姜顯圭 (주)아모텍 기술연구소 부장 LTCC(Low temperature co-fired ceramic) 즉 저온동시소성 세라믹이라고 하는 단어는 기존의 세라믹 package 재료로 주로 사용되어온 알루미나의 소성온도가 1300℃ 이상인데 비해, 이 재료는 소성온도가 850~900℃ 정도로 비교적 낮고, 금속 전극과 동시에 소결이 가능하기 때문에 붙여진 명칭이며, 현재는 900℃ 부근의 온도에서 전극과 동시에 소성가능한 재료로 구현할 수 있는 기술을 통칭하는 의미로 사용되고 있다. 따라서 기존의 알루미나를 주성분으로 하는 기술은 HTCC(Hot temperature co-fired ceramic) 고온동시소성 세라믹이라고 불리운다. 소결온도를 900℃ 이하로 낮추려고 노력한 이유는 현존하는 금속 전극중에서 전기전도도가 높고, 공정의 편이성으로 인해 가장 널리 사용되고 있는 Ag 전극을 사용하기 위해서인데, Ag의 녹는점이 960℃ 정도이기 때문에 이 온도 이하로 소결해야 될 필요성 때문이었다. 현재까지 개발되어온 LTCC 재료는 크게 두 가지 형태로 분류해 볼 수 있다. 첫 번째는 Dupont, Ferro, NEG 등 기존의 glass 및 금속 전극 제조업체들에서 개발하여 상용화한 유전율 10이하의 glass ceramic계의 저유전율 LTCC 재료로서, 낮은 유전율을 필요로 하는 복합모듈 등에 대부분 적용되어왔기 때문에, LTCC라 하면 유전율 10이하의 glass ceramic을 가리킬 정도로 현재까지 가장 일반화되었다. 저유전율 glass ceramic의 개념은 융점 및 유전율이 낮은 glass를 주조성으로 하고, filler로서 알루미나등을 일정량 첨가하여 수축률 및 유전율을 적정한 범위로 조정한 것이고, 현재 상용으로 판매되고 있는 제품들의 유전율은 약 5~10, 손실은 0.001~0.003, 수축률은 약 13%~16%의 값을 나타내고 있다. 표 1에 간략히 현황을 나타내었다. Glass ceramic 의 제조는 glass의 특성상 일정 규모의 장치 산업 성격을 가지고 있다고 생각된다. 즉 대량의 수요에 따른 대량 생산규모를 유지해야 Dupont, Ferro, NEG 등의 외국 선진업체에 비해 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 생각된다. 국내상황을 보면, 2000년까지 대부분의 저유전율 LTCC 재료를 앞서 언급한 외국업체들이 독점하다시피 하였고, 국내에서는 학교, 연구소, 업체들에서 소규모 개발 단계에 있어왔던 것이 사실이다. LTCC 시장이 과거 예상만큼 성장하지 않아 수요가 많지 않았던 것도 한가지 원인이 될 수 있고, 부품업체와 재료업체들간의 공동 개발 체제가 선진업체들만큼 원활하지 않았던 것도 한가지 원인이 될 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 2000년 이후로 Thinkcera, 미래소재, 태멘등 국내에도 저유전율 LTCC 재료를 생산하여 상용 판매하는 업체들이 등장했고, 계속 증가할 전망이다. 여러 문헌 및 기사에서 자주 언급되어 현재는 대다수가 동감하고 있는 부분이지만, 다시 한번 언급하면, 재료는 완제품과 달리 특성에 따른 결과를 단기간에 얻기가 어렵고, 적용 여부를 판단하기가 쉽지 않은 부분이다. 따라서 이 재료를 사용하는 부품업체들의 결단이 필요한 부분이라 생각된다. 국내 재료산업의 취약성을 인정한다면 더욱 국내 재료를 사용하고 특성 개선에 공동 노력을 기울여야 할 필요가 있다. 재료와 부품업체들과의 협력 개발 체제를 갖추려는 노력이 체계적, 장기적으로 이루어질 때 저유전율 LTCC 재료의 외국업체 종속 현상을 탈피할 수 있을 것으로 생각된다. 