김 병 익 공학박사 요업(세라믹)기술원 세라믹건재본부 본부장 전 명 표 공학박사 요업(세라믹)기술원 세라믹건재본부 선임연구원 1. 서론 첨단세라믹스는 역사적으로 오래전부터 사용되어온 전통세라믹스(도자기, 타일, 유리, 내화물 및 시멘트 등)와 구별되며, 비교적 근년에 들어 새로운 산업 및 기술의 요구에 의해 성장하고 있는 세라믹 신소재분야라 할 수 있으며, 전자 및 정보통신소재, 구조소재, 에너지 저장소재, 청정 및 환경소재 그리고 생체소재로 분류할 수 있다. 이와 같은 분류는 세라믹 소재가 갖는 전기적 성질(유전성, 절연성, 압전성, 반도성 등), 자기적 성질(강자성, 연자성), 기계적 성질(고강도, 내마모성, 고경도성 등), 생체적 성질(생체친화성, 내부식성, 생체융합성) 및 화학적 성질(내식성, 촉매성, 촉매 담체성) 등에 기인한다. 표 1에는 첨단세라믹스의 대략적인 분류가 용도 및 소재/부품으로 분류되어있다. 이러한 다양하고, 우수한 성질의 첨단 세라믹은 전자 및 정보통신, 자동차 및 우주항공, 방위산업 등의 첨단산업의 발전을 위해 필수적이며, 점점 더 중요해지고 있다. 첨단세라믹스의 국내시장은 2002년을 기준으로 25억 달러로 세계시장(780억 달러)의 약 3%를 점유하며, 그림 1에서 보이는 것처럼 연평균 13.6%의 비교적 높은 성장률에 의해 2010년에는 69억 달러에 이를 것으로 예상된다. 분야별로 구분해 보면 전자 및 정보통신 소재부문이 70% 정도로 가장 많으며, 구조관련 소재가 20%, 나머지 10% 정도를 환경 및 생체 재료가 점유하고 있다. 국내 첨단세라믹스 산업을 좀더 자세히 살펴보면, 전자 및 정보통신 소재부문은 국내 반도체 및 디스플레이산업의 계속적인 발전과 최근의 이동통신 산업의 급속한 성장 그리고 첨단 가전산업의 도약에 힘입어 수동소자인 콘덴서, 저항 및 인덕터, 이동통신부품인 필터, 듀플렉서, 디스플레이 소재인 기판, 투명전도막, 전극재료, 기타 센서와 EMI필터 등의 수요가 연평균 15% 이상으로 증대되고 있다. 또한 국내의 구조세라믹 부문은 90년 이후 자동차, 항공, 우주, 에너지 산업의 발달과 최근 국내외적인 환경 및 의료산업에 대한 관심으로 연평균 10% 이상 성장하고 있다. 한편 국내 생체재료는 인공뼈, 인공관절 및 치과재료 등의 분야에 한정되고 있으며, 대부분의 해외의 수입에 의존하고 있는 실정이며, 국내의 제조기술은 초보단계이다. 본 원고에서는 국내 첨단세라믹스 생산의 많은 부분을 점유하는 전자 및 정보통신 세라믹스에 대해 디스플레이, LTCC소자, 수동소자/RF부품 그리고 압전 및 반도성 세라믹스로 분류하여 국내시장 및 참여업체 그리고 기술동향에 대하여 기술하고자 한다. 2. 첨단세라믹스 현황 및 미래 가. 전자 및 정보통신 세라믹스 1) 디스플레이 국내의 디스플레이 산업은 세계적으로 1위를 달성하고 있는 분야로서 매우 중요한 산업분야이다. 디스플레이를 분류해 보면 크게 CRT와 FPD(평판디스플레이)로 구분된다. FPD로는 LCD, PDP, OLED등이 존재하며 각각의 특징에 따라 사용되는 크기 및 용도가 구분된다. CRT의 경우 고화질과 가격경쟁력을 지니고 있으므로, 중소형 화면에서 지속적으로 시장을 점유하고 있으며, LCD는 FPD의 75% 정도를 점유하며, 낮은 소비전력이 장점이나, 좁은 시야각과 낮은 휘도 및 느린 응답특성을 가지며, 중소형 화면에 적용된다. PDP는 40인치 이상의 대화면에 용이하며, 넓은 시야각과 긴 수명을 가지나, 에너지 효율이 낮고, 저화질 및 높은 가격이 문제이다. OLED는 현재는 소형 화면에 적합하고, 화면의 응답속도가 매우 빨라 동화상 표시에 적합하며, 추후 개인휴대 단말기 부문에 있어서 LCD의 수요를 능가할 것으로 예상된다. 그림 2는 국내 디스플레이 시장규모를 나타내며, 2003년에 160억 달러에서 2010년 780억 달러로 시장이 확대될 것으로 추정된다. 