▲ 한국세라믹기술원 기술로 개발·구축된 연속식 고순도 질화알루미늄 생산로

산업통상자원부 산하 세라믹 분야 정부출연기관 한국세라믹기술원과 기초무기화학 전문기업 케이씨(주)가 일본 기업으로부터 100% 수입에 의존하고 있는 질화알루미늄(Aluminum Nitride:AlN) 시장에 도전장을 내밀었다. 질화알루미늄은 반도체 장비 핵심부품에 필수적인 소재이고 플레이어도 극소수여서 소재 공급망 안정화 및 수출산업화도 기대된다.

한국세라믹기술원 피재환 박사 연구팀은 고순도 질화알루미늄 연속식 생산이 가능한 연산 3톤 규모의 파일럿 설비 설계와 장비 구축을 완료하고, 현재 케이씨(주)와 협력해 시제품을 생산 중이다. 피재환 박사 연구팀이 지난 2020년 개발한 고순도 질화알루미늄 연속식 생산기술은 기존 배치(batch)형 전기로(爐) 보다 균일한 고순도 질화알루미늄 양산이 가능하다는 장점이 있다.

특히 질화알루미늄 입자내 잔존하는 산소를 최소화 시키는 잔존 산소 제어기술 개발로 고열전도 질화알루미늄 생산이 가능해 순도, 입자크기(<1.0㎛), 잔존 산소(<0.85wt%)/탄소량(<300ppm) 등에서 현재 세계 시장을 독점하고 있는 일본 도쿠야마(Tokuyama)社의 제품과 비교해도 동등 이상인 것으로 나타났다.<br>
질화알루미늄은 알루미나와 탄소 가루를 혼합하여 합성한 것으로 소결체로 만들면 열전도(320W/mK) 특성이 좋아, 세라믹 히터, 정전척, 플레이트(파워모듈용), 필러 등으로 사용된다. 특히 최근 자동차, 신재생 에너지 등에서 고출력 전력반도체 파워모듈 수요가 확대되고 있는 가운데 열전도도가 좋은 질화알루미늄은 고전력 사용 환경에서 발생하는 열을 빠르게 배출시킬 수 있어 기존 알루미나(Al2O3)를 대체하는 세라믹 기판 소재로 널리 사용되고 있다.

현재 질화알루미늄 시장은 2018년 기준으로 약 6억2천만달러(한화 약 8,173억원) 규모로 일본의 NGK와 스미토모가 세계 시장의 86%를 점유하고 있다. 직접질화법으로 생산한 범용 저순도 질화알루미늄은 중국에서 대부분 생산되고 있으며 질화알루미늄을 만들기 위한 고순도 산화알루미늄은 중국, 한국, 일본 등에서 생산을 시도하고 있으나 일본 도쿠야마(Tokuyama)社 제품과 아직 비교할 제품은 없는 상태였다.

세라믹히터, 파워모듈 플레이트 등의 고순도 질화알루미늄은 일본 도쿠야마가 세계에서 유일하게 열탄소환원질화법으로 생산(연산 948톤)하고 있어 우리나라도 100% 수입에 의존하고 있는 형국이다.

고순도 질화알루미늄은 반도체 웨이퍼 열처리 장비용 세라믹 히터의 주요 소재인데다 일본 기업들만 생산하고 있어 지난 2019년 일본 반도체 수출 규제와 같은 위기가 발생하면 대응책이 없어서 국산화가 시급한 상황이다. 현재 국내 반도체 장비용 고순도 질화알루미늄 소재시장은 도쿠야마가 99%, 일본 Toyo가 1%를 점유하고 있어 100% 일본 기업에 의존하고 있다.

한국세라믹기술원과 케이씨는 생산한 고순도 질화알루미늄을 가지고 국내 전기차 모듈 업체 등과 함께 분말 평가, 슬러리 물성평가, 성형 특성, 소결성, 기계적·열적 특성 평가 등을 진행 중이다. 수입에 의존하던 수요기업들도 공급망 안정화를 위해 적극적으로 성능평가에 참여하면서 국산화 시점이 빨라질 것으로 전망되고 있다. 세라믹기술원과 케이씨는 향후 고순도 질화알루미늄 생산캐파를 연간 30톤으로 확대할 전망이다.

피재환 세라믹기술원 박사는 “반도체 장비용 고순도 질화알루미늄 수입을 20년간 의지해오다 보니 국내 소재-부품-장비-활용 기업들의 국산화 소재로의 전환이 무척 어려운 것이 사실”이라며 “일본 수출규제, 코로나 팬데믹, 러·우 전쟁 등으로 날로 공급망 안정화가 중요해지고 있는 시점에서 반도체, 전기차 등 산업 경쟁력 강화를 위해서라도 이번 소재 국산화는 중요한 의미가 있으며 더 많은 수요기업과 협력을 추진하고 싶다”고 밝혔다.

한편 피재환 박사가 개발한 질화알루미늄 잔존 산소 제어기술은 지난주 국제 SCI급 학술지인 ‘Materials’에서 accepted 됐으며 조만간 국내 특허 출원 예정이다.