KENTECH–삼성전기, MLCC 첨가제 원자 자리 정량 분석법 개발

오상호 교수팀·삼성전기 공동연구… 디스프로슘이 바륨 자리 더 많이 점유하는 구조 확인

한국에너지공과대학교와 삼성전기 공동연구팀이 적층세라믹커패시터 핵심 소재 안에서 첨가제가 어떤 원자 자리를 얼마나 점유하는지 정량적으로 분석하는 방법을 개발했다. KENTECH는 공용장비센터 오상호 교수팀이 삼성전기와의 공동연구를 통해 MLCC 핵심 소재 내 첨가제의 위치와 비율을 원자 단위에서 정량 분석할 수 있는 기반을 제시했다고 밝혔다. 이번 연구는 전자부품 성능과 수명을 좌우하는 첨가제의 원자 자리 점유를 보다 정확하게 확인할 수 있는 분석법을 마련했다는 점에서 의미가 있다.

MLCC는 스마트폰, 전기차, 각종 전자기기 등에 폭넓게 쓰이는 핵심 전자부품이다. MLCC의 성능을 높이기 위해서는 바륨타이타네이트와 같은 세라믹 소재에 다양한 첨가 원소를 넣어 전기적 특성과 신뢰성을 조절한다.

문제는 같은 첨가제라도 결정 구조 안에서 어느 원자 자리에 들어가느냐에 따라 소자의 특성이 달라질 수 있다는 점이다. 바륨 자리와 티타늄 자리 가운데 어디를 점유하는지에 따라 전기적 거동과 신뢰성이 달라질 수 있어, 첨가제가 실제로 어느 위치에 들어가는지 정확히 파악하는 것이 중요하다. 이번 연구는 희토류 첨가제인 디스프로슘의 원자 자리 점유를 분석하는 데 초점을 맞췄다.

연구팀은 원자 단위 주사투과전자현미경-X선 분광 분석을 활용해 첨가제의 위치를 관찰했다. 그러나 기존 분석 방식에는 한계가 있었다. 전자빔이 특정 원자 열을 따라 더 강하게 집중되는 채널링 현상 때문에 실제보다 특정 자리에 첨가제가 더 많이 존재하는 것처럼 보이는 왜곡이 발생할 수 있었기 때문이다. 원자 단위 관찰은 가능했지만 이를 정확한 수치로 정량화하는 데 어려움이 있었다.

공동연구팀은 이 문제를 실험과 물리 기반 시뮬레이션을 결합하는 방식으로 해결했다. 전자빔이 각 원자 자리에서 어떻게 움직이고, 그 결과 X선 신호가 얼마나 달라지는지를 계산해 측정값의 왜곡을 보정하는 방법을 개발했다. 이를 통해 실제 MLCC 소자의 바륨타이타네이트 결정 단면에서도 첨가제가 어느 원자 자리를 얼마나 점유하는지를 더 정확하게 분석할 수 있는 정량 분석법을 제시했다.

연구팀은 개발한 분석법을 산업용 MLCC 시료 3종에 적용했다. 분석 결과 디스프로슘은 바륨 자리와 티타늄 자리를 모두 점유했지만, 바륨 자리에 들어가는 비율이 티타늄 자리보다 약 2배 높게 나타났다.

전기 전도 특성 분석 결과도 함께 제시됐다. 소자 성능 차이는 첨가제가 어느 자리를 점유하는지뿐 아니라 첨가제의 양, 결정 내부 특정 미세구조에서의 분포 범위와도 밀접하게 관련된 것으로 확인됐다. 이는 MLCC 소재 설계에서 첨가제의 총량뿐 아니라 원자 자리와 분포까지 정밀하게 다뤄야 한다는 점을 보여준다.

오상호 KENTECH 교수는 이번 연구가 MLCC 핵심 소재에 들어간 첨가제가 실제로 어느 원자 자리를 얼마나 점유하는지 원자 단위로 정량 분석할 수 있는 길을 제시했다고 밝혔다. 이어 원자분해능 분석의 한계로 지적돼 온 전자빔 채널링 왜곡을 물리 기반 시뮬레이션과 보정 기법으로 해결한 것이 핵심이라고 설명했다.

공동연구에 참여한 삼성전기 정혜진 연구원은 이번 연구가 MLCC 개발 현장에서 첨가제 거동을 더 정밀하게 해석할 수 있는 분석 기반을 마련했다고 밝혔다. 또한 고신뢰 MLCC 설계뿐 아니라 다양한 기능성 산화물의 도핑과 결함 화학 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’에 게재됐다. 논문명은 ‘Atomic-scale energy dispersive X-ray spectroscopy determining site occupancy of amphoteric dopant in BaTiO3’이다. 연구에는 정혜진·이대희 삼성전기 연구원과 Zhipeng Wang KENTECH 에너지공학부 연구자가 공동 제1저자로, 정동준 삼성전기 연구원이 공동 교신저자로, 오상호 KENTECH 교수가 책임 교신저자로 참여했다.

이번 성과는 MLCC 분야에서 오랫동안 난제로 남아 있던 원자 단위 첨가제 정량 분석의 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다. KENTECH와 삼성전기 공동연구팀이 개발한 분석법은 앞으로 MLCC뿐 아니라 기능성 산화물과 차세대 전자재료에서 첨가 원소의 위치와 농도를 정밀하게 검증하는 데 활용될 것으로 기대된다.

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