디스플레이에 사용되는 세라믹스 소재로는 발광층을 보호하는 역할을 하는 유리기판, 유전체 재료, 투명하며 전기가 잘 통하는 전극물질인 투명전도막 및 빛을 받았을 때 형광을 발생시키는 형광물질 등으로 구성된다. 국내의 디스플레이용 세라믹재료의 생산업체로는 다음과 같다. LCD 유리기판의 경우 삼성코닝정밀유리에서 주로 생산되며, PDP용 유전체 재료는 대주정밀화학 및 제일모직 등에서, 투명전도막은 삼성코닝, 형광체는 LG화학, 삼성 SDI 등에서 생산되고 있다. 디스플레이의 소재분야는 새로운 응용분야의 확대 및 성능향상을 위하여 지속적인 재료의 개발이 요구된다. 현재 주로 사용되고 있는 투명전도막인 ITO의 경우 희소성으로 고가이므로, 저가이며 높은 투명성과 전기전도도를 갖는 신물질의 개발과 투명전극의 평탄화 기술이 요구되고 있다. 기판유리의 경우에는 열처리에 따른 치수 안정성과 접착력이 중요하므로, 저열팽창, 고내열성, 경량화, 고접착성 및 저가격화가 요구되고 있다. 형광체는 디스플레이의 성능에 직접적으로 영향을 주므로 중요하다. 고상합성법으로 제조된 형광체의 경우 불순물의 혼입 등으로 특성이 열화될 수 있으므로 새로운 제조방법이 요구된다. 또한 고화질을 얻기 위해서는 수명이 길고, 고휘도의 발광특성이 우수한 형광체의 개발이 필요하다. 2) LTCC소자 LTCC는 저온동시소결세라믹으로 최근 이동통신시장의 급격한 성장과 함께 소형, 저가격화 및 고기능화의 구현이 가능하므로 최근 관심이 고조되고 있다. LTCC 단품 및 모듈은 L, C, R 및 필터 등의 수동소자들을 내장시키는 것이 가능하므로 PCB에 비하여 크기를 줄일 수 있으므로 경박단소가 요구되는 이동통신용 부품(필터, PAM, FEM 등)에 적합하며 특히, 높은 Q값을 가지므로 고주파 응용에 적합하다. 또한 PCB에 비하여 고온에서의 신뢰성이 좋으므로 자동차용의 엔진제어, 제동시스템 등에 사용되고 있다. 그림 3은 LTCC의 세계수요를 나타낸다. LTCC의 우수한 특성에 기인하여 2003년 1조원에서 2007년에는 2조원 정도로 시장이 증가될 것으로 예상되고 있다. LTCC의 수요로는 우수한 고주파 특성을 요구하고, 소형화 및 모듈화에 적합한 RF부품이 50%이상을 차지하며, 자동차용이 다음으로 수요가 많음을 보여준다. 국내에서는 주로 필터 등의 고주파 단품 및 ASM, FEM 등의 모듈을 삼성전기에서 생산하고 있으며, 블루투스 모듈을 개발 중에 있다. LTCC 응용제품을 개발중인 국내회사로는 오리온전기, 아모텍, 세라스톤, 쌍신전기 및 한원마이크로웨이브 등이 있다. LTCC는 L, C, R 등 다양한 소자들을 내장시키는 것이 가능하므로 유비쿼터스, SOP 등의 다기능복합화 시대에 적합하므로 매우 유망한 분야로 사료된다. 한편 다양한 소자들을 집적하기 위해서는 그에 따른 고도의 설계 및 소재/공정기술이 요구된다. 따라서 정밀인쇄기술, 정밀 소성 수축율 제어, 이종재료 접합기술, 도금 및 실링기술 그리고 패키지를 위한 Inter connection기술 등의 기반기술을 구축해야만 한다. 3) 수동소자/RF부품 회로를 구성하는 3요소인 콘덴서, 저항, 인덕터 및 공진기, 안테나, 필터 등 RF부품 그리고 전자파 흡수 및 차폐제는 전자기기의 휴대화, 디지털화, 고성능화 및 고주파화에 따라 소형/경량화 및 복합다기능화하고 있다. 그림 4는 이와같은 수동소자 및 RF부품과 전자파 흡수 및 차폐제에 대한 국내의 생산량을 보여준다. 콘덴서의 생산량이 다른 부품에 비하여 월등히 많은 부분을 차지하며, MLCC의 생산증가에 힘입어 2002년 6억불에서 2010년에는 약 14억 정도로 증가가 예상된다. 다음으로는 전자파 흡수 및 차폐제가 2002년 1.4억불 정도를 보여준다. 한편 유전체공진기, 안테나, 필터 및 듀플렉서 등의 RF부품은 다품종으로써 차지하는 비율은 그다지 높지 않음을 알 수 있다. 