제 1 편 (S. L. Swartz, T. R. Shrout and T. Takenaka, "Electronic Ceramics R& D in the U. S., Japan Part I:Patent History," Am. Ceram. Soc. Bull., 76 [7] 59-65, 1997)에서는 특허를 통해서 미국과 일본의 전자 세라믹스 분야 연구동향을 살펴보았다. 제 1 편에 이어 2 편 (S. L. Swartz, T. R. Shrout and T. Takenaka, "Electronic Ceramics R& D in the U. S., Japan Part II: Japanese View," Am. Ceram. Soc. Bull., 76 [8] 51-55, 1997)에서는 일본 전자 세라믹스 분야 에서 활발하게 연구하는 400명 이상의 연구자를 대상으로 설문조사를 해서 연구동향을 예측, 발 표하였다. 질문의 내용은 다음과 같았다.
다음은 발표내용을 요약한 것이다.
지난 15년 동안 Pb(Mg,Nb)O3 같이 PbO 기본 릴락소 조성을 개발하는데 많은 노력을 기울였 다. 이 조성은 낮은 온도에서 소성할 수 있고, 높은 투자율을 갖는 유전체 세라믹스를 대량생산할 수 있게 해준다. 그러나 이번 조사결과 납이 들어가는 유전체 세라믹스에 대한 연구는 앞으로 줄 어들 것이며, 상업적으로도 쇠퇴기에 접어들 것이라는 의견이 지배적이었다. 이것은 납에 의한 환 경오염, 아주 얇은 층을 갖는 다층 캐패시터 제조기술의 개발, 높은 온도에서 사용할 수 있는 X7R 캐패시터가 자동차, 어플라이언스, 가전제품을 중심으로 수요가 늘어나기 때문이다.
다층캐패시터의 온도안정성과 유전반응이 중요한 특성으로 요구되자 미국과 일본은 두가지 방향에서 이 문제를 연구하고 있는 것으로 나타났다. 미국에서는 기존의 BaTiO3를 기본으로 하는 X7R 조성으로 투자도를 3000에서 5000으로 높여 크기를 줄이는 방법을 연구하고 있다. 반면 일 본의 무라타, TDK, 다이오 유덴 (Taiyo Yuden)같은 기업들은 환원분위기에서 소성할 수 있는 BaTiO3를 기본으로 하는 X7R 조성을 개발하는데 힘을 쏟고 있다. 환원분위기에서 소성이 가능하 면 니켈을 전극으로 사용할 수 있다. 이중 일본이 연구하는 것으로는 투자율을 3000 정도까지 밖 에 얻을 수 없지만, 5 ㎛ 보다 얇은 층을 만들면 전체 캐패시터 크기를 줄일 수 있다. 일본회사들 이 이 작업을 성공적으로 상업화시킨다면 캐패시터에서 일본의 우세는 계속될 수 있을 것이다.
미국과 일본이 거의 비슷한 방법으로 분말을 생산하고 있다. 즉, 양쪽 모두 화학법을 이용해 서 유전체 분말을 만들고 있다. 그중 미국에서는 옥살레이트 침전법이나 그밖의 화학합성법을 이 용해서 순수한 분말을 만드는 방법을 연구하고 있다. 이에 반해 일본은 수화열 합성에 많은 노력 을 기울이고 있는데, 이 방법은 350℃ 보다 낮은 온도에서 수용액으로부터 결정체를 만들 수 있 다. 일본은 수화열을 이용해서 만든 BaTiO3 분말을 가지고 니켈 전극을 쓸 수 있는 X7R 캐패시 터를 만들었는데, 일본에서는 사카이 화학 (Sakai Chemical)이 수화열로 만든 BaTiO3 분말을 공 급하고, 미국은 카봇 (Cabot) 사가 공급하고 있다. 그런데 카봇 사는 이와 관련된 특허를 1980년 대 초반에 등록시켰지만, 아직도 생산은 시험단계에 있다. 그러나 사카이 사는 한달에 50 톤 규모 로 생산하고 있다. 그래서 이제 미국회사들은 수화열 방법으로 만든 BaTiO3 분말을 사용하느냐, 아니면 이제까지 하던 방법을 계속 연구하느냐하는 기로에 서있다.
통신시장이 확대됨에 따라 마이크로 웨이브 유전필터에 대한 수요가 늘고 있다. 현재 생산되 는 필터는 온도에 안정하고 낮은 유전손실을 갖는 BaTi4O9 조성을 기본으로 하는 것이 대부분이 다. 마이크로 웨이브 필터는 유전체와 마찬가지로 작게 만드는 것이 점점 더 중요하며, 이것은 보 다 높은 투자율을 갖는 조성을 개발하거나, 또는 다층 구조를 갖는 디자인을 개발해야만이 가능 하다.
무라타 사는 최근 높은 투자율을 갖는 조성을 개발해서 작은 크기의 필터를 만들었다. 그러 나 이같은 성공에도 불구하고 다음 세대에 주축을 이루는 것은 다 구조를 갖는 필터일 것을 예 상된다. 이 다층 구조를 갖는 필터는 하나만으로 일반 필터의 몇 개를 상대할 수 있기 때문에 유 망하다. 하지만 상업화를 위해선 조성과 전극, 그리고 다층구조를 만드는 제조방법에 많은 연구가 필요한 실정이다.
