편집부(외신) 유전체, 압전체, 강자성체 세라믹, 광섬유와 다층 세라믹 처리공정의 발견으로 다양한 응용 제품이 미세 전자 공학에 사용되고 있다. 전자공학과 광학에 대한 이해가 부족하였던 백 년 전 전자공학과 광학을 이해하는 것이 매우 강조되었다. 현재 사용되고 있는 전자공학 세라믹 재료는 20세기 중반부터 사용되어 온 것이다. 강유전체, 강자성체, 압전 세라믹이 발견되고 개발되었다. 다중 세라믹 공정과 광섬유가 발명되었고 놀라운 응용 제품들이 개발되었다. 다양한 전자공학·광학 세라믹 뛰어난 절연 특성은 세라믹의 대표적인 물성 중에 하나이다. 비록 많은 세라믹 절연체가 전력 전달에 사용되고 있지만, 현재 세라믹이 사용되고 있는 대표적인 응용제품은 기판과 패키지 쪽이다. 절연체와 정 반대로 전도성 세라믹은 전자, 이온의 전도성을 가지고 있다. 이런 세라믹은 다양한 쿠프레이트 세라믹의 쿠프레이트 고온 초전도성뿐만 아니라 온도(서미스터) 또는 전압(바리스터)에 따라 저항을 변화시킬 수 있어 다양한 응용이 가능하다는 장점이 있다. 반면에이온 전도성이 좋은 세라믹은 고상 연료전지, 배터리에서 고상 전극으로 사용되거나 연비와 환경 조절이 가능한 자동 엔진 센서 등에 사용되는 센서 분야 등 전력 제품에 사용되고 있다. 높은 유전 상수를 가지고 있는 페로브스카이트 세라믹과 같은 유전성을 이용한 응용제품은 다층 세라믹 축전기로 사용되고 있다. 핸드폰 같은 마이크로웨이브 제품에서의 세라믹 재료는 필터와 공명자에서 중요한 부품으로 사용되고 있는데, 세라믹이 상대적으로 높은 유전 상수를 가지고 있고(20에서 150) 투과율에 있어서 낮은 온도 상수를 가지고 있어 온도에 민감하지 않게 만들 수 있기 때문이다. 압전 세라믹은 종종 강유전 세라믹과 결정구조가 비슷하지만 가해진 전압이나 기계적인 힘에 의한 전압이 발생하는 것이 다르다. 트랜듀서와 액츄에이터는 전자의 특성을 사용하는 경우이고, 센서는 후자의 특성을 사용하고 있다. 표면 어쿠스틱 파(SAW) 소자는 압전 물질의 변형을 이용하여 재료의 어쿠스틱 특정과 디자인에 따라 달라지는 특정 주파수의 어쿠스틱 파를 전달시킨다. 미세전자기계 시스템(MEMS)에서 작은 장치를 작동시키는데 압전 재료가 사용되고 있다. 마그네타이트와 같이 재료가 원래부터 가지고 있던 자성은 아주 오래전부터 알려져 있어 자성 세라믹을 사용한 여러 제품이 나와 있다. 전기 회로에서 스피넬 페라이트의 강자성 특성은 전기 저항이 높아 와류 전류로 인해 소모되는 손실을 줄여주기 때문에 전통적으로 사용되어 오던 금속 자성 물체보다 더 놓은 주파수에서 사용할 수 있다. 이러한 자성 재료는 또한 광학, 비디오 기록을 위한 자성 테이프와 같이 메모리 제품에도 사용되고 있다. 마이크로웨이브와 광학 회로에서 이트륨 철 가넷과 같은 자성 세라믹은 고립자와 회전자로 사용되고 있다. 세라믹 패키징 세라믹 패키징은 반도체 소자를 보호하고 외부 회로와의 연결을 하기 위해 처음 사용되었다. 패키지는 배선 기술의 형태로 나타났는데, 세라믹 재료는 다층 동시 소성 패키징뿐만 아니라 박막, 후박 회로의 기판으로 사용되고 있다. 