향후 사업에 어려움이 예상되고 있다. 다. 기타 부품 분야 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 채용되고 있다. 자성체 세라믹스는 페라이트 코어를 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 서미스터를 중심으로 칩화되는 경향이 커지고 있으며, 고성능의 원재료 개발 등의 핵심기술확보가 요구된다. 3. 맺음말 상기의 정보 기술용 첨단세라믹스를 이용한 복합 부품의 수요는 전자 기기의 디지털화 및 소형화에 따라 급속하게 증가하고 있으며, 이에 따른 적층 기술 개발도 괄목할 만한 성과를 이루어서 범용 부품의 고부가가치화 및 복합 부품의 실용화를 주도하고 있다. 그러나 여러 가지 성장 위협요인도 대두되고 있는 실정으로서 지난 수년간 세트의 경박단소에 대한 요구를 적층화에 의한 부품의 SMD 칩화 기술로 대응해 왔으나, 향후에는 부품의 복합 one chip화가 요구되고 있어 각 부품의 기능이 반도체 기술에 의한 소형화 및 IC화됨으로서 칩 부품의 탑재수를 감소시키는 방향으로 제품이 설계되고 있다. 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. 표 1. LTCC 응용 단품 및 복합모듈의 시장 규모 및 적용분야 부품/모듈 구분 2000 2001 2002 2004 적용제품분야 LC Filter 수량 151,000 220,000 220,000 253,575 GSM/DCS, PCS 금액 45,440 68,470 TDMA/AMPS Chip 수량 20,000 160,000 330,000 480,000 Bluetooth antenna 금액 24,000 288,000 Front end 수량 252,000 382,000 470,000 656,250 GSM/DCS, PCS module 금액 378,000 1,063,860 TDMA/AMPS Bluetooth 수량 2,100 31,200 102,000 431,125 HHP module 금액 21,920 1,724,500 PA 수량 382,000 510,000 650,000 885,150 All system module 금액 1,243,760 2,655,450 VCO 수량 801,000 950,000 1,050,000 1,180,200 All system 금액 920,000 1,298,220 Source:「RF Devices/Modules for Cellular 2000, Ver. 1.1」 그림 1. 세계 IMT-2000 시장 전망 2002 2003 2004 2005 가입자 15 59 104 148 시장규모 13 51 48 61 세계 IMT-2000시장전망 백만명 십억＄ 200 150 100 50 0 70 60 50 40 30 20 10 0 그림2. MLCC의 시장규모 및 적용분야(단위:억개) (세계시장 200년 약 6조원 : 2005년 예측 약 10조원) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 witreless 920 1160 1430 2130 2670 3990 computer 620 670 730 810 870 930 automotive 490 540 580 640 700 760 other 4070 4350 4650 4980 5330 5710