적층 세라믹 콘덴서(MLCC)에 대해 설명해보세요.

MLCC는 금속판과 세라믹판을 샌드위치처럼 엇갈려서 쌓는 방식으로 만든다. 그렇게 겹겹이 쌓아 만든 후에 정밀한 칼날로 원하는 크기의 MLCC로 잘라내어 제작한다. 언뜻 보면 시루떡을 만드는 방식과 비슷하지만 워낙 얇게 쌓다보니 판보다는 층이라는 표현을 쓸 만큼 미세한 공정이다. MLCC는 전자제품의 회로에 전류가 일정하게 흐르도록 제어하는 핵심부품으로 휴대폰, LCD TV, 컴퓨터 등에 사용된다.

여기서 εo 는 진공중의 유전율, ε는 유전체의 고유전율, A는 내부전극의 대향면적, t는 유전체 두께, 그리고 n은 MLCC의 적층수를 나타낸다. 따라서 MLCC의 정전 용량을 높이기 위해서는 고유전율화, 고적층화 및 박층화가 필요하다는 것을 알 수 있다.

MLCC의 제조공정은 일반적 세라믹 제조공정을 따라 만든 Powder를 MLCC로 제조하는 것이다. 즉 일정 기본조성을 가진 출발 원료 물질을 증류수와 함께 Mixing 시킨 다음, 특정 온도에서 일정 시간 동안 하소(calcination)시킨다. 이 powder를 성형성 증대를 위해 PVA등의 binder를 첨가시킨 후 slurry상태로 만들어 doctor blade casting 방법으로 ceramic green sheet로 casting한다. Ag, Pd, Pt등의 알맞은 내부 전극(internal electrode)을 sheet위에 screen-painting시킨 후, green sheet를 적층하고 chip형태로 cutting한다. 이 chip을 일정온도(약 400∼500℃)로 승온하여 binder를 burn out 시키고, 다시 고온의 일정온도로 소결한 후 양쪽면에 최종외부전극을 부착시킴으로써 MLCC를 제조할 수 있다

MLCC는 전하를 일시적으로 저장하는 전기적인 장치이다. 이는 온도특성에 따라 몇 가지로 구성한다. MLCC는 유전체와 전극으로 구성되는데, 고주파용 적층 세라믹 콘덴서의 경우 이 전극의 재료가 팔라듐 혹은 구리로 이루어져 있다. 칩 타입의 소형 적층 세라믹 콘덴서를 제작하기 위해서는 고밀도와 고효율의 세라믹 콘덴서가 사용된다. 이동전화나 PDA, 캠코더와 같은 고주파 환경에서 사용하기 위해서는 콘덴서가 낮은 ESR 값과 높은 품질 요소를 가져야 한다. 통상 SMD MLCC, 수직형 MLCC, 수평형 MLCC 등으로 분류된다.

MLCC는 전극간의 유전체로 고유전율계 세라믹을 다층 구조로 사용하고 있으며, 온도 특성, 주파수 특성이 양호하고, 게다가 소형이라는 큰 특징이 있다. 디지털 회로에서 취급하는 구형파(펄스파) 신호는 비교적 높은 주파수 성분이 함유되어 있다. 이 콘덴서는 주파수 특성이 양호하고, 소형이라는 점 때문에 바이패스용으로 흔히 사용된다. 온도 특성도 양호하므로 온도변화를 꺼려하는 회로에도 사용된다. 아래 그림의 좌측에 있는 것은 용량이 104로 표시되어 있으므로 10×104pF=0.1μF의 용량이며, 폭 4mm, 높이 3mm, 두께 2mm의 콘덴서이다. 우측에 있는 것은 용량이 103(10×103pF=0.01μF)의 콘덴서로, 둥근 부분의 직경이 2mm, 높이가 4mm이다. 고밀도 실장을 하는 데에는 아래 그림의 우측에 있는 형상의 콘덴서가 좋은 경우도 있다. 전극의 극성은 없으며, 25V, 50V가 일반적이며 16V도 있다.

최근 전자기기의 소형경량화 및 박형화 요구에 따라서 세라믹 콘덴서의 연구도 소형화, 고용량화, 다기능화로 집약된다. 적층형 세라믹 콘덴서(MLCC)의 경우 제품별로 1005→0603→0402 →0201→01005 수준까지 소형화가 진행되고 있다. 또한 MLCC 용량 영역도 일부 중용량 영역에서 Al, Ta 등의 전해 콘덴서를 대체하는 추세로 확대되고 있으며, 이러한 고용량화를 구현하기 위해 고유전율화, 고적층화, 초박막화가 연구되고 있다.

