플라즈마 기술 활용 반도체 소재 국산화 성공
플라즈마 기술 활용 반도체 소재 국산화 성공
  • 강지희
  • 승인 2019.09.01 16:30
  • 조회수 2252
  • 댓글 1
이 기사를 공유합니다

언젠가 우리나라만의 멋진 반도체가 만들어지기를. 출처: pixabay
언젠가 우리나라만의 멋진 반도체가 만들어지기를. 출처: pixabay

일본의 수출 규제 이후 반도체 소재 및 관련 기술의 국산화 필요성이 높아지고 있습니다. 이런 가운데 국내 중소기업이 국가핵융합연구소의 기술 지원을 통해 일본 전량 수입에 의존하던 반도체 공정 코팅 소재의 국산화에 성공했습니다.

 

국가핵융합연구소는 지난 2017년 국내 중소기업인 용사코팅 전문업체 ㈜세원하드페이싱에 용사코팅용 재료 분말의 유동성을 향상할 수 있는 플라즈마 기술을 이전하고 관련 제품 개발을 위한 협력을 추진해왔는데요. 그 결과 국가핵융합연구소와 ㈜세원하드페이싱은 미세 분말 상태에서도 응집하지 않는 용사코팅 소재인 이트륨옥사이드(Y₂O₃)를 국내 최초로 개발했습니다.

 

이트륨과 이트륨옥사이드

 

10대 국가 전략 희소금속인 희토류 중 이트륨은 LCD의 CCFL이나 형광등, PDP에서 Y2O3:Eu3+, LED에서 Yttrium Aluminium Garnet(YAG) 형태의 형광체 소재로 사용돼 디스플레이 및 조명 산업에 있어서 매우 중요한 금속입니다. 또한 이트륨 산화물을 지르코니아에 첨가해 초고온상태에서 경도, 강도, 내부식성을 유지해 내마모성 부품, 지르코니아 볼 등의 제조에 사용되죠.

 

반도체 제품의 미세 패턴을 구현할 때는 플라즈마 내구성이 우수한 세라믹을 주로 사용합니다. 세라믹은 장시간 사용 시 플라즈마에 의해 식각돼 수율 저하 및 설비 수명 단축을 야기시킨다는 단점이 있습니다. 그래서 전문가들은 챔버 내부를 이트륨옥사이드(이트륨 산화물)로 제작합니다. 이트륨 산화물 베어링은 내식성, 내열성, 비자성, 경량, 절연성 등의 특성을 띱니다. LCD 제조 설비, 도금장치 등 특수 환경 분야에 주로 사용되고 있죠.

 

이트륨옥사이드(Y₂O₃)는 플라즈마 에처와 화학증착장비(CVD) 내부 코팅 등 반도체 공정 장비에도 적용되는 소재입니다. 이트륨옥사이드는 국내 반도체 제조사들이 전량 일본에서 수입해 사용하고 있습니다. 

 

플라즈마 기술을 이용하다

 

용사코팅은 분말 상태의 재료를 반도체, 자동차, 전자제품 등의 부품 표면에 분사해 입히는 기술입니다. 부품의 내열 및 내구성 등을 향상시키기 위해 다양한 산업 분야에서 활용되는 코팅 방식입니다. 그동안 산업계는 용사코팅의 높은 치밀도 및 균일성과 빠른 코팅 형성 속도 등을 위해 크기가 작고 유동성이 좋은 용사 분말을 필요로 해왔습니다. 하지만 분말의 크기가 작아질수록 분사 과정에서 뭉치거나 엉기는 등 유동성이 낮아져 균일한 코팅이 이루어지지 않는다는 한계가 있었죠. 

국가핵융합연구소가 개발한 용사코팅 플라즈마 처리 기술. 출처: 국가핵융합연구소

하지만 국가핵융합연구소의 플라즈마 기술을 적용한 용사 분말은 분말끼리 서로 밀어내는 반발력이 생겨 응집되지 않고 흐름이 좋아지기 때문에 치밀하고 균일한 코팅막을 형성할 수 있습니다. 특히 25mm 이하 크기의 용사분말 유동성을 크게 향상 시킬 수 있기 때문에 그동안 어려웠거나 불가능했던 미세 분말을 이용한 고품질의 용사코팅을 가능하게 할 수 있습니다. 

플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드(좌)와 일반 이트륨옥사이드(우). 플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드는 입자 간 엉김이나 뭉침없이 부드럽게 생겼다.
플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드(좌)와 일반 이트륨옥사이드(우). 플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드는 입자 간 엉김이나 뭉침없이 부드럽게 생겼다. 출처: 국가핵융합연구소
플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드(좌)와 일반 이트륨옥사이드(우). 플라즈마 기술이 적용된 이트륨옥사이드는 유동성이 높아 부드러운 경사면을 형성하고 있다. 출처: 국가핵융합연구소

그동안 25mm 이하 크기의 이트륨옥사이드(Y₂O₃)의 경우 유동도가 없어 코팅에 사용하지 못했습니다. 하지만 국가핵융합연구소의 플라즈마 기술을 적용해 개발한 20mm 수준의 제품은 유동도가 2(g/sec) 내외로 일본에서 수입해 사용했던 35mm 수준의 제품보다 입자 사이즈가 작으면서도 유동도가 매우 높아 미세하고 치밀한 코팅막을 형성할 수 있습니다. 

이번 연구를 주도한 홍용철 박사. 출처: 국가핵융합연구소
이번 연구를 주도한 홍용철 박사. 출처: 국가핵융합연구소

해당 기술 개발자인 홍용철 박사는 "뛰어난 품질의 미세 용사 분말 제작이 가능한 플라즈마 기술은 반도체 공정 외에도 다양한 소재 산업에 활용할 수 있어 이를 활용한 소재 기술 국산화 연구를 지속할 계획"이라고 밝혔습니다. 핵융합연구소 유석재 소장은 이번 성과와 관련해 "국가핵융합연구소가 기업에 이전한 기술을 바탕으로 기업과 협력해 일본의 수출 규제에 대응할 수 있는 반도체 소재 국산화 성공의 대표적 사례 중 하나"라며 "플라즈마 기술이 반도체 공정의 80%가량을 차지하는 핵심 기술 중 하나인 만큼 국내 기업들의 반도체 장비 및 소재 국산화를 위해 우리 연구소가 보유한 플라즈마 기술 지원을 보다 적극적으로 추진해 나갈 것"이라고 밝혔습니다.  

 

##참고자료##

 

  • Hwan, Hong Myung, et al. "Domestic Material Flow Analysis of Yttrium." Journal of Korean Powder Metallurgy Institute 22.6: 443-449.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 1
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
설문영 2019-09-01 21:27:29
대단합니다^^

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트