반도체·LCD용 구조세라믹 제품의 연구개발 및 시장동향

LCD용 구조세라믹 제품의 연구개발 및 시장동향

김 상 모 (주)원익쿼츠 세라믹스사업부

1. 서론
평판 디스플레이 시장은 IT(정보기술) 발전에 힘입어 고속성장을 하고 있으며, LCD의 경우 노트북 PC, 데스크탑 모니터, 이동통신기기, 디지털 카메라, PDA 등에 주로 사용되어 왔으나 HD-TV 등의 가전제품 영역으로 그 폭을 넓혀가고 있다.
최근 FPD(Flat Panel Display)의 대형화 추세 및 Mother glass board 다면취의 효율적인 생산 관점에서 LCD 패널은 계속해서 크기가 더 커지고 있다. 대형 TFT-LCD의 수요처를 살펴보면 LCD 모니터, 노트북 PC, LCD TV, 데스크탑 모니터용으로 LCD가 전체의 50% 이상을 차지하면서 모니터 시장의 주력 디바이스가 된 것이 2003년부터이다. 그리고 현재 LCD 모니터가 주력으로 전량 대체되어진 상황이며, 디지털 TV 시장에서도 40인치 이상에서는 PDP와 LCD가 치열한 경쟁을 할 것으로 예측되며 30~40
인치 급에서는 LCD TV로 대체될 전망이다.1) 그림 1에 향후 평판 디스플레이 Device별 크기 경쟁구도를 나타내었으며, 60인치급 까지는 LCD가 시장을 확보할 것으로 판단된다.
상기 평판 디스플레이 시장에 따른 구조세라믹의 시장을 살펴보면, Device별 제조 공정에 사용되는 구조세라믹 소요량 대부분은 LCD 제조공정에서 소모하고 있으며 PDP나 MD-프로젝션의 소모량은 극히 미미하다. 이는 Device를 제조하는 공정온도에 의한 것으로 상대적으로 고온에서 원판 glass 처리가 이루어지는 LCD 공정에서 세라믹의 소요량이 많은 것으로 판단된다. 따라서 향후 어느 Device가 디스플레이 시장을 장악하느냐에 따라 디스플레이용 구조세라믹의 시장 변화에 큰 변수로 작용할 것이다. 또한 LCD 시장 변동에 따라 소요량이 민감하게 작용하기 때문에 LCD 시장 추이가 중요한 시장 변동 요소이다. 그림 2에서 알 수 있듯이 세계 FDP 시장추이를 보면 2004년, 2005년에 LCD의 총액 포션이 크게 증가하여 이에 따라 TFT-LCD의 세계 주요 생산국 중에서 세계 1, 2위를 확보하고 있는 국내 LCD 산업도 호황을 누렸으며2), LCD 제조 공정에 사용되는 세라믹의 수요도 급증하게 되었다. 그러나 2004년 이후 성장성은 차츰 저하되고 있으며 이에 따라 세라믹 시장도 영향을 받을 것으로 예측된다.
LCD용 구조세라믹의 기술적인 측면을 살펴보면, LCD의 제조공정은 대부분 플라즈마나 부식성이 높은 gas를 이용한 환경을 조성하여 glass처리가 이루어진다. 이런 조건하에서 glass 및 플라즈마 발생용 전극의 하중을 지지하고, 플라즈마 및 부식성 gas로부터 설비를 보호하고, 최대 오염원인 particle의 발생을 최소화할 수 있는 고강도, 내침식성이 강한 재질이 요구되어진다. 또한 LCD 패널의 대형화 추세 및 Mother glass board 다면취의 효율적인 생산 관점에서 세라믹의 대형화가 요구되고 있다. 그러나 세라믹의 일반적인 특성상 내침식성은 우수하기 때문에 물리적인 물성에는 크게 문제되지 않으나, LCD 패널의 대형화에 따른 대형의 세라믹 구현 기술 발전은 저조하여 LCD나 PDP의 크기 성장에 대응이 어려운 실정이다.
현재 LCD 패널의 저변화 및 가격 저하에 의한 LCD용 구조세라믹도 지속적인 가격 down의 압박을 받고 있다. 세라믹 제품의 가격 구성 요인을 보면 소결 후 정밀 가공비가 전체 제품 가격비의 50% 이상을 구성하고 있다. 이 정밀 가공비를 줄일 수 있는 실형상 제조기술이 가격 경쟁력 확보를 위한 연구개발 항목으로 대두되고 있다.
따라서 본 고에서는 LCD용 구조세라믹의 시장동향을 간략히 서술하고자 하며, 연구개발은 대형 LCD 패널 제조에 따른 구조세라믹의 대형화 구현기술 및 실형상 구현 기술에 대한 현황을 살펴보고자 한다.