MLCC의 전극소재를 보면, 종전에는 팔라듐, 은과 같은 고가의 전극소재를 사용하였으나, 최근 니켈, 구리 등을 사용하여 고성능, 저원가를 실현하고 있으며 또한 현재의 MLCC 핵심 내부전극 소재로는 니켈, 외부전극 소재로는 구리, 유전체 소재로는 티탄산바륨이 주로 사용된다. 적층형 세라믹 콘덴서(MLCC)의 수익성 결정 요소, 파우더와 내부 전극 MLCC의 파우더는 여러 가지의 첨가물, 즉 산화제를 MLCC의 주원료인 티탄산바륨(BaTiO3)에 첨가하여 원하는 특성, 균일한 조성의 MLCC 원재료를 만드는 것이다. 이러한 첨가제는 MLCC의 종류를 결정할 뿐 아니라 최종제품의 전기적 특성에 많은 영향을 준다.

파우더 공정에서는 균일한 혼합조성과 그레인 사이즈 제어, 불순물 제어 등이 최종제품의 성능을 좌우하는 핵심기술이다. 내부전극을 파라듐(Pd)이나 니켈(Ni) 중 어떤 것을 선택하느냐에 따라서도 수익성에 큰 차이가 난다. 지난 2∼3년 전까지는 파라듐이 MLCC의 전극으로 주로 사용됐으나. 최근 기술의 발전으로 니켈을 사용하여 파라듐의 성능을 낼 수 있게 됐다. 내부전극을 니켈로 사용하는 MLCC는 파라듐 내부전극보다 재료비 비중이 적고(파라듐 가격의 급등으로 니켈의 가격은 1/10 수준) 용량이 클 뿐만 아니라 PC 주변기기, 캠코더, 노트 PC, 이동통신 단말기 등에 채택되어 시장성이 우수하다. 그러나 내부전극을 기존의 파라듐에서 니켈로 전환되는 데에는 막대한 투자비용과 기술이 필요하다.

MLCC는 좁쌀만 한 크기의 제품으로 불과 1∼2mm 정도의 높이에 얇은 세라믹층을 300∼400층을 쌓을 정도로 기술 집약이 필요한 제품으로 수익성이 20∼30%나 되는 고수익 부품이다. 1005형은 공급과잉인 반면, 1608/2012형은 공급부족 지속으로 지난 몇 해 전까지 MLCC 제품의 흐름은 3016형에서 2012형이 시장의 주류를 이뤘었으나, 최근 보편화되고 있는 휴대전화, 디지털 캠코더, 노트북 PC, PDA 등의 경박단소화 추세에 따라 이에 필수적으로 탑재되는 칩 부품들의 소형화가 급속도로 진전됨에 따라 1005/1608형으로 세대교체가 빠르게 이뤄지고 있다. 최근 국내에서도 삼성전기와 한양대의 공동으로 티탄산바륨(200nm BaTiO3)세라믹 입자를 적용한 1.9㎛ 초박막 시트 성형체 제조기술을 개발하였다. 이 기술의 연구는 동일 체적당 최적의 용량 구현을 통한 초소형 0402(0.4mm x 0.2mm), 초고용량(100㎌ 이상) MLCC에 적용 가능한 성형공정기술 개발종래의 한계 기술인 슬러리 분산 공정의 확립을 통해 12㎛의 두께를 갖는 초박막 세라믹 유전층의 구현이 가능한 기술이다. 제조 공정에서 초미립 티탄산바륨(200nm BaTiO3)입자를 적용한 초박막 공정(시트 성형체 1.9㎛, 소결 후 1.2㎛)으로의 전환에 성공함으로써 초소형화 및 초고용량화를 이룰 수 있는 MLCC의 제조공정 기술을 개발하였다.

MLCC의 소형·대용량화에는 유전체의 박층화가 물론 중요하고 현재 그 두께는 연구 레벨에서 0.5 μm 부근까지 박층화가 진행되고 있다. 그에 비해 전극막 두께의 박층화라고 하면 유전체의 두께에 비해 그 속도는 의외로 느리고 신뢰성을 고려하면 연구 레벨에서는 동등한 두께를 실현할 수 있지만 양산 레벨에서는 유전체보다 약간 두꺼운 0.6~0.7 μm 전후의 두께가 한계인 실정이다. 그래서 전극막 두께의 박막화가 필요하다. 그를 위해 여러 가지 방법이 있는데 소형화 경량화에 크게 기여하고 사용 용도가 비약적으로 향상된 금속인 Ni를 이용하여 연구가 많이 되고 있다. 그리고 전극 박막화를 위해서 용제 개발 기술, 페이스트로 만드는 분말 개발 기술(아래 그림), 소결 인쇄 개발 기술이 연구되고 있다.