미국과 일본의 전자 세라믹스 연구동향 (I)

1. 개요

최근 미국 요업학회는 캐패시터나 마이크로 웨이브 필터에 이용되는 유전체 세라믹스 (dielectric ceramics)와 트랜스듀서나 액츄에이터에 이용되는 피에조 세라믹스 (piezo ceramics), 그리고 반도체 메모리나 마이크로 액츄에이터에 사용되는 강유전 박막 (ferroelectric thin film)을 중심으로 미국과 일본의 연구동향을 조사하여 미국 학회지(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)에 발표하였다. 이 조사에서는 1990년부터 1996년까지 등록된 미국 특허, 설문조사, 논문들, 그리고 여러 심포지움에서 나타나는 경향을 토대로 전자 세라믹스의 연 구동향을 분석하였다. 그 결과 전자 세라믹스 분야는 아직도 연구개발할 것이 많은 유망한 분야 이며, 바이오메디칼과 통신분야가 앞으로 크게 성장할 가능성이 있는 것으로 나타났다. 다음은 이 발표의 내용을 요약한 것이다.

각 분야별로 보면 유전체 세라믹스 쪽에선 다층 세라믹 캐패시터를 만드는 연구가 앞으로 계 속 될 것이며, 부품을 보다 작게 만드는 연구도 활발할 것으로 보인다. 그러나 각 기능을 따로 따 로 나누어 쓰려고 하는 요구가 많아 지면서 캐패시터와 레지스터, 인덕터를 통합한 다기능 패키 지에 대한 연구는 주춤할 것으로 보인다.

피에조 세라믹스 센서와 액츄에이터에 대한 연구도 앞으로 활발할 것으로 보인다. 그러나 아 직도 액츄에이터를 만드는 비용이 대량생산에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 반면 바이오 메디칼 분야나 우주항공분야에서 피에조 세라믹스에 대한 수요가 많아지고 있으며, 이런 분야들은 피에 조 세라믹스의 값이 비싸다 해도 사용할 수 있는 것으로 나타났다.

앞으로 수년내에 강유전 박막을 이용한 대용량 반도체 메모리를 만들 수 있을 것이며, 현재 박막증착과 이것을 반도체와 통합하는데 문제가 되는 점들이 많이 해결된 상태다. 또 가까운 장 래에 강유전 박막을 이용해서 마이크로액츄에이터나 마이크로전자기계 시스템(MEMS)가 개발될 것으로 보인다.

한편, 앞으로 연구개발에 필요한 인력과 연구비같은 연구자원들이 점점 줄어들 것으로 보이 며, 이 때문에 전자 세라믹스 제품을 개발하는데 걸리는 시간도 줄여야 할 것이다. 따라서 시장에 서 원하는 것과 연구개발하려는 것이 보다 확실히 일치해야 할 것으로 보인다. 또 일본에서는 전 자 제품이 환경에 주는 영향에 대한 관심이 높아지면서, 이 분야의 연구개발 중요도가 높아지고 있다. 특히 납을 사용하는 솔더 (solder)나 릴랙서 (relaxor), 피에조 세라믹스들이 큰 우려의 대상 이 되고 있다. 그래서 앞으로 이런 물질을 대체할 수 있는 물질에 대한 연구개발이 활발하게 일 어날 것이다.

전체적으로 전자 세라믹스 시장은 미국과 일본이 양분하고 있으며, 적은 숫자지만 중요한 비 중을 차지하는 회사들이 유럽에 있고, 한국과 싱가풀, 그리고 중국에 성장하고 있는 회사들이 있 는 것으로 나타났다.

유전체 세라믹스

이번 조사에서 제외된 세라믹스 기판과 패키지 외에 전자 세라믹스 시장에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 다층 캐패시터와 마이크로 웨이브 필터이다. 미국에서 세라믹 캐패시터 시장은 1 년에 9 억 불이 넘고, 매년 10%씩 성장하고 있다. 그리고 일본은 미국 시장의 3-4 배에 이르는 시장을 갖고 있다. 또 미국의 마이크로 웨이브 유전체 필터 시장은 3 억에서 4 억불로 예상되고 있으며, 일본도 이와 비슷하다.

앞으로 다층 캐패시터에 대한 연구는 소형화, 고주파수대 운용, 광역온도대 사용, 신뢰성, 그 리고 저렴한 공정비용같은 분야에서 활발하게 이루어질 것이며, 이를 위해선 새로운 물질과 공정 의 개발에 대한 연구가 중요한 주제로 떠오를 것이다. 이와 관련된 한가지 예를 보면, 일본에서는 현재 값비싼 은이나 은-팔라듐 전극을 니켈로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

지난 10년간 이동전화, 삐삐, 마이크로 웨이브 통신기기 같은 것들이 유전체 필터 시장을 확 장시켰으며, 이 분야에서는 높은 투자도, 온도 무의존성, 그리고 낮은 유전손실과 같은 특성이 중 요한 문제가 되고 있다.

피에조 세라믹스

피에조 세라믹스는 일반 소비제품을 비롯해서 메디칼, 우주항공분야에서 많이 쓰이며, 이같이 여러 분야에서 쓰이기 때문에 시장 규모를 정확히 예측하기 어렵다. 대략 짐해보면 미국은 1994년에 약 1억 2천 8백 만불 것으로 예상되었으며, 일본은 5억 불을 넘을 것으로 보인다.

