요업기술원 신뢰성평가분석센터
세라믹 부품·소재 신뢰성 전문기관으로 ‘자리매김’
2001년 신뢰성향상사업 참여 후 6년간 세라믹 신뢰성기반 구축에 주력
66개 장비 구축, 8개 품목의 신뢰성평가기준 제정, R 마크 부여

최근 부품이나 소재의 신뢰성에 대한 중요성이 강조되고 있는 가운데, 요업기술원(원장 오유근) 신뢰성평가분석센터가 국내 세라믹 부품·소재 신뢰성 전문기관으로 자리매김 해가고 있다.
이 센터의 관계자는 “요업기술원이 지난 2001년 신뢰성향상사업에 참여하면서 설립되어, 올해로 6년째 신뢰성 사업을 수행해 오고 있다.”며  “그 동안 총 66개 신뢰성 관련 장비를 구축하는 등 세라믹 관련 부품, 소재의 신뢰성 향상에 이바지한 것으로 평가받고 있다”고 밝혔다.

신뢰성, 대표적인 선진국형 기술
신뢰성이란 부품, 소재, 제품, 시스템 등이 주어진 조건(사용, 환경조건)하에서 고장 없이 일정기간(시간, 거리, 싸이클 등)동안 최초의 품질과 성능을 유지하는 특성이다. 즉 신뢰성이 좋은 제품은 고장 없이 오래 쓸 수 있고 소비자가 만족하는 제품이 되는 것이다.
따라서 신뢰성 기술은 제품 사용 중의 고장 발생이나 사용 수명 등에 대한 평가를 실시하여 수명 연장의 방법을 제공할 수 있는 대표적인 선진국형 기술이라는 것이 신뢰성평가센터 관계자의 설명이다.
이처럼 신뢰성이 중요함에도 불구하고 그 동안 우리나라에서는 신뢰성 평가기술이 미흡했고, 특히 부품 소재의 경우는 자동차 등 완제품에 비해 신뢰성의 중요성에 대해 관련업체의 인식이 부족한 것이 사실이었다.
따라서 국산 부품이나 소재가 국내외 수요자의 신뢰를 얻지 못하여 시장진입에 어려움을 겪었으며 신뢰성을 강조하는 해외로 수출하는 업체들은 더욱 큰 어려움을 겪었다고 한다.
이에 산업자원부 기술표준원에서는 국내 기업의 혁신적인 기술 향상과 해외 수출제품의 경쟁력 향상을 통한 종합적인 국가 브랜드 이미지 제고를 위해 신뢰성향상사업을 적극적으로 추진하게 되었고, 요업기술원 신뢰성평가분석센터는 세라믹 분야 전문 기관으로 지정되어 세라믹 부품 소재의 수명연장에 중요한 역할을 담당하게 되었다.
신뢰성평가분석센터에서는 그 동안 세라믹 관련 신뢰성기반 구축과 평가, 장비 및 신뢰성평가기준 인프라를 구축했다. 또한 신뢰성평가기준에 의한 시험을 통해 일정 수준의 신뢰성을 가진 부품, 소재에 대한 신뢰성인증마크(R-Mark)를 수여하고 있다. 