삼성전기는 MLCC를 세계 TOP 3에 진입하기 위하여 연구개발 및 생산에 많은 투자를 하고 있으며, 삼화콘덴서는 중고압 MLCC 등의 틈새 시장을 공략함으로써 경쟁력을 확보하려 하고 있다. 칩저항 및 칩인덕터의 경우 삼성전기, 한국태양유전 및 쎄라텍등에 생산되고 있으며 대만, 중국 등의 저가격, 대량생산에 의하여 국내 생산업체의 경쟁력이 저하하고 있다. 따라서 생존을 위해서는 원가절감 및 고부가가치품 개발을 조기에 출시하는 전략이 필요하다. RF부품의 경우 삼성전기를 포함하여 아모텍, KMW, 쌍신전기, 한원 등 많은 업체가 고온 소성의 벌크형을 주로 생산하고 있다. 전자파 흡수 및 차폐제는 익스팬전자, 엠에스비케이, 하나일렉콤 등에서 소규모로 제조/판매되고 있다. 향후 컴퓨터, 이동통신단말기, 디지털카메라, 사무용기기 및 가전제품 등의 고도화에 따라 수동소자 및 RF부품 등은 계속적인 수요 증가가 예상된다. 한편, 시장을 선점하기 위해서는 다음과 같은 기술개발이 선행되어야 한다. MLCC의 경우 고용량화 및 신뢰성 확보를 위해 유전체층 및 전극두께의 박층화가 필요하며, 따라서유전체 분말 및 전극두께의 미세화를 비롯하여 분산 기술 등의 공정기술이 요구된다. 또한 매출확대를 위해서는 부가가치가 높은 제품의 생산 비중을 높이는 것이 필요하며, 높은 신뢰성이 요구되면서 가격 경쟁력이 높은 전장용 제품 등으로 제품 다양화가 이루어져야할 것이다. 그리고 PC의 처리속도(clock속도) 증대와 함께 디지털 노이즈를 제거하기 위해 고주파에서 저 ESL를 갖는 MLCC의 수요가 증대될 것으로 사료된다. 휴대전화, 무선랜 등에 사용되는 정보통신용 고주파부품들은 소형화, 다기능복합화 및 고주파화하는 경향을 보인다. 이에따라 설계기술, 고유전율의 High-Q 소재개발 및 공정기술의 고도화가 요구된다. 4) 압전 및 반도성 압전체는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 또는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 성질을 응용하여 압전필터, 초음파 진동자, 압전센서, 스피커 및 엑츄에이터 등의 제작에 사용되고 있다. 한편 반도성 세라믹스로는 NTC 및 PTC 써미스터와 바리스터가 있다. 그림 5는 압전 및 반도성 세라믹스 제품의 국내 생산을 보여준다. 압전소자의 경우 2002년 0.4억 달러에서 2010년에는 1.1억 달러로 증가가 예상되며, 반도성 부품은 2002년 1억 달러에서 2010년 2억 달러로 생산이 배가될 것으로 추산되고 있다. 압전 및 반도성 소자의 경우 많은 업체들이 생산에 참여하고 있으며 압전소자의 경우 에스세라, 레트론, 경원페라이트, 신우전자 등에서 생산되고 있다. 반도성 세라믹스의 경우 NTC 써미스터는 고려전자, 한국쌍신전기, 레트론, 제임스텍, 익스펜전자 등에서 생산되며, PTC 써미스터의 경우 삼양전자요업, 자화전자, 삼화콘덴서, 경원페라이트 등에서 제조된다. 그리고 바리스터의 경우 아모텍, 세라텍, 레트론, 이노칩 등에서 생산되고 있다. 앞으로 압전부품은 품질 향상을 위하여 고정밀, 고출력이 요구되며 초소형 및 대형화의 경향을 보인다. 핵심기술로는 제조공정이 간단하고, 고신뢰성의 압전소자를 제조하기 위한 설계기술 확립, 고강도의 우수한 압전특성을 얻기 위해 압전나노분말 개발 및 제조기술 확립, 무연계 친환경 압전소재개발, 후막성형기술, Cu 등의 저가금속을 활용을 위한 환원소성기술, 저가격 및 고신뢰성의 패키징기술 그리고 측정기술 등이다. 또한 세라믹스의 잘 깨지는 성질을 해결하기 위해 세라믹과 폴리머의 압전복합소재의 연구도 필요할 것으로 사료된다. 적층엑츄에이터의 경우 손실없이 소자의 변위를 최대화하기 위하여 전극패턴 및 소자구조의 설계기술이 필요하다. 