이러한 동시 소성 패키징은 높은 알루미늄 화합물을 배선 금속과 함께 동시 소성하는 것으로 시작한다. 최근에는 저온 동시 소성 패키징(LTCC)이 여러 가지 이유로 사용되고 있는 추세이다. 초기 세라믹 패키지 제품은 이들 재료가 가지고 있는 밀봉 보호 기능을 사용했었다. 밀봉 기능이 없이도 집적회로가 신뢰성 있게 생산되고 있기 때문에 현재 패키징에서 밀봉성은 크게 중요한 부분으로 인식되고 있지는 않다. 현재 패키징은 반드시 새로운 문제점에 봉착하게 되어 있다. 집적회로에서 사용되고 있는 전압이 감소하고 있기 때문에 노이즈 문자와 복잡한 그라운드 판 디자인이 필요하게 될 것이다. 회로가 높은 속도를 필요로 하기 때문에 보다 낮은 유전상수를 가진 세라믹이 필요하게 되었으며 더 저항이 낮은 금속을 사용해야 한다. 패키징에서 나타나는 현재 추세는 다음과 같다. 쪾각 층이 조립 전에 테스트될 수 있어야 한다 쪾높은 탄성계수가 접합 신뢰성과 큰 모듈에서 선호됨 쪾다중 칩 모듈 중에서 결함이 많은 칩의 교체가 가능해야 한다 쪾새로 등장하고 있는 유기 캐리어 물질의 장기 신뢰성에 대해 데이터가 있어야 한다 반면에 유기 패키징 기술이 가지고 있는 장점은 쪾더 미세한 배선을 가능하게 하는 사진식각 공정이 사용될 수 있다 쪾이미 존재하고 있는 배선의 낮은 레벨과 열팽창 특성이 더 좋다 쪾저가로 큰 면적의 제품이 가능하다. 알루미나는 고온 동시 소성 패키징(HTCC)에 사용된 물질이다. 알루미나는 소성 후에 치밀해지고 강도가 높아지며 부드러운 고조를 만들 수 있다. 환원 분위기에서 소성되었다면 알루미나는 텅스텐과 몰리브데늄과 같은 금속과 동시 소성을 할 수 있고 반도체 칩의 열적 처리를 위한 상대적으로 높은 열 전도성을 나타내게 된다. 현재 대면적, 화합물 HTCC 패키징이 계속 사용되고 있다. 개별 시트의 트레이스와 비아 패턴은 상당히 복잡하다. LTCC 패키징 기술은 HTCC와 공정 단계가 매우 비슷하지만 낮은 온도에서 소결할 수 있는 재료를 사용한다는 점이 다르다. 낮은 유전상수를 가진 세라믹에 사용된 세라믹 재료는 근청석 기반 화합물인데 유리-세라믹이나 유리-접합 세라믹인 경우도 있다. 금속으로는 구리나 은이 주로 사용되고 있는데 그 이유는 저항이 낮기 때문이다. 패키징에서 낮은 유전상수와 낮은 전기전도성을 갖는 재료를 사용함으로써 기생 손실을 낮춰 더 빠른 신호 처리를 가능하게 하였다. LTCC의 또 다른 장점은 다음과 같은 특성 때문이다. 쪾다른 저항, 축전기, 인덕터와 같은 수동 소자와 함께 소결할 수 있다 쪾판센서만 수축이 일어나기 때문에 회로 외형 유지에 좋다 쪾마이크로웨이브 주파수에서 낮은 손실과 투과율이 낮은 온도 상수를 갖는 재료를 사용한다. 곧 사용될 제품 중에 하나는 낮은 열전도도를 갖는 세라믹 물질이다. LTCC 패키징의 예가 유리-세라믹 칩 케리어이다. 