죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체 속 첨단 세라믹(2편)
세라믹 활용 통해 높은 전도율로 에너지 효율성을 높이기

PDF 다운로드

글/정동준 생산기술팀 팀장

세라믹은 다른 소재와 달리 그 특수성을 인정받아 다양한 산업에서 널리 활용되고 있다. 특히 반도체 산업에서의 세라믹은 그 어떤 소재보다도 다방면으로 뛰어난 특성을 가지고 있어 반도체를 구성하는 핵심소재로 자리잡았다. 필자는 이번 기고를 통해 세라믹만이 보유한 각각의 역학적 특성과 전기적 특성 그리고 열 특성을 자세히 살펴보면서 3회에 걸쳐 다뤄보도록 하겠다.

지난 회차에서는 세라믹의 역학적 특성과 주요 물질들을 살펴보면서 많은 산업에서 세라믹이 핵심소재로 기능하는 이유를 설명했다. 이번에는 세라믹이 가지고 있는 전기적 특성을 중심으로 세라믹의 높은 절연 내력과 유전율 등 주요 장점을 살펴보고, 세라믹의 전기적 특성이 주로 어떠한 분야에서 활용되고 있는지 알아보고자 한다.

세라믹의 전기적 특성

세라믹은 전기가 잘 흐르지 않는 물질로 부도체(절연체)로 아래 그림에서 보면 가전자대와 전도대 사이에 큰 에너지 갭이 있는 것을 볼 수 있는데 이 에너지 갭이 있어 소량의 에너지로는 가전대의 전자가 전도대를 넘어 갈수 없다 즉 전기가 통하기 어려운 것이다.

이와 같이 세라믹은 부도체로 플라스틱이나 금속 등의 다른 소재와 비교할 때 우수한 유전체 특성을 지니고 있다. 즉 전도성 보다 절연성이 뛰어난 물질이란 뜻으로 이해 하면 된다. 세라믹의 합성물은 매우 효과적인 전기 절연체이기 때문에 가장 일반적으로 사용된다.

대부분의 세라믹은 유전체 손실이 적기 때문에 극소량의 측정 가능한 에너지 소실만으로 대규모의 전자기 에너지를 유지할 수 있다. 이에 비해 고분자, 고무, 유리는 우수한 전기 절연체로 활용할 수 있지만 세라믹의 역학적 특성, 열 특성, 화학적 특성을 보이지 않는다. 따라서 고강도, 고열, 부식이 심한 전기적 환경에서는 세라믹이 보다 적합하다. 이러한 세라믹의 전기적 특성은 크게 네 가지로 살펴볼 수 있다.

첫째, 체적(전기적) 저항성(단위: Ωcm)은 특정 자기장에서 특정 소재가 전류 흐름에 얼마나 잘 저항하는지로 측정한다. 체적 저항성이 높은 소재가 전기 절연체(부도체)이며 체적 저항성이 없거나 낮은 소재는 전도체(도체)로 분류된다. 역측량은 전기 전도도이며 소재가 전류에 저항하지 않고 전도하는 능력을 측정한 값이다.

저항성은 소재의 온도에 따라 다르다. 일부 세라믹 소재(정전기 방전 소재인 ESD 소재)는 어느 정도 충전을 허용해 절연체의 단점인 정전기 발생으로 인한 주변 기기의 손상을 보호하도록 만들어졌지만 통상 적으로 세라믹은 고온에서도 체적 저항성이 높은 경향이 있다.

둘째, 절연 내력(단위:ac-kV/mm)이다. 특정 소재가 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 전압은 매우 높으며, 이를 계량화해 측정된 것이 절연 내력이다. 절연 내력은 유전체(절연체) 소재가 절연 특성을 상실하지 않고 견딜 수 있는 최대 전압으로서, 파괴 전압을 샘플 두께로 나눈 값으로 정의한다. 따라서 절연 내력은 샘플 두께에 크게 영향을 받기 때문에, 두께도 항상 절연 내력과 함께 표기돼야 한다. 세라믹은 절연 내력이 높은 경우가 많아 전기 애플리케이션 분야의 절연 내력 목록에서 우수한 절연 소재로 분류된다.

셋째, 유전율은 자유 공간의 유전율과 비교한 특정 소재의 유전율(또는 전하를 저장하는 능력)로서, 동일 크기의 진공 상태에서 저장한 전하량과 동일한 크기의 저장 공간에 전압을 가해 저장한 전하량을 비율로 표시한 것이다. 낮은 유전율을 제공하는 제조법은 많지만 세라믹 소재의 유전율은 매우 다양하다. 유전율이 낮으면 반도체 제조 및 무선 주파수(RF) 송신 응용분야에 사용하는 데 유리하다.