한편, 피에조 세라믹스는 이제까지 쓰이던 분야외에 앞으로 스마트 재료로 사용될 가능성이 크다. 현재 고급승용차의 충격 완화 시스템에 피에조 세라믹스가 스마트 부품으로 사용되고 있으 며, 미국에서는 군사용으로도 개발되고 있다.

강유전 박막

강유전체 박막은 10 mm 보다 얇은 두께를 갖는 무기물 강유전 박막을 말한다. 따라서 현재 활발하게 연구되고 있는 강유전 특성을 갖는 액정이나 그밖의 고분자 강유전 박막들은 이번 조사 에서 제외했다.

유전체나 피에조 세라믹스에 비해 강유전 박막에 대한 연구는 아직 시작단계에 있다. 즉 강 유전 박막에 대한 연구는 1960년대에 시작되었지만, 대량생산에 대한 연구는 1980 년대 들어서야 본격적으로 시작되었다. 이처럼 요즘들어 강유전박막에 대한 연구가 활기를 띄는 이유는 이것으 로 비휘발성 대용량 메모리 (NVM)나 대용량 DRAM을 만들 수 있기 때문이다. 또 마이크로 액 츄에이터, 열전 감지기, 광파 가이드같은 곳에도 쓰일 수 있다.

2. 특허를 통해본 미국과 일본의 연구동향

Fig. 1. Total number of U. S. electronic ceramics patents for piezoelectric ceramics, dielectric ceramics and ferroelectric thin films for January 1990 through August 1996. Steady increase in the total number of patents each year is caused by expanded patent activity for piezoelectric ceramics and ferroelectric thin films.

전자 세라믹스에 대한 연구동향을 알 수 있는 좋은 방법중 하나는 특허를 분석하는 것이기 때문에, 먼저 미국과 일본에 등록된 특허를 통해서 연구동향을 분석해 보았다. 그 결과 비교적 오 랜 역사를 갖고 있는 유전체 세라믹스와 피에조 세라믹스 분야에서는 기존에 만들어진 제품의 성 능을 개선하는 것과 새로운 응용분야를 찾는 것이 주된 연구 경향으로 나타났다. 반면 강유전 박 막은 아주 최근에 들어서야 특허들이 등록된 것으로 나타났다. 조사기간중 등록된 특허 1834 개중에서 유전체 세라믹스는 21%, 피에조 세라믹스는 65%, 강 유전 박막은 14%를 차지하였다. 미국과 일본은 각각 783 개와 787 개의 특허를 등록해서 비슷한수치를 보였고, 나머지는 유럽과 한국에서 등록하였다. 그리고 1994년에유전체 세라믹스 분야에서 등록 건수가 줄어들면서 전체적으로 잠깐 등록건수가 줄어든 것을 제외하면, 시간이 지날수록 등록건수가 늘어났다

유전체 세라믹스 분야의 특허

약 391개의 특허가 유전체 세라믹스에 관한 것이었고, 이중 일본과 미국이 각각 50%와 37% 정도를 차지하였다. 일본의 경우 유전체 분야에서 미국특허를 등록한 회사는 거의 모두 대기업으 로 무라타 사(Murata)가 62 개의 특허를 등록해서 일본쪽에서 등록한 전체 특허의 32%를 차지하 며 선두를 달렸다. 그리고 NGK 스파그 플러그 사, 마쓰시다 전기, TDK, 교세라, 다이오, NEC등 이 그 뒤를 잇고 있다. 특허에서 무라타 사의 약진은 이 회사가 세라믹스 캐패시터와 마이크로 웨이브 필터 시장을 장악한 것과 일치한다.

미국쪽에선 여러 회사가 난립하는 양상을 보여주고 있는데, 통신분야의 선두주자인 모토롤러 가 17 개의 특허를 등록해서 전체 미국회사들이 낸 특허의 12% 를 차지하였다. 그리고 AVX, 미 국 필립스, TAM, 페로 앤 스프라그 (Ferro abd Sprague)사 등이 다수의 특허를 냈다. 그러나 미 국의 경우 60%가 넘는 특허들이 현재 마이크로 웨이브 필터나 세라믹 캐패시터를 만들지 않는 기관에서 등록한 것으로, 미국 육군(US Army), 미국 해군연구소, 방위산업 계약자들, 대학, 그리 고 작은 기업들이 많은 등록을 하였다.

특허를 분석한 결과 미국과 일본은 각기 다른 조성을 주로 연구하는 것으로 나타났다. 예를 들어 미국은 기존에 BaTiO3를 기본으로 하는 X7R/Z5U 다층 세라믹스의 조성을 대체할 수 있는 새로운 조성을 연구하는데 매우 열심이었다. 반면 일본은 마이크로 웨이브 주성과 PbO를 기존으 로 하는 릴락소(relaxor)유전체 분야에서 매우 공격적인 연구를 해서 각각의 분야에서 특허 수가 미국에 비해 59 대 6, 14 대 2 정도의 큰 차를 유지하고 있다. 중요한 점은 일본이 희토류 원소를 넣은 BaTiO3 (X7R) 조성을 개발하면서 환원분위기에서 니켈 전극과 같이 동시소성하는 방법