반도성 세라믹스를 응용한 부품은 전자기기의 고성능화, 디지털화 및 안정화에 따라 시장은 계속적으로 성장할 것으로 예상된다. 한편 시장을 선점하기 위해서는 셋트업체에서 필요할 것으로 예상되는 특성사양을 사전에 파악하여 조기에 개발하는 것이 필요하다. 기술적으로는 NTC써미스터의 경우 고온에서 고신뢰성을 유지하기 위하여 글라스 실링이 필요하며, 선형의 특성을 갖는 소재의 개발이 요구된다. PTC써미스터의 경우 폴리머 PTC와 경쟁하기 위해서는 저저항 실현을 위한 소재 및 공정기술의 확보가 필요하며, 정온발열체로 사용분야를 확대하기 위해서는 300℃ 이상의 높은 큐리온도를 갖는 재료의 개발도 필요하다. 전자기기의 복합화 및 소형화 요구에 따라 능동소자의 구동전압이 점점 낮아지고 있으며, ESD 등의 문제를 해결하기 위하여 칩바리스터가 사용되고 있다. 칩바리스터에 요구되는 기술로는 누설전류 및 반복ESD에 대한 내구성 등의 신뢰성 향상, 소형화에 대한 대응 그리고 ESD와 EMI 기능을 합쳐놓은 복합부품의 개발도 요구되고 있다. 앞으로 자동차의 고기능화에 따라 자동차 전장용으로의 수요가 증대될 것으로 사료되므로 이에 대한 대응을 준비해야만 할 것이다. 3. 맺음말 첨단세라믹스 산업은 전자 및 정보통신분야, 고기능성 구조재료분야, 에너지 및 환경분야 그리고 생체산업의 발전을 위해 꼭 필요한 첨단소재분야로써 부가가치가 높고, 관련산업에 미치는 효과가 크므로 국내외적으로 많은 관심과 연구개발이 이루어지고 있다. 정부가 추진중인 10대 성장동력산업은 많은 부분이 첨단세라믹스 소재산업의 발달과 깊은 관련이 있으므로 현재보다도 더 많은 정부차원의 지원이 필요할 것으로 사료된다. 앞으로 첨단세라믹스는 환경조화성, 고신뢰성 및 다기능성으로 전개가 예상되며, 이를 달성하기 위해서는 높은 수준의 구조제어 및 신재료의 개발이 필요하다. 이러한 신재료 개발은 마이크로 및 나노수준의 미세구조제어는 물론 원자나 분자수준의 구조제어를 통해서 가능할 것이므로, 정밀특성평가 기술과 병행되어야한다. 또한 제품의 복합화에 따른 다양한 기능을 만족시키기 위해서 여러 가지 물성을 적절히 조합하는 것이 필요하므로 세라믹과 폴리머, 금속과 폴리머 그리고 세라믹과 금속 등의 재료복합화가 활발히 이루어질 것이다. 이밖에도 균일한 특성을 얻기 위해서는 각각의 소재의 적절한 선정 및 배합과 같은 원료기술, 분산성 향상을 위한 표면개질기술, 복잡성형기술, 초정밀 가공기술 등이 요구된다. 한편 에너지저장 및 환경정화에 사용되는 촉매의 효율을 높이고, 재료의 물성을 향상시키기 위해서는 나노소재의 개발 및 적절한 활용에 관심을 가져야 할 것이다. 표 1. 첨단세라믹스의 용도 및 소재/부품에 따른 분류 첨단세라믹스 분류 용도 소재 / 부품 디스플레이 기판재료, 투명전도막, 형광체등 LTCC소자 필터, TCXO, VCO, 안테나, LTCC모듈, 패키지등 전자 및 정보통신 수동소자/RF부품 콘덴서, 저항, 인덕터, EMI필터, 유전체필터, 기판 세라믹스 센서 및 회로보호 압전소자(진동자, 압력센서), 반도성소자(PTC, NTC, 바리스터) 등 저장 및 변압 자성재료(강자성, 연자성) 기계 및 구조 자동차 점화플러그, 센서, 배기정화기 등 세라믹스 고온내열 엔진부품, 가스터빈부품 고강도 / 내마모 반도체 치공구, 절삭공구 에너지관련 에너지 저장 에너지저장 및 변환재료(연료전지, 태양전지), 세라믹스 촉매 및 촉매담채 등 환경 세라믹스 환경소재 광촉매, 다공성 세라믹스(대기 및 수질정화) 등 바이오 세라믹스 생체소재 인공뼈, 인공치아, 스마트센서, 약물전달 등 필자약력 한양대학교 무기재료공학과 학사 한양대학교 무기재료공학과 석사 한양대학교 무기재료공학과 박사 요업(세라믹)기술원 세라믹건재본부 본부장 필자약력 한양대학교 재료공학과 학사 KAIST 재료공학과 석사 KAIST 전자재료공학과 박사 삼성전기 수석연구원 요업(세라믹)기술원 세라믹건재본부 선임연구원