넷째, 유전체 손실(단위:tan δ)은 유전체(절연)를 통하여 전자파가 전달될 때 그 전자파 신호가 유전체 내부에서 얼마나 소실되느냐를 나타내는 지표로서 작을수록 좋은 값이다.

이 소실된 에너지 또는 비효율성은 열로 나타난다. 테크니컬 세라믹은 대체로 손실이 적기 때문에 발전용 및 공공 서비스 분야에서 이상적인 소재이다. 손실이 극히 낮거나 매우 엄격한 제어가 필요한 애플리케이션 분야를 지원하기 위해서는 특별 등급의 저손실 소재가 필요하다.

세라믹의 전기적 특성이 활용된 애플리케이션 사례

세라믹은 최적의 전기적 특성이 필요한 산업 분야에서 다음과 같이 활발하게 사용되고 있다.

• 자동차: 탄소 브러시, LED 조명, 자동차 전기, PT 센서, EV 배터리

• 항공우주 및 국방: GPS 안테나 부속품

• 에너지: 정전기 집진기, 진공 차단기, 절연체, 스위치, 풍력 발전용 터빈 베어링

• 의료: 전기 이식 장치/조정기, 달팽이관 이식, 생체 전자 공학 미세 임플란트, 치과 드릴

• 반도체: 플라스마 에칭 장비, 노즐 및 포커스링, 반도체 웨이퍼, 초소형 전자 부속품

철도차량용 열교환기                 웨이퍼연마CMP 플레이트           반도체취급 블레이드
높은 전기적 성능의 첨단 소재를 활용한 주요 부품

전기적 성능을 활용한 첨단 세라믹 소재             

높은 전기적 성능을 갖춘 첨단 세라믹 소재는 가공이 까다롭지만 그만큼 효과적으로 사용될 수 있다. 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3)는 낮은 유전체 손실 등 탁월한 유전체 행동을 비롯한 고성능 특성을 가지는 일반적인 테크니컬 세라믹이다. 알루미나의 제조는 극히 낮은 유전체 손실이나 다양한 애플리케이션별 요건을 위해 설계한 특별한 방법이 필요하다.

질화 알루미늄(AlN)은 높은 절연 내력과 열전도성이 독보적으로 결합돼 다양한 전기 애플리케이션 분야에서 사용된다. 특히, 철도 차량용 열교환기처럼 전자 기판이나 열 문제가 있는 그 외 전기 애플리케이션에서 열을 신속하게 내려준다는 장점을 갖추고 있다.

규산염은 전기 저항성과 불활성이 필요한 애플리케이션 분야에 사용되며, 화학 기구 등의 용도로 비용 효율적인 옵션이 될 수 있다. 그 중 스테아타이트(Steatite)는 절연 내력이 높고 유전체 손실이 적으며 제조업체의 비용 부담이 적다. 멀라이트(Mullite)는 탁월한 절연 내력과 열충격 특성을 가진다.

탄화 규소는 그 제조 공정을 맞춤화하면 특정 및 가변 체적 저항성을 통제할 수 있다. CVD-SiC 경우, 애플리케이션별 요구사항에 부합하도록 저항성이 고중저 등 여러가지로 제조 할 수 있으면 용도에 맞게 조절 할 수 있다

또한, 특수 세라믹은 특정 애플리케이션 분야의 독특한 요건에 맞도록 다양하게 가공된다. 이러한 특수 소재 중에는 유전체 성능이 탁월한 것도 있다. 예를 들어 티탄산염 제조법은 안테나의 유전체 공진기로 사용하기 위해 특수 설계된다. 정전기 예방 세라믹(ESD 세라믹)은 급속한 방전이나 아크를 예방하기 위해 누적된 전하를 천천히 소멸시킴으로써 민감한 초소형 전자 부속품을 정전기 생성으로부터 보호하도록 설계된다. 탄소와 흑연도 훌륭한 전기 절연체가 된다.

이처럼 세라믹의 전기적 특성과 활용 분야, 주요 소재를 살펴보았다. 세라믹은 금속이나 절연성을 가지는 고분자 재료와 다르게 절연성 소재부터 초전도성 소재까지 다양한 전자기적 특징을 가지고 있어 반도체 기업들 대부분이 세라믹으로 제조장비를 구성하고 있다. 고부가가치 소재인 세라믹의 활용 분야는 첨단 산업을 중심으로 더욱 확대될 전망이다.

다음편에서는 세라믹이 가지고 있는 열 특성을 중심으로 세라믹이 광범위한 온도에서 어떤 성능을 발휘하고 온도 변화에 어떻게 반응하는지에 대해 알아보며, 이러한 열 특성이 주로 어떠한 분야에서 활용되고 있는지 살펴보고자 한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>