2004년 일본 세라믹스 산업계의 동향(2)

편집부(외신)

■SiC단결정(표 7, 표 8)
SiC단결정은 주로 육방정과 입방정이 주요 결정계(結晶系)가 된다. 육방정 SiC단결정의 제작방법은 종부(種付, 種付き) 승화재결정법이 주류인데, 그밖에 용액성장법이나 고온화학기상성장법 등의 연구도 진행되고 있다. 또 입방정 SiC단결정이 제작은 Si기판 위에 대한 헤테로에피탁셜 성장법으로서 CVD법이 이용되어 왔는데, 성장속도와 막 두께, 또 결정품질 면에서 육방정에 비해 떨어졌다. 최근에는 파형(波形)으로 가공된 Si기판(안듈레이션 기판)을 사용함으로써 기술적으로 큰 개선이 시도되고 있다.
SiC는 Si에 Si보다도 공유결합 반경이 작은 C가 결합된 것으로 상압에서는 용융하지 않고, 약 2000℃이상의 고온에서 승화하기 때문에 400℃ 이상의 고온 하에서도 전기적 특성이 안정되어 있다. 이것은 고온작동 디바이스의 재료로서 최적이며, Si와의 물성을 비교하면 ①밴드갭 에너지가 Si의 2배 이상 ②열전도율이 Si의 약 3배 ③절연파괴전계가 Si의 약 10배의 크기 ④전자포화속도가 빠르다와 같은 특징을 가지며, 초저손실 파워 디바이스와 고주파 디바이스에 대한 적용이 기대되고 있다.
SiC파워디바이스로서는 고내압 SBC(쇼트 키버리어 다이오드)와 파워 MOSFET등을 들 수 있다. SiC파워디바이스의 온 저항은 같은 내압의 Si소자 10-2
~10-3이 되기 때문에 초저손실 디바이스의 실현을 기대할 수 있다.
이러한 SiC파워디바이스는 인버터, 모터, 스위칭 전원에 이용함으로써 가전, 자동차, 철도, 전력 등의 각 분야에서 한층 더 에너질 절약화를 꾀할 수 있게 된다. SiC고주파 디바이스로서는 ME-SFET(금속/반도체 전계효과 트랜지스터), SIT(정전유도형 트랜지스터)등을 들 수 있다. 이들은 이동체 통신기지국의 고체증폭기나 레이더 등에 사용된다.
또 SiC는 와이드갭 반도체로서의 비교에서 ①p형,n형의 가전자(價電子)제어가 용이 ②Si와 마찬가지로 열산화에 의한 Si산화막을 얻을 수 있다 ③도전성·절연성의 웨이퍼가 시판되고 있다(3인치)와 같은 특징이 있고, 이미 청색 LED소자용 재료인 GaN용 기판으로서 양산 베이스로 이용되고 있다.
SiC단결정의 일본 내 시장규모는 2003년도 단계에서 14억 엔인데, 2005년도에 19억 엔, 이것이 2010년도가 되면 250억 엔의 규모로 시장은 확대될 것이라고 예측되고 있다.

광통신용 세라믹스
■광파이버(표9)
광파이버는 NTT가 1980년부터 전화국간의 중계전송선으로서 채용하면서 국내수요가 환기되기 시작했다. 현재에 이르는 동안 통신사업의 자유화, 블로드밴드의 보급이 순풍이 되어 해마다 수요가 증가되어 왔다. 그런데 2000년에 그 신장세는 최고조에 달했고, 이후에는 마이너스 성장을 계속하고 있다.
표 9에 광파이버의 일본 내 시장규모의 추이를 나타내었다. 일본 내 시장규모는 2000년도의 3,254억 엔을 피크로 해마가 크게 규모를 축소시켜나가, 2004년도에는 피크일 때의 3분의 1에 가까운 수준인 1,244
억 엔이 되었다. 시장에서는 FTTH 가입자는 월간 10만 명 페이스로 증가하여 지속적으로 성장하고 있다.
FTTH서비스에서는 통신사업자 간의 심한 고객확보경쟁이 펼쳐지며 활황을 보이고 있다. 이러한 움직임이 있음에도 불구하고 광파이버 시장이 혼미를 거듭하고 있는 것은 통신사업자가 FTTH에 관한 설비투자에서 종래의 광파이버에 대한 계획투자를 거두고, 가입자의 증가에 따른 실수요 균형에 의한 설비투자로 이행하기 시작했기 때문이다. 실제로 우선 블로드 네트워크나 전력계 사업자 회사는 자사의 서비스 영역에 있어 세대 커버율이 90% 이상에 달한다는 점에서 앞으로는 어떤 일정한 요구가 발생하지 않는 한, 신규 투자를 억제하고 있다. NTT東西에서도 2004년 12월 현재 세대 커버율은 주요 도시 및 10만 명 이상의 도시에서 약 99%에 달하여 국토 전체적으로 80% 이상까지 광파이버의 정비를 끝낸 상태이다.
앞으로의 광파이버 시장전망은 상당한 기폭재료가 나오지 않는 한 쇠퇴일로라는 것이 대강의 전망이다. 앞으로 광파이버의 수요가 전망되는 기대수요는 아래의 4가지이다. 이러한 동향에 기대를 걸고 있다.
① 사업자 측의 사정 → 통신사업자의 고객획득의 스피드업
② 가입자 측의 사정 → 트래픽 량의 증가
③ 통신시장 밖에서 파급되는 요인 → 도시계획에 의한 땅속 매립화의 협력추진
④ 기술의 진보 → 신제품에 의한 수요의 환기