두 번째는 유전율 10이상의 고유전율을 가지며 소성온도는 900℃ 이하로 낮춘 LTCC 재료로서, 현재 부품에 적용하기에 적당한 유전율 범위는 약 20~60 정도인데, 앞서 언급한 저유전율 LTCC 재료와는 달리 선두 업체들에서도 판매가 되고 있는 상용 재료가 거의 없는 상황이며, 각 부품회사들에서는 다양한 조성의 재료를 개발하여 부품을 제조하고 있는 것으로 알려져 있다. 표 2에 간략한 상황을 나타내었다. 현재까지 각 업체 및 연구소, 학교에서 진행되어 온 개발방향은 대략 다음의 두가지 정도라고 볼 수 있다. 첫번째는 기존의 고유전율 고온소결 유전체 재료에 용융온도가 낮은 glass를 첨가하여 소결온도를 낮추는 방식이다. 예를 들어 가장 대표적인 유전체 재료인 BaTiO3를 주 조성으로 하고, 저융점 glass를 적당량 첨가하여 소결온도를 900℃ 이하로 낮추는 방식이다. 이 방식은 glass 첨가량에 따라 유전율 및 품질계수가 급격히 감소하는 단점이 있으나, 재료비면에서 장점이 있고, 특성이 비교적 안정적이라고 할 수 있다. 두번째는 고유전율 고온소결 조성에 소결조제를 적정량 첨가하여 소결온도를 낮추는 방식이다. 이 방식에 의한 조성은 특허 및 문헌에 다양하게 소개되어 있다. 주 조성과 소결조제의 첨가량에 따라 유전율, 소결온도를 다양하게 조절할 수 있으며, 품질계수가 비교적 높은 재료를 제조할 수 있다는 장점이 있는 반면 재료비가 높으며, 균일한 특성을 유지하기가 까다롭다는 단점이 있다. LTCC 재료중에서 이 고유전율 재료는 저유전율 재료에 비해 응용 부품이 제한적이고 시장 또한 크지 않았기 때문에 상대적으로 덜 주목받아왔고, 개발도 많이 뒤쳐져 있는 상황이라고 보여진다. 물론 외국의 선두 재료업체에서도 상용 재료를 거의 출시하지 않고 있는 상황임을 감안하면 아직 국내 업체에게도 추격의 여지가 있다고 볼 수도 있으나, 현재 일본의 각 부품업체들에서는 유전율 20이상의 고유전율 저온소결 재료를 사용하여 다양한 제품을 대량 생산하고 있기 때문에 개발을 서둘러야 할 것으로 생각된다. 재료와 응용 제품간의 명확한 상관관계에 대해 이해가 다소 부족했던 LTCC 등장 초기에 비해 현재는 어느 정도 재료에 따른 응용 제품의 구분이 확실해진 것으로 보이며, LTCC를 사용해서 제품을 생산하는 업체가 많이 증가했고, 재료 개발에 기울이는 노력도 많이 증가하고 있다고 생각된다. 그만큼 기술적으로 많은 발전이 있어왔다고 볼 수 있다. LTCC가 주로 사용되는 이동통신 부품 시장의 기술적 동향은 그야말로 급격히 변화하고 있으며, 이에 따라 다양한 부품들이 등장하고 사라지는 현상이 반복되고 있다. 그러나 LTCC 재료의 경우, 이동통신 부품의 변화에 큰 관계없이 소요량이 지속적으로 증가하고 있으며, 점차 자동차 부품으로의 적용 확대가 예상되고 있어, 향후 시장이 급성장할 것으로 보인다. 따라서 부품의 기초를 이루는 재료 분야만큼은 눈앞의 시장 및 급격한 시장의 변화에 단기간 대처보다는 보다 근본적이고 장기적인 개발 노력이 진행되어야 할 것으로 생각되고, 재료 및 부품업계간의 협조 체제가 더욱 중요할 것으로 생각된다. 표 1. LTCC 재료 업체 및 재료 특성 국 내 국 외 업 체 ThinkCera, 미래소재, 태멘 Dupont, Ferro, Heraeus, NEG 주 조성 Alumino-Borosilicate Alumino-Borosilicate CaO-Al2O3-B2O3-SiO2 Filler Alumina Alumina 유전율 4.5~7.8 5~10 손 실 0.001~0.005 0.001~0.005 비 고 국내 업체 적용 진행 단계 국내 대부분의 업체에서 사용중 표 2. 고유전율 LTCC 재료 특성 유전율 주조성 소결온도 비고 NEG 18 상용 재료 900 ℃ 일본 업체 RN2 Technology 36 상용 재료 875 ℃ 국내 업체 BaO-Nd2O3-TiO2 기타 20~60 BaO-Nb2O5-TiO2 850~900℃ 업체 자체 개발, 제조 ZnO-Nb2O5-TiO2 BaO-TiO2, glass