세라믹 유전체 초저온 동시 소결 및 관련 소재 부품 기술
<목차>
0. 요약
1. 초저온 적층 동시 기술의 개념 소결기술의 개요
2. 국내외 시장 동향
3. 국내외 기술 동향
4. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- 최근 동향
- 첨단 전자 부품용 세라믹 소재의 한계 극복을 통한 新 시장 구축
- Ultra–Low Temperature Co–firing Ceramic(U–LTCC)은 650℃ 이하의 저온에서 다층으로 적층된 금속 전극과 세라믹을 동시에 소결하는 초저온 동시 소결 기술을 활용한 다층세라믹 회로기판임. - 반도체 첨단 패키징 및 고주파 부품용 기판산업의 폭발적인 성장에 발맞추어 고분자기판의 문제를 해결한 다층세라믹기판의 수요가 증가 중이나 세라믹 소재의 높은 공정 온도 한계에 봉착 - 650℃ 이하 초저온 동시 소결 기반의 U–LTCC 신기술 개발로 세라믹 소재의 한계를 극복함으로써 기존 공급망과 차별화된 新 시장이 개척 中
- 시사점 및 정책 제안
- 세라믹 소재 및 부품기술의 적기 확보로 핵심 산업 공급망 안정화
- 초저온 동시 소결 공정기술의 개발로, 기존 세라믹 소재의 한계를 극복함으로써, 다층세라믹기판의 新 시장 개척 전기 마련 - 선진국이 장악한 기존 다층세라믹기판 공급망을 탈피하고, 국내 관련 산업 경쟁력 확보를 위해 초저온 동시 소결의 핵심 원천기술 적기 확보가 시급 - 값싼 고분자기판의 활용과 선진국의 다층세라믹기판 시장 독점으로 인해 국내 산업 생태계가 아직 미성숙함을 고려할 때 소재–공정–부품으로 이루어진 국가 주도의 전방위적 산업 육성 정책이 필요
1. 초저온 적층 동시 기술의 개념 소결기술의 개요
1) 기술의 개념
- 초저온 적층 동시 소결 기술
초저온 동시 소결이란 일반적인 세라믹의 소결 온도인 800~1,200℃보다 현저히 낮은 650℃ 이하의 온도에서 다층으로 적층된 금속 전극과 세라믹을 동시에 소결하는 기술로서 기존의 적층 세라믹 동시 소결 공정의 한계를 극복할 수 있는 미래 첨단제조 기술을 의미한다.
- 초저온 적층 동시 소결기술이 적용된 다층세라믹기판(U–LTCC)
U–LTCC(Ultra–Low Temperature Co-firing Ceramic)는 650℃ 이하의 초저온에서 금속 전극과 세라믹의 적층 동시 소결로 제조되는 다층세라믹 회로기판이다. 이는 세라믹 유전체와 금속 배선이 수십 층 이상 적층된 구조로 다양한 수동/능동 소자의 실장 및 embedding이 가능하게 하며, 그 자체로 안테나, 필터 등 통신부품의 역할을 할 수 있어 다양한 산업 분야에 활용할 수 있다.
650°C 이하 초저온 소결을 통해 세라믹과 금속 동시 소결로부터 발생하 는 다양한 결함을 최소화함으로써 고집적/초저손실 기판을 위한 초미세회로 패턴(< 30㎛) 구현이 가능하다. 또 동시 소결되는 전극 물질의 선택이 자유로워 기존 HTCC(High Temperature Co–firing Ceramic) 및 LTCC(Low Temperature Co–firing Ceramic)로 대표되는 다층세라믹기판의 고질적 문제인 가격 경쟁력을 일거에 확보할 수 있다.
2) 기술의 범위
- 초저온 동시 소결 및 U–LTCC 기판 제조 기술
초저온 동시 소결 및 U–LTCC 기판 제조의 핵심기술 요소는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 650℃ 이하에서 치밀화가 가능한 새로운 세라믹 조성 설계 및 합성 기술이다. 이를 위해서는 세라믹의 치밀화를 위한 저융점 액상 조성 설계와 이러한 액상 함유 세라믹의 기계적 강도 및 전기적 특성의 저하를 최소화하는 것이 핵심이다. 세라믹의 전기적 특성은 유전율과 유전손실로 대표되며, U–LTCC 기판에 적용되는 세라믹은 낮은 유전율과 유전손실이 필요하다.