한정된 수축과 좋은 열 관리 특성을 제공하는 LTCC를 더 돋보이게 할 수 있는 경우는 금속 위에 LTCC를 사용할 경우(LTCC-M)이다. LTCC-M은 라미나 세라믹에 의해 개발되었는데 세라믹 층이 금속 베이스와 동시 소성되면, 높은 열 전도성 패스를 제공하고 단단한 기판이 소결동안 판 수축되는 현상을 제거해주는 효과가 있음이 밝혀졌다. 이러한 형태의 패키지는 발광 다이오드에서 특히 주목을 받고 있다. 전기를 빛으로 변화하는 효율이 매우 높으면서도 패키징의 베이스를 통해 에너지 손실이 많이 있기 때문이다. 금속 기반의 LTCC-M은 그 전도성과 이 열을 열 소멸원으로 보내주는 특성 때문에 이상적이라고 할 수 있다. 이 공정은 대부분의 열을 발산해버리는 기존의 백열전구와는 다르다. 다층 세라믹 축전기 다층 세라믹 축전기(MLC)는 전기 산업의 핵심소자 중에 하나이다. MLC는 여러 세라믹 유전 층과 그 사이에 금속 전극이 있는 형태로 구성되어 있다. 사용되는 세라믹 유전체는 전형적으로 유전상수가 20,000 정도로 높은 강유전체나 릴렉서 페로브스카이트이다. 동시 소결된 금속 전극은 전통적으로 팔라듐이나 팔라듐-은과 같은 귀금속이었지만, 현재 MLC에는 보통 니켈이나 니켈-합금 기반 금속 전극을 사용하고 있다. 세라믹 층은 10mm 두께로 테이프 캐스팅하거나 더 얇은 두께가 가능한 스크린 프린팅을 사용하게 제조된다. 지난 15년 동안 증가된 축전 용량은 약 한자리수가 증가한 정도이다. 이러한 증가는 더 얇은 층과 보다 높은 유전상수를 갖는 세라믹을 사용하여서 얻어낸 결과이다. 자성 세라믹 자성 세라믹의 높은 전기저항과 낮은 가격으로 자성 세라믹은 소비재 전자제품에서 인덕터를 만드는데 매우 중요한 부품으로 사용되어 왔다. 큰 시장에도 불구하고 이러한 소자는 저항이나 축전지와는 달리 쉽게 소형화 되지 못하였다. 다층 세라믹 공정법을 이용한 20μH, 4회전, 1:1 변압기가 시연되었다. 3개의 테이프 시스템이 사용되었는데, 마그네즈/아연 고 투과율 페라이트, 절연 니켈/아연 페라이트 테이프, 탄소 입자로 되어 있는 가연성 테이프가 그것이다. 가연성 테이프 부분은 절연성 테이프 부분으로 눌러 들어가 있고, 고 투과율 테이프 부분이 절연 테이프의 가연성 부분으로 눌러 들어가 있다. 백금 잉크가 용접과 외부 연결 역할을 하는 바아와 트레이스의 형태로 사용되었다. 이들 층은 층상으로 동시 소결되어 개연성 물질을 제거하고 마그네즈/아연 페라이트의 밀도와 결정립계 크기를 투과율이 10,000이 되도록 한다. 가연성 태이프에 의해 생긴 공간은 절연층과 고-투과율 물질 간에 절연 역할을 하여 연속 코어의 투과율을 낮추는 데서 기인하는 마그네토스트릭티느 상호작용을 방지한다. 약 100개의 변압기가 4×4인치 크기 속에 들어갈 수 있다. 이러한 작업은 다층 페라이트를 전력 모듈용 기판으로 사용할 수 있게 해준다. 다층 페라이트를 전력 모듈용 기판으로 사용하며 기판이 회로 배선의 역할과 인덕터가 필요로 하던 자성 재료가 된다. 이 소자는 현재 사용되고 있는 전력 모듈을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 광학 세라믹 섬유-브래그 격자 패키지는 섬유의 코어 부분에 굴절 인덱스(이하 인덱스)가 다른 물체를 주기적으로 배치해 구성한다. 