한편 실버전극과 저온에서 동시소성할 수 있는 조성이나 환원분위기에서 구리 전극과 같이 소성할 수 있는 조성 개발도 필요하다. 다층 구조를 갖는 필터를 잘 만들기 위해선 내부에 전극 을 다음과 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 완벽하게 만들어여 한다.
특허나 설문조사로부터 유전 필터는 앞으로 다층구조건 단층구조건 간에 저온 동시 소성 세 라믹 패키지(low temperature cofired ceramic package)나 표면음파소자(surface acoustic wave device)와 경쟁해야 할 것으로 예상되었는데, 이것은 패키지가 내부에 필터성분을 포함하는 형태 로 발전하며, 음파소자는 마이크로 필터와 경쟁상대가 될 수 있는 소형화 기술개발이 발전할 것 이기 때문이다.
현재 피에조 세라믹스는 PZT 조성을 볼-밀, 하소해서 만드는데, 현재까지 생산되는 PZT 분 말은 필터부터 잉크젯 프린터에 이르는 많은 응용분야에서 요구하는 특성을 만족시켜 주는 수준 이다. 한편 다층 피에조 세라믹스 액츄에이터는 이미 자동차의 충격완화장치와 연료주입장치에 이용되면서 대량 생산 가능성을 보여주고 있다. 그러나 가격과 신뢰성, 특성같은 면에서 상업화하 는데 문제점이 있고, 이때문에 그동안 예측되었던 피에조 세라믹스 시장에 대한 장밋빛 예측은 아직 실현되지 않고 있다. 확실히 몇 십원정도에 캐패시터를 만들 수 있는 다층 제조기술이 다층 액츄에이터에는 아직 응용되지 못하고 있다.
비록 대량생산분야에서는 값을 맞출 수 없지만, 피에조 세라믹스는 앞으로 높은 값으로도 경 쟁력을 갖출 수 있는 전문화된 시장에서 그 효용성을 보여 줄 것이다. 대표적인 예로는 자기 기 억 장치의 헤드 포지셔너, 주사 터널링 현미경, 바코드 판독기, 레이저 프린터 분야를 들 수 있다. 또 바이오 메디칼 분야도 좋은 시장중 하나인데, 이 분야에선 피에조 세라믹스 단결정이 영상 이 미지를 만드는데 쓰일 것으로 예상된다.
피에조 세라믹스-고분자 복합체를 값싸게 만들기 위해 그동안 사출성형법이 개발되었다. 이 방법으로 만든 제품은 초음파 영상이나 진동완충장치에 응용하는 것을 목표로 하는데, 보다 높은 주파수에서 사용될 수 있기 위해선 보다 작은 피처(feature)로 만들 필요가 있다. 그러나 피처크 기가 50 ㎛ 보다 작아지면 만드는 도중에 기계적인 특성이 문제가 된다. 그래서 작은 입자 크기 로 구성된 미세구조를 갖는 제품을 만드는 새로운 방법이 개발되고 있다. 이렇게 되면 특성을 같 게 유지하면서 기계적인 특성은 좋게할 수 있다.
소형 피에조 세라믹스 트랜스포머를 평판 디스플레이나 컴퓨터와 관련된 제품에 응용하기 위 해 연구하고 있는데, 이를 위해선 높은 기계적인 Q와 높은 구동전압에 작동할 수 있는 제품을 말 들어야 하며, 이때문에 새로운 제조방법이 개발되고 있다.
화학합성법은 유전체 캐패시터를 만드는데 성공적으로 적용되었고, 또 많은 장점을 제공하였 다. 그리고 이제까지 피에조 세라믹스 분말을 만들기 위해 수열합성법을 비롯한 많은 방법들이 개발되고 있다. 그러나 아직까지 좋은 분말을 만들 수 있는 방법들은 파일럿 단계를 넘어서지 못 하고 있다. 따라서 좋은 PZT 분말을 만들 수 있는 새로운 방법이 대량생산수준까지 확대될 수 있고, 또 이 분말들이 제품을 대량생산하는데 이용될 수 있는지 여부는 아직 더 지켜보아야 한다.
일본에서는 납 성분이 들어가지 않는 피에조 세라믹스에 관심이 많은 것으로 나타났다. 그러 나 아직까지 이와 관련된 특허는 등록되지 않았다. 또 납 성분을 포함하지 않는 피에조 세라믹스 라는 것이 있는지도 확실치 않다. 따라서 현재까지는 기존의 물질을 중심으로 연구가 진행되고 있다. 미국과 일본의 대학에서 납성분이 들어있지 않은 피에조 세라믹스에 대해 연구하고 있는데, (Na1-xBix)TiO3 시스템이 관심을 끌고 있다. 그밖에 관심을 끌고있는 재료로는 페로브스카이트 구 조를 갖고 있는 (Na,K)NbO3, 비스무스 층 구조를 갖고 있는 Bi4Ti3O12와 SrBi2Nb2O9, 그리고 텅스 텐 브론즈 계통인 (Sr,Ba)-Nb2O6 등이 있지만, 이같은 재료들이 PZT에 버금가는 피에조