2. LCD용 구조세라믹의 시장동향
가. 국내 파인세라믹스 시장 현황
국내 LCD용 구조세라믹의 Market 상황을 알아보고자 하였으나 LCD 패널 메이커 및 제조 공정 장비 메이커의 보안 특성상 세라믹의 사용처 및 수요에 대한 통계치가 전무하여 정확히 파악하기는 힘든 상황이다. 이러한 상황에서 LCD용 구조세라믹의 시장조사는 한계를 띠고 있으며, 관련 세라믹 제조 업계에서 활용할 수 있는 자료가 미약하여 시장 확대시 자체 조사에 의존하거나 납품업체의 구매 담당자에 의존하는 경향을 보이고 있다. 따라서 본 고에서는 자체 조사에 의한 시장상황을 기술하고자 한다.
먼저 국내 파인세라믹스 시장의 현황 및 전망을 살펴보면, 표 1에서 알 수 있듯이 국내 파인세라믹스 수요시장은 2002년 2조 8,465억원 규모에 달하였다. 2005년에는 56%가 성장한 4조 4,400억원 규모에 달하고, 2007년에는 2년간 28%가 성장한 5조 6,895억원, 2010년은 45%가 성장하여 8조 2,530억원에 달할 것으로 전망된다. 그리고 2015년에는 5년간 86%가 성장한 15조 3,410억원에 이를 것으로 전망된다. 국내 세라믹 소재 사용분야에 있어서는 전기·전자 분야가 2000년에 50.2%로 구조세라믹(39.4%)과 바이오세라믹(10.4%) 분야를 앞질렀고, 2001년에도 비슷한 양상을 보였으나 2002년에는 비슷한 양상 속에서도 바이오세라믹 분야가 증가하는 반면 구조세라믹 분야가 다소 감소할 것으로 추정되고 있다. 그림 3은 국내 파인세라믹스의 소재 사용 동향을 나타내고 있다.

나. LCD용 구조세라믹스 시장
파인세라믹스 시장의 50% 이상은 전기, 전자 세라믹스가 형성하고 있으며, 구조세라믹의 시장은 약 30% 정도로 협소하다. 그 중 LCD용으로 사용되는 구조세라믹의 시장은 국내 LCD 공정장비 시장 23억 7000만 달러3) 및 국내 구조세라믹 시장 내에서 기계, 구조용 시장 2534억원4)에 비하면 아직 걸음마 단계이며, 장비의 구성 부품으로 투입되기 때문에 시장 확대의 한계를 안고 있다. 표 2, 그림 4에 국내 LCD용으로 사용되는 세라믹의 연도별 시장동향을 나타냈는데 2005년 시장 규모는 약 140억원 정도로 파악되고 있으며 이는 기계, 구조용 세라믹스 시장의 약 6% 정도의 시장이다.
그러나 2003년 이후 LCD 제조 메이커의 지속적인 설비 투자에 힘입어 연간 시장 성장세는 매년 약 1.5배 가량의 성장을 보이고 있으며, 2006년의 경우 주요 LCD 메이커 메이저사의 대규모 설비 투자가5) 본격적으로 시작될 예정이므로 2006년의 LCD 구조세라믹 시장은 작년 2005년 대비 2배 이상의 성장세를 예측하고 있다.
주로 LCD용 구조세라믹은 LCD 메이커 메이저사의 신규 Line Set-up시 소요량이 급증하며, 정규적인 소모성 물량은 Set-up 물량의 1/3정도로 예측하고 있다. 그러나 이들 대부분은 LCD 공정 장비 제조사가 공급하고 있으며, 아래 표 2, 그림 3의 경우는 국내에서 생산되는 LCD용 구조세라믹 시장으로 전체 수요량의 약 30% 밖에 미치지 못하고 있는 실정이다.
수출의 경우 LCD용 구조세라믹을 잠정 추정하면 2005년 수출액은 약 50억원으로 국내 시장의 약 30% 정도로 저조한 실적을 보이고 있으나6), 제조업체에서 지속적인 해외 시장을 확보하고자 하는 움직임이 일고 있다. 이와 더불어 한국과 세계 LCD 생산 1위, 2위를 다투고 있는 대만 및 중국 LCD업체의 설비투자와 월 생산 Capa 증가와 맞물려 수출시장의 확대 및 호조를 기대하고 있다.
  