신뢰성과제수행 업체, 매출증대·해외진출 효과 발생
신뢰성평가분석센터의 주요 성과를 보면, 세라믹 부품, 소재의 고장 분석기술 확보와 적요, 고장에 대한 D/B확보, 세라믹 부품 소재의 신뢰성 인증 및 중소 벤처기업 제품의 신뢰성 향상지원, 세라믹 부품 소재의 수명 모델과 가속모델 수립, 가속수명시험법 개발 등을 들 수 있다.
또한 온도저항세라믹소자, 열전냉각소자, LTCC고주파용 페라이트심, 전자기기 부품용 실링글라스프릿, 탄소계 면상발열체, 가정용 석영관히터, 수도 밸브용 세라믹 디스크 등 8개 품목의 신뢰성평가기준을 제정하기도 했다.
신뢰성분석센터 관계자는 “제정된 기준을 토대로 인증 요청기업에 대하여 신뢰성 인증실험을 수행했는데, 인증서를 받은 후 이를 토대로 매출액 증대효과와 해외 진출을 준비하는 업체도 있다”고 밝혔다. 특히 ‘탄소섬유 면상발열체의 품질 및 신뢰성 향상’ 과제를 수행한 (주)매직유라의 경우 신뢰성향상으로 국내외 신규거래처를 6곳을 확보했으며 매출은 80% 가량 늘어난 것으로 나타났다.   
한편 요업기술원 신뢰성분석센터는 신뢰성 2기 사업기간인 2006년부터 2010년까지는 기존에 구축한 신뢰성평가기반을 활용하여 고장분석과 중소기업 신뢰성 지원에 역점을 둘 예정이라고 한다.
센터 관계자는 “최근 신뢰성은 고장물리의 중요성이 커지고 있는 경향을 보이고 있다”며 “이러한 트렌드에 맞춰 기존의 가속수명시험과 고장물리 기술을 동시에 발전시켜 기업의 신뢰성 향상을 위한 One-Stop Service체제를 갖출 것”이라는 계획을 밝혔다.
또한 선진국은 설계, 생산 기술과 더불어 신뢰성 기술을 확보하여 고부가가치 제품을 만들고 있어 고부가가치 산업으로의 전환이 시급한 우리나라에서도 앞으로 신뢰성 기술의 확보가 더욱 중요해질 것으로 전망하고 있다.
 정리 - 박미선 기자

<신뢰성평가분석센터 장비 구축 현황>

      주 요 장 비                               기 타 장 비
  - 열충격시험기                        - TEM
  - 염수분무 시험조                    - FE-SEM/EDS
  - 내습시험기                           - 자속-자계분석기
  - 진동시험기                           - Network analyzer, Oscilloscope
  - 내부결함검출기(X-ray)           - 내전압 측정기
  - 면상발열체 수명시험장비        - 표면저항 열화측정기
  - 석영관 히터 수명시험장비       - 열화상 측정기

사진1. R마크

사진2. 고장분석실

사진3. 환경실험실

<세라믹 신뢰성향상과제 사례>
열전 냉각소자의 고장 분석과 가속수명 시험에 의한 수명 인증

1. 서론
열전 소자는 peliter 효과에 의해 열전소자에 직류 전압을 가하면 소자의 한쪽 면은 발열을, 한쪽 면은 흡열을 하는 소자로서 전기 에너지와 열에너지를 서로 교환할 수 있는 일종의 열펌프로서의 역할을 한다. 
열전 현상은 전기에너지와 열에너지를 서로 변환할 수 있는 현상을 통틀어 일컫는 것으로 1821년 독일의 Seebeck에 의해 처음 발견되었다. 그후, 1948년이 되어서야 이의 응용연구가 급격히 발전하게 되어 1950년대에 실용화에 이르렀다. 이후 열전 소자는 군수용 및 우주 탐사용 등의 고신뢰성을 요구하는 분야에서 주로 사용되었으며 1980년대에 이르러서야 상업용 제품에 응용되기 시작하였다.
이 소자는 크기가 작고 전기에너지를 이용해 능동적인 온도 제어를 할 수 있는 장점이 있으나 에너지 효율이 적어  활발한 응용이 이루어지지 않았다. 그러나 꾸준한 연구에 의해 에너지 효율이 향상되어 최근 소형 가전제품에서는 기존의 대형 Compressor 방식을 대체하고 있으며 전자 제품, 특히 정확성이 요구되는 광통신 분야에서 능동 온도 보정을 위한 대안으로 주목 받고있다.
열전소자는 n-형과 p-형의 열전 반도체로 구성 되어지며 주로 Bi2Te3의 재료를 이용해 만들어진다.(그림 1 참조) 본 논문에서는 상온용 열전냉각소자인 Bi2Te3 계열의 연구만을 진행하였다. 복수개의 p-n 열전 반도체를 열적으로는 병렬로, 전기적으로는 직렬로 연결하고 상하부에 세라믹 기판을 접합시켜 실제 사용 가능하도록 제작된 unit를 열전모듈(ThermoelectricModule)이라고 한다.(그림 2, 3 참조)

2. 열전모듈의 고장 메커니즘
열전모듈은 모듈자체가 발열 및 흡열이 동시에 이루지기 때문에 온도 구배가 발생하게 된다.(그림 4 참조) 이러한 온도 구배는 세라믹 기판의 팽창과 수축을 유발하여 내부의 열전 소자와 Soldering 부위에 Shear Stress를 발생시키게 된다.
또한 일반적으로 127쌍의 열전 p-n 반도체 쌍의 직렬 연결로 인해 하나의 소자가 고장날 경우 전체모듈의 고장이 되므로 신뢰성 면에서 취약한 설계 구조를 가지고 있다.