격자는 특정 파장의 빛을 격자의 간격과 섬유 재료의 인덱스에 따라 회절을 시킨다. 이러한 격자는 여러 파장의 빛(DWDM)에서부터 단파장의 빛을 분리시킬 때 사용된다. DWDM은 하나의 섬유에서 매우 가깝게 위치시킨 파장을 한꺼번에 전송시켜 섬유의 정보 수송 능력을 증가시키기 위해 사용되고 있다. 굴절된 파장은 온도가 변함에 따라 바뀌는 격자 크기에 따라, 온도에 따른 굴절율 변화에 따라 변하게 된다. 섬유의 변화를 보상하는 열팽창 특성을 갖는 적절한 패키징을 하면 이러한 변화를 없앨 수 있다. 계산 결과에 의하면 약 -9ppm/K 정도 음의 열팽창 계수(CTE)를 갖는 재료가 그러한 보상 특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 지르코니움 텅스테이트(ZrW2O8)가 이러한 용도로 사용될 수 있는데 선형 등방 CTE가 전체 온도 범위에서 -10ppm/K 정도의 값을 갖기 때문이다. 지르코니아를 더 추가하면 열역학적 상평형에 의해 CTE가 -9ppm/K로 변화된다. 이러한 재료를 섬유-브래그 격자의 패키지에 사용하면 회절 파장의 온도 의존성을 제거할 수 있게 된다. 이러한 세라믹의 응용은 광학적 성질을 이용한 것이 아니라 유리-섬유 소자가 신뢰성 있게 작동할 수 있게 해주는 열 특성을 이용한 것이다. 왜냐하면 광학 채널은 파장이 4nm만큼 작은 간격으로 분리되어 있기 때문이다. 27℃가 변하면 한 채널에서 다른 조절 채널로 회절 신호가 이동하게 된다. 에탈온 에탈온은 레이저 주파수를 온도에 따라 안정적인 파장을 제공하는 레퍼런스 장치이다. 레이저는 광학 통신에 사용되는데, 앞에서 언급한 섬유 브래그 격자를 사용했을 때와 비슷한 시스템 문제를 가지고 있다. 에탈온은 가끔 파장 라커(locker)로 일컫는데, 온도에 따라 변하지 않는 광학 패스 길이를 갖는 재료를 필요로 한다. 즉, 온도에 따라 인덱스와 크기가 변하더라도 광학신호를 재료가 이동시키는 것이 온도에 따라 바뀌지 않아야 한다는 뜻이다. 현재는 광학 패스 길이가 온도에 따라 약간 변하지만 용융 실리카 유리가 에탈온으로 사용되어 왔다. 온도에 따라서 광학 패스 길이가 거의 변하지 않고, 더 뛰어난 특성을 갖는 에탈온이 LiCaAlF6를 사용하여 만들어졌다. 첨단 레이저 시스템에서 사용할 수 있는 더 뛰어난 재료가 Agere 시스템에 의해 개발되었다. 이 재료는 결국 양의 CTE값이 인덱스의 음의 값을 거의 보상시켜주는 새로운 재료이다. 이 화합물은 현재 TriQuint에서 연구를 하고 있으며 특허 출원중이지만 Schnaelite라고 알려진 단결정으로 성장시키는 단계까지 이르렀다. 졸-겔 광학 섬유 광학 섬유에 사용되는 초순수 실리카를 얻는 공정은 보통 사일레인을 실리카 소스로 사용하여 기상 증착하는 것이 일반적인 공정이다. 이러한 공정에서 얻을 수 있는 순도는 이론적인 값으로 계산된 것과 거의 비슷한 값을 갖는다. 이러한 결과에도 불구하고, 섬유 제조 원가를 낮추기 위해 꾸준한 노력이 계속되어 왔다. 