산업기계·환경·신소재와 세라믹스
■디젤엔진 자동차와 세라믹스
디젤엔진자동차라고 하면 흑연이나 소음 등 일본인으로서는 악평 높은 수송수단으로 일컬어진지 오래이다. 한편 디젤엔진은 압축착화에 의한 높은 열효율(가솔린엔진의 20~30% 향상)에 의해 고연비라는 점이 큰 특징으로, 결과적으로 CO2 저감에 크게 공헌할 엔진으로서 특히 유럽에서는 주목되어 점유율이 크게 신장되고 있다.
디젤엔진은 주로 HC(탄화수소), CO(일산화탄소), NOx(질소산화물), PM(파티큐레이트 마터=입자상 물질)과 같은 대기오염물질을 그 배기가스 속에 포함하며, 특히 NOx와 PM은 가솔린엔진보다 많이 배출된다. 이 NOx와 PM은 어느 한쪽을 줄이면 다른 한쪽이 증가하는 트레이드 오프의 관계에 있어, 대기오염물질에 대한 규제가 해마다 엄격해지고 있는 가운데, 세계의 자동차 메이커를 중심으로 어떻게 NOx
와 PM 양쪽을 동시에 효율적으로 삭감하는가, 그 기술개발에 활발한 연구가 이루어지고 있다.
NOx 및 PM을 삭감하는 기술은 전처리 기술과 후처리 기술로 분류된다. 전자는 원래 배기가스 자체를 줄이기 위해 연소기술 등의 개선을 통해서 사전에 저감처리를 하는 기술이며, 후자는 엔진에서 배출된 배기가스를 나중에 저감처리하는 기술이다.
전처리기술에서는 엔진 측에서 배기가스를 처리하는 ‘연소방법의 개선’이 주요 개발 포인트가 된다. 구체적으로는 연료분사의 압력을 고압화하여 실린더 안에 분사되는 연료의 입자를 미립화하여 균일하게 퍼지도록 함으로써 안전하고 또 저온에서 연소시킬 수 있도록 하는 것으로, 주로 EGR(Exhaust Gas Recirculation)과 커먼레일 시스템으로 대폭적인 개선이 시도되고 있다. 커먼레일 시스템은 연료분사를 고압화하여 한 번의 연소 행정에 여러 번 분사를 가능하게 한 선진적인 분사 시스템으로서, 이러한 우수한 기능을 실현하기 위해 압전 세라믹스에 의한 액추에이터와 질화규소에 의한 접동부품이 그 중요 구성부품으로 사용되고 있다.
후처리기술에서는 엔진 측에서 배출되는 배기가스성분에 따라 일반적으로 NOx 저감 시스템과 PM 저감 시스템으로 분류된다. 그중에는 NOx와 PM을 동시에 삭감할 수 있는 시스템도 개발되어 있는데, 도요타 자동차의 DPNR기술이 그 대표적인 예라고 할 수 있다. NOx 저감기술에는 주로 LNT(Lean NOx Trap), 혹은 NAC(NOX Catalyst Absorber)라고 하는 NOx 촉매를 사용하여 NOx를 산화반응시켜 처리하는 기술과 환원제로 요소 수용액을 사용하는 요소환원형 촉매가 있다.
PM저감의 기술개발은 DPF가 주류이다. 필터기능을 가진 담체로 PM을 포집하고, 그 PM을 연소시켜 재생하는 기능을 가진 것이 대표적이다. 이 담체에는 SiC, 코디에라이트, Si3N4등의 세라믹스 이외에 소결금속에 의한 개발이 이루어지고 있는데, 현재 SiC에 의한 세라믹스 타입이 주류를 이루고 있고 양산화 단계에 진입한 상태이다. 이 DPF는 특히 디젤엔진 자동차의 점유율이 높은 유럽에서의 수요에 큰 기대를 건다. 현 단계에서의 전망은 2008년 무렵의 단계에서 500~700억 엔이라는 규모는 새 시장의 창생이 예측되고 있다.
京都의정서가 2005년 2월에 발효되어, 일본을 포함한 비준국은 CO2배출의 삭감을 앞으로 어떻게 추진해 나갈 것인가에 대한 대응책이 코앞의 문제로 대두되어 있다. 그런 점에서 디젤엔진자동차는 그 높은 연소효율 덕에 CO2삭감에 크게 공헌할 엔진으로 주목되기 시작했다. 자동차 메이커 각사의 디젤기술 개발의 속도는 앞으로 점점 더 가속도가 붙고, 동시에 그에 맞는 연료의 개발 등 인프라의 정비도 갖춰 나가리라 예측된다.  
■구조용 세라믹스(표 10)
구조용 세라믹스 시장은 지난 몇 년 동안, 일반 기계부품이나 OA·가전 등 전자기계용 부품, 통신기기용 부품이 혼미한 상태이고, 그것을 보충하는 듯한 기세로 반도체 제조장치용과 액정제조장치용이 시장을 이끌어, 전체적으로 시장의 성장을 지속시키고 있다는 것이 도식적인 추이이다.
표 10에 2004년도 구조용 세라믹스 시장규모를 나타내었다. 이 가운데 가장 성장이 현저한 것이 위에 기술한 반도체 제조장치용 세라믹스 부재와 액정제조장치용 세라믹스 부재로, 시장규모는 각각 296억 엔, 119억 엔, 합계를 보면 전년도 대비 143.1%인 415억 엔의 규모(2003년도 290억 엔)에 달했다. 재료적으로는 CVD나 에칭장치용 절연부품, 웨이퍼 반송용 진공칩, 정전 척에 사용되는 고순도 Al2O3. 스테퍼용을 중심으로 한 XY스테이지류, 유리기판의 베드 등 대형정밀부품에 사용되는 Al2O3가 중심적 재료로 되어 있는데, 그 이외에 정전 척과 서셉터로서의 AlN, 특정한 용도용이기는 하지만, XY테이블에서 일부 Si3N4가 사용되는 경우도 있다. 또 대형성형품에서는 액정제조용 스테퍼에 Al-SiC 복합재료가 사용되며 지난 몇 년간 시장을 급속하게 확대하고 있다.
이러한 반도체 제조 및 액정제조 프로세스에 대한 세라믹스 부재는 필요불가결한 존재로 앞으로도 확대지향으로 추이해 나갈 것이라는 것이 업계 전체의 일치된 견해인데 한편, 이트리아계 재료 등에서 볼 수 있듯이, 그러한 내(耐)플라즈마 특성이 우수한 재료의 개발·실용화와 유전율에 대한 새로운 개발 요구 등 수요 측의 세라믹스 재료에 대한 새로운 개발 요구는 상당히 높다.