3. LCD용 구조세라믹의 연구개발 동향
가. LCD용 구조세라믹스의 재질 및 사용처
먼저 LCD용 구조세라믹에 사용되는 재질을 살펴보면 95% 이상이 알루미나가 차지하고 있으며, 그 외에 지르코니아 및 이트리아 등이 있다. 알루미나가 내침식성 및 강도발현에 적합하고 가격이 상대적으로 저렴하기 때문에 주로 사용되는 추세이나 점진적으로 좀더 플라즈마에 내침식성 우수한 재질로 변환되는 추세이다. 이에 부응하는 재질이 희토류계 산화물인데 희토류계 재질의 플라즈마 내침식성은 우수하나 가격적으로 매우 높기 때문에 일반화까지는 많이 시간이 걸릴 것으로 예상된다.
그림 5에 LCD장비에 사용되는 구조세라믹의 사용처를 도식으로 나타내었다. 주로 사용되는 곳은 CVD
공정과 DRY ETCH공정 장비의 소재 부품으로 플라즈마로부터 장비를 보호하는 Shield 역할과 고전압을 절연하는 Insulator, 전극 및 glass를 지지하는 구조재 역할을 수행한다. 그림 6에는 실제 사용되는 제품들의 사진을 나타내었다.

나. LCD용 세라믹스의 대형화
다음으로 LCD용 구조세라믹의 대형화에 대한 관련사항을 기술하고자 한다. FPD의 대형화 추세에 따른 TFT-LCD 및 PDP 패널 제조 MOTHER GLA
SS의 SIZE는 TFT-LCD의 경우 1870×2200(7세대), 2160×2460(8세대), 2400×2800(9세대)으로 커지고 있고, TFT-LCD 설비제조에서의 알루미나 세라믹부분의 확대가 요구되어져 현재는 2m가 넘는 매우 큰 크기의 세라믹판의 제조가 필요한 상황이다.
일반적으로 90×90 이상 120×120 이하 크기의 세라믹 판(Plate)의 경우 가압성형이 곤란하므로 주입성형이 주로 채택되고 있으나, 40″ 이상 크기의 TFT-
LCD 또는 PDP패널을 제조하기 위한 1m 이상 크기 알루미나 세라믹 판은 주입성형으로는 품질의 균일성을 확보하기가 쉽지 않고 SIZE-UP에 상당한 어려움이 있다.
현재 1m 이상의 세라믹 판을 제조하는 방법으로는 FILTERING법과 주입성형법, CIP법이 적용되고 있다. FILTERING법과 주입성형법은 알루미나 슬립내 수분을 제거할 수 있는 필터나 석고를 장착한 몰드에 저압을 가하여 성형체를 제조하는 방법으로 설비가 간단하고 세라믹 성형체의 SIZE-UP에 대응이 용이하다. 그러나 석고를 이용한 주입성형의 경우 석고의 수명이 짧고 대형화에 따른 취급이 용이하지 않으며, 석고의 불균질성 때문에 SIZE-UP에 한계를 가지고 있다. FILTERING법은 SIZE-UP 및 제조상에 있어 석고를 이용한 주입성형법보다 월등한 장점은 있으나 여전히 성형체 균일성을 확보하기가 쉽지 않다. 또한 이들 성형체가 대형화함에 따라 상대적으로 성형체의 강도가 약하다는 단점이 있다. 성형체의 강도가 약하면 취급상 용이하지 않으며 성형 후 기계가공이 어렵다는 단점도 안고 있다. 이에 반해 CIP법은 균일한 가압 및 고압에 의한 성형체의 균질성을 확보하는데 용이하고 기계적 후가공이 가능한 유리한 장점이 있으나, 설비의 용량에 의해 제조 성형체의 크기가 결정되기 때문에 성형체 SIZE-UP에 막대한 투자비가 요구되고 제조 몰드의 비용이 높은 단점이 있다. 표 3은 현존하는 성형법에 따른 특성을 비교하여 나열하였다.
현재 국내에서 대형 세라믹판을 제조하여 제품화하는 업체의 경우 위의 3가지 성형법 범주를 벗어나지 못하고 있다.