두 번째는 금속 전극이 포함된 세라믹 적층체의 동시 소결 기술이다. 일반적으로 초저온 동시 소결 기술을 활용하 는 경우 가격 경쟁력 확보를 위하여 기존의 Ag 등의 귀금속 대신 Cu와 Al 같은 저가ㆍ저융점 금속의 선택이 자연스럽다. 이 경우에 금속 산화를 방지하기 위한 환원 동시 소결 공정이 적용되어야 하며, 이때 발생하는 금속–세라믹 간 수축 거동 불일치와 세라믹 내 산소 공공(oxygen vacancy) 형성 등과 같은 다양한 결함을 최소화하는 것이 핵심이다.
3) 기술의 등장 배경
- 첨단 전자 소재용 기판산업의 성장과 세라믹 소재
반도체 첨단 패키징 및 고주파 부품용 기판산업의 폭발적인 성장에 발맞추어 기존 고분자기판 외에 유리나 세라믹을 사용한 다양한 형태의 기판 상용화 연구가 진행 중이다. 최근에는 대면적 유리기판 제조기술의 발달로 유리기판의 수요가 증가하고 있으나, 유리기판의 미세 크랙 제어, 기계적 강도 및 집적도 향상은 풀어야 할 숙제로 남아 있다. 세라믹 소재는 기존의 HTCC와 LTCC 기반 다층세라믹기판의 형태로 다양한 분야에 이미 적용되었고, 타 기판 대비 회로 집적도 및 방열 특성이 월등히 우수하여 차세대 패키징과 고주파 부품에 적합하다. 하지만 고분자 및 유리기판 대비 월등히 높은 제조 단가와 고온 제조에 따른 다양한 결함제어 등은 해결해야 할 숙제로 남아 있다.
- 초고주파 시대의 도래와 완전자율주행의 구현
전자회로 구동 및 통신 주파수가 기존의 4G/5G 대역에서 post 5G/6G 대역으로 점차 상향됨에 따라 이에 대응이 가능한 전자부품 개발 요구도 커지고 있다.
주파수 변화의 가 장 대표적인 예로 기존 24GHz 대역 자 율주행 레이더 모듈의 77GHz 대역 주파수 상용화를 들 수 있다. 레이더는 전자기파의 도플러 효과를 이용하여 물체를 탐지하는 기술로서 완전자율주행 구현을 위한 세 가지 핵심 센서(카메라, 라이다, 레이더) 중에서 악천후 속에서도 초고속 센싱이 가능한 장점이 있다. 반면에 낮은 주파수 대역(< 24GHz)에서는 타 센서 대비 분해능이 저하되는 단점이 있다.
이러한 자율주행용 장거리 탐지 레이더 센서는 고성능 안테나를 포함하는 고집적 회로기판 모듈로 구성되며, 고해상도(4D 이미징) 정보의 초고속 광대역 전송을 위해 77GHz 이상의 초고주파수가 요구된다. 따라서 해당 주파수에서 구동이 가능한 고집적 기판 부품의 개발이 가장 먼저 요구되고 있다.
실제로 최근에는 고분자기판을 활용한 77GHz 대역 자 율주행 레이더 모듈이 일부 상용화되었으며, 모듈의 구동 안정성 확보와 소형화를 위한 연구 개발에 박차를 가하고 있다.
실제로 최근에는 고분자기판을 활용한 77GHz 대역 자 율주행 레이더 모듈이 일부 상용화되었으며, 모듈의 구동 안정성 확보와 소형화를 위한 연구 개발에 박차를 가하고 있다.