벨 연구소 프로젝트는 섬유 프리폼을 제조하는데 사용되는 실리카를 상대적으로 저가인 증기(fume)실리카를 사용하였다. 비록 증기 실리카가 사일레인에서부터 만들어지지만, 재료를 만드는 제조 규모가 작아 실리카로 만드는 법에 비해 상대적으로 저가가 가능하다. 졸-겔 기술을 광학 섬유로 사용 할 때 문제는 실제 사용하기에 충분할 정도로 크랙 없이 건조시키는데 그 초점이 맞춰져 왔다. 50m2/g의 증기 실리카 표면이 분산되어 건조시 발생하는 수축을 최소화할 수 있는데 사용된다. 고전단응력 믹서와 테트라메틸 암모늄 하이트록사이드를 사용하여 높은 pH에서 안정화시키면 45~50wt%정도의 분산이 이루어진다. 졸은 하이드로리사블 에스테르가 첨가되어 pH를 줄이고 졸을 겔로 만들기 전에 원심분리기를 이용하여 큰 입자를 제거하게 된다. 졸은 정확한 몰드(튜브 캐스팅이 가능하도록 중앙이 뚫려있는)에 부어져 성형되어 겔이되고 조심스럽게 몰드를 제거한다. 성형된 겔은 천천히 돌리면서 불균일한 수축을 방지하면서 몇일동안 천천히 건조시킨다. 다공성 실리카가 건조된 후에 1400~1500℃에서 소결하기 전에 유기물과 작은 불순물 입자 제거를 위해 염화 할로겐 가스 분위기에서 가열 처리를 한다. 튜브는 순화 로에서 소결된다. 소결 처리 후 화학적인 순도는 기상 증착법에 의해 만들어진 실리카 유리와 비슷한 순도를 갖는다. 그러나 큰 불순 입자를 제거하고 작은 입자를 제거하기 위한 건조된 졸의 순화 과정을 위해 졸을 원심분리하면 섬유-파괴 주파수를 만족시키는 공정이 가능해진다. 지르코니아와 크로미아 같은 작은 내화 산화물 입자는 항상 유리에 용해되어 있는 것이 아니고, 크랙을 발생시키는 원인이 될 수 있다. 순화 처리가 사용되면, 생산된 섬유는 700MPa의 강도를 갖게 된다. 이 결과는 1,015개 입자 중에서 1mm가 넘는 입자가 하나 이하 있는 것을 의미한다. 미래 미래의 첨단 기술은 전체 기술을 변화시키는 새로운 기술 보다는 아마도 현재 기술을 기반으로 발전하게 될 것이다. 전자공학에 사용되는 세라믹은 그 다양한 특성 때문에 앞으로도 새롭고 중요한 제품에 사용될 것으로 보인다. 세라믹 패키징은 첨단, 고신뢰성 제품에 초점을 맞추게 될 것이고, LTCC는 저항, 축전기, 인덕터가 동시 소결된 구조로 집적될 것으로 보이기 때문에 앞으로 보다 널리 사용되게 될 것으로 보인다. 다층 축전기는 더 얇은 유전 막과 높은 유전상수를 갖는 세라믹을 사용하여 더 큰 용량을 갖게 될 것이다. 광학 세라믹은 발명되고 발전되어 저가의 장치와 결합하여 모든 레벨에서 광통신이 가능하게 될 것으로 기대된다. 일반적으로 말하자면, 세라믹과 관련된 금속이 납이 없는 재료를 향해 나아가고 있고 이것은 현재 납 없는 배선 메탈과 압전 소자가 사용되고 있음을 통해 이미 증명되고 있다. 귀금속은 현재 축전기 산업에서 이루어진 것과 같이 덜 비싼 대용 금속으로 대체될 것이다. 마지막으로 모든 세라믹 장치는 작아지고 가치를 더해나갈 것으로 보인다. (Ceramic Bulletin)