다. 세라믹스 대형화 및 실형상 제조 기술
1)Gel-casting
국내 제조업체의 개발 동향을 살펴보면, 향후 57″ TFT-LCD제조 설비에 대응하기 위하여 기존의 슬립캐스팅 주입성형에 의한 제조 방식을 탈피하여 개선된 FILTER PRESS 방법을 적용한 3m 이상의 알루미나판 제조를 시도하고 있거나 신규 대형 CIP 설비 도입에 의한 제품 제조 방식에 개발 초점을 맞추고 있다. 또한 가격 경쟁력 향상을 위한 실형상 제조 기술 및 대형화 기술로 gel-casting법 및 Thermo
set molding법이 대두되고 있다.
위의 성형법을 살펴보면, 잘 알려져 있다시피 gel-casting은 세라믹 공정과 모노머의 중합기술을 혼합한 방법으로 세라믹 분말을 모노머와 혼합하여 슬러리를 만든 후 겔화 반응을 촉진시키기 위해 촉매 및 개시제를 첨가하여 모노머들을 중합시킴으로써 성형체를 제조하는 방법이다. gelling을 이용한 gel-casting 기술의 도입은 분산된 분말이 그대로 성형체의 미세구조로 옮겨지므로 밀도구배가 없는 near-net shape 성형체의 제조가 가능하고 유기중합체가 성형체의 강도를 증진시켜 취급성이 용이하고 기계적 후 가공이 가능하다는 장점이 있으나 성형 후 성형체의 건조 및 탈지공정에서 많은 문제점을 안고 있고, 모노머의 사용으로 환경적인 유해요소를 함유하고 있다는 단점을 안고 있다. 이러한 단점을 인식하면서도 gel-casting 기술의 선택은 저렴하면서도 제조가 용이한 새로운 대형 세라믹스의 제조 기술이 없는 사항에서 선택의 여지가 없어 보인다.
현재까지 gel-casting으로 외경 300mm 이상이나, 길이 1m 이상 제품이 양산화에 성공했다고 보고된 바는 없으며, 연구소나 대학교의 Lab base로 제작된 제품은 여러번 보고된 바는 있다. 이로 미루어 gel-casting으로 대형 세라믹스 제조에는 해결되어야 하는 문제점이 산재해 있는 것으로 판단된다.
2)Thermoset Molding
Thermoset Molding(열경화 성형)이란 플라스틱 제조 공정에서 시작된 성형법의 하나로서 Transfer molding법의 일종이다. 유동성을 부여하는 열경화성 레진과 세라믹스 분말을 혼합하여 금형에 투입하고 열을 가하면서 성형하는 방법이다. 성형이 완료되면 열에 의하여 변형이 되지 않으며, 레진의 cross-linking에 의해 성형체 강도를 발현하게 된다.
Thermoset Molding의 장점으로는 복잡형상의 제조가 가능하고 건조시 수축이 거의 발생하기 않기 때문에, 수축에 의한 성형체 내부에 응력이 발생하지 않고 실형상에 거의 가까운 제품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 표 3에 성형법에 따른 제조 방법의 비교 내용을 기술하였다.
그러나 세라믹스 제품 제조에 있어 Thermoset Molding법만으로 제품 제조가 힘들고 추가적인 반응 소결법 등의 활용으로 응용 공정이 필요하다. 또한 경화성 레진을 사용하기 때문에 이의 제거가 큰 문제가 되지 때문에 현재의 적용 범위는 SiC/C계 세라믹스 제품에 한정되어 있다.
그림 7에 Transfer molding법의 성형방법을 나타내었으며, Thermoset Molding법으로 제조한 세라믹스의 실제품 예를 그림 8에 나타내었다.7)
3)V-process
일본 한 업체의 경우는 필터링법과 gelling법을 응용한 V-PROCESS라고 알려진 제조 방법에 의해 대형 세라믹스 판을 생산하고 있으나 제조 수율이 낮은 것으로 보고되고 있다. V-process는 철강 주물법의 진공 성형법에서 발전된 것으로 세라믹 제조에 응용되었는데 그림 10에 제작 방법에 대한 개략도를 나타내었다. 위에 기술된 여러 세라믹스 제조법 중 현재의 기술상황으로 보아서는 가장 신뢰성 있는 방법의 하나로 판단된다. 낮은 수율에도 불구하고 이 방법으로 제조된 성형체로 길이 3m급 이상이 현재 시장에 판매되고 있다. 그림 11에는 현재 제작 가능한 최대급 크기의 알루미나 제품의 예를 나타내었다.