■다이아몬드·cBN공구(표 11)
다이아몬드 및 cBN공구를 합친 일본 내 생산액은 2004년에 903억 엔에 달해 전년도 대비 11.1%의 성장을 했다. 내역은 다이아몬드공구가 700억 엔으로 전년 비 110.3%, cBN공구가 202억 엔(동 113.4%)이었다.
이들 공구의 생산액 증가는 전체적으로 기계가공의 고속화·고도화에 따라 공구를 교체하는 횟수가 늘었다는 것이 주요 원인이라고 생각할 수 있다. 또 경기(景氣) 회복 여부의 불투명성의 대두로, 수요가, 판매점, 상사 등 각 유통단계에서 재고조정이 이루어졌다는 것도 영향을 준다. 경기의 불투명감이 늘어가고 있는 가운데 앞으로도 공구부문만이 유독 성장을 유지하기는 어렵지만 전체적인 경제성장률이 몇 % 정도에 그치는 가운데 의연하게 상대적으로 높은 성장을 보이고 있다는 것에는 주목할 가치가 있다.
다이아몬드공구의 수요는 석재·건재와 관련하여 이용되는 시멘트 공구가 압도적으로 많아 전체의 40% 정도를 차지하고 있다. 그 다음으로 많은 것은 기계공구 전반에 사용되는 그라인딩 호일과 전자·정밀공업관계에 사용되는 커팅 소로, 이들 3분야에서 전체의 4분의 3 가까이를 차지하고 있다. 지금까지는 특히 전자·정밀·석재 관계의 신장이 컸다는 것이 다이아몬드공구 전체의 신장에 크게 공헌한 것이라고 할 수 있다. 이 다이아몬드공구는 새로운 대형 소결체의 제조 등도 개발되어 앞으로는 절삭공구를 중심으로 새로운 특성을 가진 공구의 개발 등 새로운 분야를 개척해 나갈 것이 기대되고 있다.
한편 cBN공구의 경우에는 현재 다이아몬드와 같은 넓은 용도로는 사용되고 있지 않다. 수요의 대부분이 그라인딩 호일과 절삭공구에만 한정되어 있다. cBN공구 최대의 특징은 철계 재료는 중심으로 가공이 가능하다는 점이며, 또 초경공구(超硬工具)로서는 벅찬 공구강이나 담금질한 철강(소입강, 燒入綱) 등의 가공이나 고속 마무리 가공에 적합하다. 또 최근에는 인성의 개량도 진행되어 단속절삭 등의 사용도 서서히 가능해지고 있다. 앞으로는 이러한 고성능화뿐 아니라 저가화를 특징으로 하여 공구 중에서는 연속적인 높은 성장을 보이리라고 예측되고 있다.