3. 열전소자의 고장 분석
열전모듈의 고장 메커니즘을 규명하기 위하여 고장품에 대한 비파괴 검사(Visual Inspection, X-ray)와 파괴 검사(SEM, EDS)를 수행하였다.(그림 5 참조)
우선 양품, 불량품의 고장을 검사하기 위하여 육안 및 OM(Optical Microscopy)
을 이용하여 검사를 하였다. 그리고 고장의 종류를 추정하기 위하여 전기적 특성 검사를 하였으며 그 후에 비파괴 시험과 파괴 시험을 하였다. 모든 검사를 완료한 후에 Data를 상호 참조해 가며 고장 메커니즘을 추적할 수 있었다.
X-ray 검사 결과 내부에 Void와 Crack, Positioning Error 등 공정상의 Defect가 다량 발견되었다.(그림 6 참조)
이러한 Soldering 부위의 Defect는 향후 장기 cycle의 bending이 일어날 경우 Crack Propagation의 시발점의 역할을 하므로 공정상 주의하여야 한다. 이는 그림 7에서 확인할 수 있었다.
그림 7에서는 열전 소자가 주기적인 Bending Stress에 의해 밀려 나와 있는 모습을 볼 수 있다.
이러한 밀림 현상이 열전 모듈의 가장 자리 부분에서만 발견되는 것은 Bending Stress에 의한 고장이라는 것을 확인시켜 준다. 가장자리에 위치한 열전 소자일수록 열팽창량의 차이는 커지므로 Shear Stress의 양도 커지기 때문이다.
열전 모듈은 n,p형 반도체로 장기 사용시 carrier가 양측의 전극 부위인 solder, flux, Cu 등에 확산되는 현상이 발생한다. 이를 확인하기 위하여 파괴 검사로는 SEM과 EDS를 이용하여 성분 분석을 하였다.(그림 8 참조) 분석 결과 Diffusion한 Carrier 농도가 오차 범위 이하로 나타나 Diffusion에 의한 성능 저하는 없는 것으로 판명되었다.

4. 고장 메커니즘과 고장 모델
고장 분석에 의해 규명된 열전 모듈의 주요 고장 메커니즘은 아래와 같다.
쪾온도 구배에 의해 Bending이 발생하고 이 Bending에 의해 내부 소재 중 가장 Brittle한 Solder 부위에 Shear Stress가 집중되게 된다.
쪾비파괴 검사 결과 Solder 부위에 다량의 Voide와 Defect가 검출되었으며 따라서 장기 Cycle 동작함에 따라 Solder 부위의 Defect 부위가 피로 파괴 및 Crack Propagation되어 Open이 된다. 더욱 장기 사용이 되면 Crack 부위와 열전 반도체 부위의 마찰에 의해 열전 반도체의 마모가 발생하게 된다.
쪾습기에 의한 Short나 반도체 carrier의 diffusion에 의한 성능 저하는 발견되지 않았다.
쪾이러한 고장 메커니즘은 Coffin-Manson 모델에 의해 적절하게 설명되어질 수 있다.
쪾Coffin-Manson식은 Inverse Power Model의 일종으로 온도 주기(Thermal cycling)에 의한 금속의 피로 고장(fatigue failure)에 많이 사용되고 있으며 식 (1)과 같이 표현될 수 있다.                   (1)
여기서 N은 동작 cycle 수, α는 일반 상수이며 β는 재료 상수이다. 이 모델식에 의해 가속 모델을 구하면 식 (2)와 같다.
                (2)
 여기서 AF는 가속계수(Acceleration factor)이며 ΔT1, ΔT2는 각각 온도 조건에서의 스트레스 조건이다.