- 초고주파 및 고신뢰성 환경에서 고분자기판의 한계
도금 공정 기반의 고분자기판은 대면적 제조가 쉽고 via 형성 및 회로 구현이 매우 간단하여 낮은 제조 단가를 바탕으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 첨단 패키지용 기판이나 초고주파용 부품 기판 분야에서는 거의 90% 이상이 각각 BGA와 PCB기판ㆍ테플론기판의 형태로 제조되고 있다. 하지만 이러한 고분자기판은 미세선폭 및 via 구현이 어렵고, 고분자 소재의 낮은 열전도율에서 기인하는 기판의 방열 특성이 현저히 낮다. 게다가 기판 자체의 휨에서 자유롭지 못해 77GHz 이상의 초고주파 대역에 사 용하기 부적합하고 고집적화를 통한 모듈의 소형화가 어려운 문제가 있어 기판이 적용되는 산업 환경 변화에 대응하는 데 한계가 있다.
- 세라믹 소재의 공정 온도 한계 극복
다층세라믹기판은 기존의 고분자 및 유리기판과 비교하여 우수한 기계적 강도를 가지는 데다 방열 특성이 우수하고 고집적화가 가능하다는 장점이 있어서 첨단 패키징, 고주파 통신 및 고신뢰성 전장 모듈에 적합하다. 하지만 기본적으로 적층 동시 소결 공정에서 800~1,200℃의 높은 온도가 필요하기 때문에 초미세 패턴 구현의 어려움과 고융점ㆍ귀금속 전극 사용으로 인해 타 기판보다 가격 경쟁력이 매우 낮아 수년간의 연구 개발에도 불구하고 고분자기판을 쉽게 대체하지 못하고 있다.
따라서 세라믹 소재의 소결 온도를 650℃ 이하로 낮추어 한계 극복이 가능하다면 이러한 다층세라믹기판의 문제점을 일거에 해소할 수 있다. 이를 통해 기존 고분자기판을 대체하거나 고분자기판이 적용되지 못하는 다양한 분야에 대해 신시장 개척이 가능할 것으로 예상되어 다양한 연구가 진행되고 있다.
2. 국내외 시장 동향
- 다층세라믹기판(LTCC 및 HTCC) 시장 현황
다층세라믹기판이 포함되는 첨단 세라믹 공급망은 반도체 시장에 직접적인 영향을 받는다. 최근 빅데이터, AI, 머신러닝 등에 최적화된 초고속/고용량 차세대 DRAM 수요의 본격화와 5G, 자율주행차, IoT 등의 보급 확대가 예상됨에 따라 2023년 79억 5,000만 달러에서 연평균 10.3%의 성장률로 2032년까지 193억 5,000만 달러에 이를 것으로 예상된다.
다층세라믹기판은 주로 알루미나 산화물 기반의 세라믹 소재로 제작되며, 반도체 및 모바일 통신向 고주파 회로기판이 시장의 대부분을 차지하고 있다. 특히 반도체 웨이퍼 검사용 프로브카드는 전량 세라믹기판으로 제조되며, 첨단반도체 시장의 급격한 성장과 더불어 그 수요가 점차 증가하고 있다.
최근에는 기존의 반도체와 통신 분야 외에 자율주행 등을 포함한 자동차 부품시장에서도 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 따라서 향후 자율주행기술의 보편화로 전 세계 차량용 네트워킹 시장이 2023년 3.9조 원에서 2033년 26조 원으로 연평균 39%의 고성장이 예상됨을 고려할 때 그에 따른 새로운 다층세라믹기판 수요가 예상된다. 하지만 이러한 시장 전망의 실현을 위해서는 세라믹의 높은 소결(공정) 온도에서 비롯되는 가격 경쟁력 저하와 다양한 결함 발생을 해결해야 한다는 중요한 전제 조건이 있다.
- 다층세라믹기판 공급망 현황
다층세라믹기판 공급망은 크게 세라믹 원료(분말) 분야, 적층 세라믹 동시 소결 기술을 이용한 다층세라믹기판 제조 분야, 그리고 완성 모듈 제조 분야로 나눌 수 있다. 이 중에서 세라믹 원료와 다층세라믹 제조 기술은 일본과 대만이 전 세계 공급망을 장악하고 있다. 특히 일본의 Murata, Kyocera(AVX), TDK corporation 등 글로벌기업이 HTCC와 LTCC 시장의 2/3 이상을 점유하고 있어 국내 업체의 새로운 시장 진입이 요원한 실정이다.