■경사기능재료
경사기능재료(FGM: Functionally Graded Mate
rials)는 하나의 재료 속에서 조성이나 기능이 연속적 또는 단계적으로 변화하는 것을 가리킨다. 현재 세계적으로 널리 사용되고 있는 재료는 보통 마크로적으로 균질재질인 것이나 혹은 다른 기능이 요구될 때 균질재료끼리를 크랙하거나 하여 얻을 수 있는 것이 많다. 그러나 경사기능재료는 재료의 성질이 연속적으로 변화하여 특정한 계면이 존재하지 않는다는 점이 큰 특징으로 되어 있다.
이 경사기능재료가 주목되게 된 경위는 1987년에 당시의 과학기술청에 설치된 ‘스페이스 플레인 검토회’로부터 보고서가 제출되어 일본에서도 미국이 개발한 스페이스셔틀에 상당하는 우주왕복선의 개발을 목표로 하여 본격적인 연구를 개시한다는 것이 결정된 것이 계기가 되었다. 우주왕복선의 개발을 위해서는 지금까지와는 전혀 새로운 타입의 기체 재료를 개발할 필요가 있다. 또 추진계에서도 항공엔진용 내열재료에 비해 비약적인 성능 향상이 요구되게 된다. 예를 들어 열방위재료를 상정한다면, 수천 도의 고온가스에 접하는 면에는 세라믹스를 사용하여 주로 내열성을 부여하고, 액체수소나 액체질소로 냉각을 하는 면에는 금속재료를 사용하여 주로 열전도성과 기계적 강도를 주고, 그리고 그 사이의 조성분포, 조직, 및 공공률(空孔率)등을 연속적이며 동시에 사용 환경에 적합하도록 적절하게 제어하여, 새로운 재료를 창생하려는 것이 경사기능재료의 기본적 컨셉이다.
앞으로 이 경사기능재료의 응용분야로서 기대되는 것은 수변전기기와 공구류이다. 전력공급을 담당하는 수변전기기에서 경사기능재료가 사용될 가능성이 있다. 예를 들면, 가스절연개폐기는 차단과 단로(斷路), 피뢰 등의 기능을 아울러 갖는 복합개폐장치인데, 피뢰기용 소자의 결정조직을 주변부에서 중앙부를 향새 경사변화시킴으로써 열응력을 제어하여 에너지 흡수능력의 향상을 실현하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 또 이상적인 공구는 ‘단단하고 잘 마모되지 않는 것’과 ‘고인성’이라는 두 가지 상반되는 성질을 함께 갖춘 것이다. 여기에 경사기능재료의 개념을 도입하여 표면경사구조를 갖는 코팅 공구가 개발되고 있다. 이로써 잘 마모되지 않고 이가 잘 빠지지 않는다는 상반된 성질을 종래보다도 대폭적으로 향상시킨 코팅공구의 실용화에 성공했다.
앞으로 경사기능재료는 각종 코팅재료, 타깃 재료, 내식재료, 생체재료, 원자력재료, 고온재료, 일렉트로닉스 재료, 옵트일렉트로닉스 재료와 같은 폭넓은 재료에서 새로운 용도와 응용분야가 급속하게 전개되어 갈 것이 예상되어 그 기대가 크다.
(Ceramics Japan)

<본 사이트에는 표를 생략하였습니다. 원문을 보시려면 월간세라믹스를 참조바람>