4. 결언
향후 생활의 윤택 증진에 의한 웰빙 열풍과 유비쿼터스 등의 기대감에 힘입어 디스플레이 핵심영역인 TV 부문에서도 대형 FPD 수요가 급증하리라 예상되며, 대형 FPD의 선두 주자를 놓고 TFT-LCD와 PDP의 크기 및 가격 경쟁이 치열하리라 예상되어진다. TFT-LCD의 경우 세계적으로 현재 년간 선적되는 양은 1억5천만 세트 정도가 되는데, 2007년에는 2억 세트가 되리라고 기대된다. 플랫패널디스플레이(FPD)가 최근에 주의를 끌었을지라도, 이의 현재 시장 점유는 단지 6% 정도에 불과한 실정이다. 즉 FPD 시장이 지금부터 증가할 것이라고 예측할 수 있다.
이런 FPD 시장의 확대에 부응하여 국내 구조세라믹 산업도 크게 성장하리라고는 예측되나 국내에 소비되는 LCD용 구조세라믹의 시장 조사가 어렵고 이로 인하여 세라믹스 제조업체의 시장 확대에 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위해서는 정부나 연구소 등의 조직적이고 체계적인 시장 조사가 선행되어야 할 필요가 있다.
또한 기술적인 측면에서는 FPD의 대형화에 따른 대형 세라믹스의 수요가 발생하리라 판단되고, 조만간 FPD 크기 경쟁에 의한 3m를 초과하는 세라믹의 대응 요구가 있을 것이다. 더불어 길이, 폭의 크기 대형화뿐만 아니라, 두께가 40T 이상의 후막 대형 세라믹이 필요하게 될 것이다. 이런 대형화에 발맞춰 구조세라믹도 기존의 성형기술에서 탈피하여 새롭고 신뢰성 있는 대형 기물의 제조 기술에 대한 연구가 필요하리라 생각된다.
참고문헌
1)LCD TV 시장동향 및 원가경쟁력 분석, 디스플레이뱅크
2)국가별 시장점유율, 디스플레이뱅크 2004. Mar
3)전자신문, 2005. 10. 18
4)파인세라믹스 클러스터-로드맵, 요업기술원
5)월간 모션컨트롤전망치, 2005년 10월
6)국내 LCD용 구조세라믹 제조 3대 메이커
  (주)원익쿼츠, (주)SNT, (주)COORSTEK 수출액 추정, 자체조사
7)KIST 나노재료연구센터, 요업기술원 세미나 자료

 그림 1. 디스플레이 Device별 경쟁구도

그림 2. FPD 시장동향 예상 2003, Q4
           출처 : 디스플레이서치
           (단위 : US 백만)

표 1. 국내 파인세라믹스 시장 현황 및 전망
                                                                              (단위 : 억원, %)
 구 분     2002     2005     2007     2010      2015
 수 요   28,465   44,400   56,895   82,530   153,410
            ( - )     (56%)   (28%)    (45%)   (86%)
 생 산   17,080   28,860   38,120   57,770   115,060
            ( - )     (69%)   (32%)    (52%)   (99%)

     주) : ( )은 연평균 성장률
    출처 : 산자부, ‘파인세라믹산업 중장기 발전계획’, 2002

그림 3. 국내 파인세라믹스 소재 사용동향

          (단위 :%)
           출처 : 요업기술원 조사(2002) 재구성

표 2. 국내 LCD용 구조세라믹 시장 동향
                                          (단위 : 백만원)

 년도                업체                   금액
 2002                삼성                   8000
                  LG PHILIPS             2,800
                기타(장비업체)             600
                       합계                  4,200
 2003                삼성                  2,530
                  LG PHILIPS             3,300
                기타(장비업체)           1,180
                       합계                  7,010
  2004               삼성                  3,180
                  LG PHILIPS             4,500
                 기타(장비업체)          1,850
                       합계                   9,530
  2005               삼성                   4,690
                  LG PHILIPS              6,054
                 기타(장비업체)           2,038
                       합계                  12,782

그림 4. 국내 LCD용 구조세라믹 시장동향

그림 5. LCD 공정 장비에 사용되는 세라믹스

그림 6. LCD용 구조세라믹 실제품 예
표 3. 성형법에 따른 비교7)
그림 7. Thermoset Molding

그림 8. Thermoset Molding과 반응소결법을 이용한 실 예

          출처: KIST 나노재료연구센터, 요업기술원 세미나 자료

그림 10. V-Process 개략도

그림 11. 대형알루미나 제품 예
            출처 : SEMICON JAPAN 2005 출품
                     Kyocera(일본), Narasaki(일본)

필자약력
·경상대학교 무기재료공학과 석사
·(주)원익쿼츠 세라믹사업부 생산기술