국내 업체들은 기존에 축적된 적층 세라믹 동시 소결 공정기술을 바탕으로 다층세라믹기판 제조에 대해 일부 글로벌 공급망에 이바지하고 있으나, 세라믹 소재에 대한 원천기술의 부재로 소재 전량을 수입에 의존하면서 글로벌 가격 경쟁력 확보에 어려움을 겪고 있다. 결론적으로 적층 세라믹 공정 기반의 다층세라믹기판 공급망은 기술 선진국인 일본산 소재에 전적으로 의존하는 상황이다. 이러한 공급망 불안은 단순히 다층세라믹기판 제조 문제뿐 아니라 다층세라믹기판이 적용되는 다양한 국가 기간산업(반도체, 모바일, 통신 및 자동차)에 심각한 문제를 초래할 수 있다. 다행히 중국의 희토류 자원화처럼 기술적으로 극복이 어려운 상황이 아니라 U–LTCC와 같은 新소재 및 공정 원천기술의 확보로 충분히 안정적인 공급망 확보가 가능하다.
3. 국내외 기술 동향
초저온 동시 소결 기반의 U–LTCC 기술은 아직 초기 단계로서 상용화를 위한 다양한 연구 개발이 진행 중이다. 주로 U–LTCC에 적용할 수 있는 세라믹 조성에 관한 연구가 대부분이며, 아직 이를 이용한 적층 세라믹 동시 소결 공정 연구는 미진한 실정이다.
- 해외 기술 동향
(유전체 세라믹 조성) 650℃ 이하 소결이 가능한 세라믹 조성에 대해 몇몇 논문 단계에서 보고된 건이 있으나 77GHz 이상 초고주파 특성 확보와 양산 적용에 관한 사례는 없다. 현재 Fraunhofer IKTS에서 유일하게 관련 기초 기술을 보유 중이다.
(U–LTCC 제조 공정기술) 850℃ 이하 동시 소결 기반의 LTCC 제조는 선진사 를 중심으로 다양한 연구 사례가 존재하나, 650℃ 이하 동시 소결 기반의 U–LTCC 제조 사례는 전무하다. Fraunhofer의 IKTS에서 U–LTCC 기판을 일부 제조한 사례는 있으나 양산에 적용한 사례는 없다.
최근에는 세라믹의 초저온 소결을 위한 cold sintering에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 특히 가압 소결 공정을 이용한 200℃ 이하의 세라믹 소결에 관해 많은 연구가 수행되었으며, 펜실베이니아주립대의 C. A. Randall 교수 그룹이 해당 분야를 선도하고 있다.
- 국내 기술 동향
한국세라믹기술원에서 U–LTCC 기초 연구를 진행 중이며, 650℃ 이하에서 소결이 가능한 세라믹 복합체 기반의 기판 조성을 확보하였으나, 아직 적층 동시 소결 공정에 적용할 만한 수준의 상용화 특성은 확보하지 못했다.
4. 시사점
세라믹 적층 동시 소결 공정을 활용한 다층세라믹기판은 첨단 전자 부품산업의 성장으로 인해 점차 그 중요도가 커지고 있다. 특히 고성능 반도체나 고주파통신 부품 등에 사 용되던 기존 고분자기판의 특성이 한계에 봉착하면서 고집적ㆍ고방열 특성 구현이 가능한 세라믹기판으로 전환이 필요한 시점이다. 하지만 세라믹 자체의 높은 소결 온도로 인해 고분자기판 대비 낮은 가격 경쟁력과 다양한 결함 발생은 풀어야 할 숙제로 남아 있다. 기존의 다층세라믹기판 산업은 세라믹 소재를 중심으로 소재-공정-부품에 이르는 글로벌 공급망이 형성되어 있다. 하지만 기술 선도국인 일본을 중심으로 해당 공급망의 80% 이상이 장악되어 있는 실정이다. 국내 제조 기업 대부분은 세라믹 원소재를 일본에서 수입하여 사용하고 있으며, 고분자기판 대비 다층세라믹기판의 낮은 가격경쟁력으로 인해 프로브카드 생산업체처럼 일부의 반도체 공급망 연관 기업을 제외하고는 점차 시장에서 도태되고 있다. 이러한 상황이 지속될 경우 국내 다층세라믹기판 산업의 고사와 함께 다층세라믹기판이 필수로 요구되는 통신, 모바일 및 자동차와 같은 국가 기간산업 공급망에도 큰 문제가 발생할 수 있다. 이러한 공급망 불안을 해소하기 위해서는 기존 고분자기판 대비 고가인 다층세라믹기판의 가격 경쟁력을 확보하여 적용 시장을 확대하고, 세라믹 소재의 원천기술을 확보하여 기존 공급망과 차별화된 확대된 시장의 新 공급망을 확보하는 것이 중요하다. 초저온 적층 동시 소결 기반의 U–LTCC 기술 개발을 통해 세라믹의 높은 소결 온도 한계를 극복함으로써 이러한 문제가 일거에 해소될 수 있다. 해당 기술을 이용하면 650℃의 낮은 온도에서 세라믹기판 제조가 가능하므로 동시 소결하는 전극 물질의 선택이 자유롭고 가격 경쟁력 확보가 가능하며, 세라믹-전극 동시 소결로 발생하는 결함의 최소화도 가능하다. 다행히 이러한 U–LTCC 기술은 아직 기본 성능 검증 단계에 있어 국가 간 기술격차가 크지 않다. 따라서 초저온 동시 소결의 핵심기술인 세라믹 소재 합성과 적층 동시 소결의 원천기술에 대한 조기 확보를 통해 다층세라믹기판 新 공급망을 구축하고, 이를 위한 다양한 전략 수립과 기술 개발 투자가 적극적으로 이루어질 필요가 있다.
