켄텍·삼성전기 '전기차 필수품' MLCC 수명 늘릴 원자 분석법 개발

켄텍 오상호 교수(오른쪽) 삼성전기 정혜진 연구원 (왼쪽)/켄텍 제공

스마트폰과 전기차 등 첨단 전자기기의 핵심 부품인 ‘적층세라믹커패시터(MLCC)’의 성능과 수명을 획기적으로 높일 수 있는 원천 분석 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍)는 오상호 교수 연구팀이 삼성전기와의 공동연구를 통해, MLCC 핵심 소재 내 첨가제가 어떤 원자 자리를 얼마나 점유하는지 정확하게 측정하는 ‘원자 단위 정량 분석법’을 개발했다고 27일 밝혔다.

MLCC는 전자제품 내부에서 전기를 비축했다가 필요한 만큼 안정적으로 공급하는 핵심 부품이다. 최근 전기차와 자율주행차, AI 서버 등의 시장이 급성장하면서 고성능·고신뢰성 MLCC에 대한 수요가 폭발적으로 늘고 있다.

이 부품의 성능을 극대화하기 위해 제조사들은 바륨타이타네이트($ ext{BaTiO}_3$)라는 세라믹 소재에 희토류 등 다양한 첨가 원소를 아주 미량 집어넣는다.

이때 첨가제가 세라믹 결정 구조 내에서 ‘바륨(Ba)’ 자리에 들어가느냐, 혹은 ‘티타늄(Ti)’ 자리에 들어가느냐에 따라 부품의 전기적 특성과 수명이 완전히 달라진다.

그동안은 원자 수준을 관찰할 수 있는 고성능 현미경이 있어도 실제 현장에서 이를 완벽히 통제하기 어려웠다. 현미경의 전자빔이 특정 원자 열을 따라 강하게 집중되는 이른바 ‘채널링(왜곡) 현상’ 때문에, 특정 자리에 첨가제가 실제보다 더 많이 존재하는 것처럼 보이는 오차가 발생했기 때문이다.

원자를 눈으로 보는 것은 가능했지만, 정확한 숫자로 수치화하는 정량 분석에는 한계가 있었던 셈이다.공동연구팀은 초정밀 현미경 관찰 값에 ‘물리 기반 컴퓨터 시뮬레이션’을 결합해 이 난제를 해결했다. 전자빔이 각 원자 자리에서 어떻게 움직이고 X선 신호가 얼마나 달라지는지를 계산해, 측정값의 왜곡을 완벽히 보정하는 독자적인 기법을 개발한 것이다.연구팀이 이 분석법을 실제 산업용 MLCC 시료 3종에 적용한 결과, 희토류 첨가제인 디스프로슘(Dy)이 티타늄 자리보다 바륨 자리에 약 2배 더 높게 들어간다는 사실을 정확한 수치로 입증해냈다. 또 소자의 성능 차이가 첨가제의 단순 위치뿐 아니라, 첨가제의 양과 결정 내부 미세구조에서의 분포 범위와도 밀접한 관련이 있다는 점을 함께 규명했다.

연구를 총괄한 오상호 켄텍 교수는 "그동안 원자분해능 분석의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 온 전자빔 채널링 왜곡 문제를 물리 기반 시뮬레이션과 보정 기법으로 해결한 것이 이번 연구의 핵심"이라며 "MLCC 핵심 소재의 원자 구조를 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 길을 열었다"고 연구 의의를 밝혔다.

공동연구에 참여한 정혜진 삼성전기 연구원은 "이번 연구는 MLCC 개발 현장에서 첨가제의 움직임을 더욱 정밀하게 해석할 수 있는 분석 기반을 마련했다는 데 큰 의미가 있다"며 "앞으로 고신뢰성 MLCC 설계는 물론, 다양한 차세대 기능성 전자재료 연구에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.한편, 이번 연구 성과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘액타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 게재되며 기술적 우수성을 인정받았다.

/고광민 기자 ef7998@namdonews.com