5. 가속 수명 시험
1)Two stage QFD
열전모듈의 수명 시험을 위하여는 QFD 설계가 필요하다.
QFD 설계 결과 열전모듈의 고장에 가장 영향을 미치는 항목은 수명 시험인 것으로 판단되었다.
2)가속수명시험 방법
가속수명시험은 3가지로 구분할 수 있다. Cycle 수를 증가시키는 방법과 외부 Stress를 가속시키는 방법, 자체 성능 수준을 약하게 잡으므로서 빨리 고장을 판정하는 방법 등이다. 열전 모듈의 경우 Cycle수를 증가시키는 방법을 사용하였으며 외부 Stress인 사용 온도 범위(ΔT)를 가속시켜 수명식을 구하였다.
자체 발열 및 흡열에 의한 온도 cycle시험 조건만으로 한정하였다. 가속 시험 방법은 그림 9와 같다.
열전 모듈은 순방향 및 역방향 전압에 의하여 흡열, 발열 위치가 바뀌므로 순방향 전압과 역방향 전압을 바꾸어 가며 온도 사이클 시험을 수행하였다. 온도 가속 조건은 표 3과 같다.
3)가속 수명시험 결과
가속 시험 결과 열전 모듈은 형상모수 3.6인 Weibull 분포를 따르는 것으로 밝혀졌다.(그림 10 참조)
주기적인 Stress에는 수명 모델로서 Coffin-Manson Model을 적용하였다.
가속수명시험 결과를 Coffin-Manson Model에 적용한 결과 α는 5,329, β는 1.78914로 계산되었다. 일반적으로 Solder의 경우 Coffin-Manson Model에서 재료 상수가 2에서 3인 것을 감안한다면 수명 시험의 결과는 적절하다고 판단된다. 실험에 따른 수명식은 식 (3)과 같다.
                            (3)
식 (4)에 의하면 가속식을  구할 수 있다. 

 (4)

6. 신뢰도 분석
그림 11은 식(3)에 의하여 구하여진 온도 사이클 범위에 따른 예상 cycle(N)의 그래프이다. 정상적인 조건에서의 열전 모듈의 온도범위는 ΔT=50℃(40℃~90℃)이므로 4,245cycle 임을 예측할 수 있다.
그림 12는 ΔT에 따른 가속계수 그래프이다.
일반적으로 전자 부품의 수명 분포는 지수 분포인 것이 일반적이다. 더구나 3.6이란 숫자는 Weibull 분포의 형상 모수로도 큰 숫자로서 이는 마모 메커니즘이 상당히 우세하다는 의미이며 이는 고장품에 대한 고장 분석 결과에서 확인 되었다. 열전모듈은 전자 부품이므로 수명이 지수 분포가 되는 것이 정상이나 열전 모듈의 온도 구배에 따른 기계적 스트레스에 의해 형상 모수가 커지게 된다.

7. 결론
본 논문의 연구 결과 열전모듈의 고장 메커니즘을 규명할 수 있었다. 이에 기초로 한 가속 시험 방법을 수립하여 가속 수명시험을 하였으며 열전 모듈의 수명 분포와 형상 모수를 밝혀내어 가속 모델을 수립할 수 있었다. 본 결과들은 향후 새로운 열전 모듈을 개발할 때 신뢰성 향상을 위해 도움이 될 것으로 기대된다.
(자료 제공 : 요업기술원 신뢰성평가분석센터)

그림 1. 열전소자의 개략도
그림 2. 열전소자가 배열된 모습
그림 3. 열전모듈의 실제 모습
그림 4. 열전모듈의 Shear Stress
그림 5. 고장 분석 Flow chart
그림 6. X-ray 검사 결과
그림 7. Bending Stress에 의한
        열전 소자의 밀림 현상
그림 8. SEM&EDS에 의한 Diffusion 분석
그림 9. 가속수명시험방법
그림 10. 열전냉각모듈의 가속 수명 Data
그림 11. ΔT에 따른 평균 동작 cycle
그림 12. ΔT에 따른 평균 가속계수

<표는 생략되었습니다. 월간세라믹스 2006년 3월호 참조)</P>