출처 및 참고자료
1. Jobin Varghese, et. al., “ULTCC Glass Composites Based on Rutile and Anatase with Cofiring at 400°C for High Frequency Applications”, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, vol. 7 issue 4, 2019.01.
2. Jing Guo, et. al., “Cold sintering process: A new era for ceramic packaging and microwave device development”, Journal of the American Ceramic Society, vol. 100 issue 2, pp. 669~677, 2017.02.
3. Moyan Zang, et. al., “Low-temperature sintering and microwave dielectric properties of CaMoO4 ceramics for LTCC and ULTCC applications”, Journal of the European Ceramic Society, vol. 44 issue 1, pp. 293~301, 2024.01.
4. Laifei Cheng, et. al., “Structure design, fabrication, properties of laminated ceramics: A review”, International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, vol. 1 issue 3, KeAi(Chinese Roots Global Impact), pp. 126~141, 2018.08.
5. Zahid Ghadialy, “7 Defining Features of Terahertz(THz) Wireless Communications Systems”, Free 6G Training, 2021.02.
6. Thomas Wong, “Autonomous Driving and Sensor Fusion SoCs”, GSAGlobal.
7. Bastien Béchadergue, “Visible Light Range-Finding and Communication Using the Automotive LED Lighting”, Université Paris Saclay, 2017, HAL(archives-ouvertes.fr)
8. 김효택 외, “초고주파 소자용 복합체 세라믹스 조성물과 그에 의한 세라믹기판 및 이의 제조방법”, 한국세라믹기술원, 국내 특허, 2023.07.04.
9. “밀리미터파 대역 저유전율, 저손실 값을 가지는 LTCC 소재 제조 및 전기적 특성 평가 방법”, 한국세라믹기술원, 국내 특허, 2022.12.01.
10. 김창훈ㆍ김학관, “고용량 MLCC 재료개발 동향”, 특집: 나노 세라믹재료, 「세라미스트」 19권 1호, pp. 62~67, 2016.03.
11. 한국기업데이터, 「기술분석보고서: 알엔투테크놀로지(148250) | IT H/W」, 한국IR협의회, 2019.01.10. 12. “PCB제작과정 PART6. 레이어 패턴형성 공정(라미네이팅, 필름인쇄, 노광공정)”, 샘플피씨비(samplepcb.co.kr).
13. Technologies, Murata, Murata Report, 2023.
14. appliedmaterials.com
15. koaglobal.com
작성자
이건훈 세라믹 PD | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 철강세라믹실 오철민 수석 | 한국전자기술연구원(KETI) 융복합전자소재연구센터 신용관 연구위원 | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 철강세라믹실
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