[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] 고용량 Si 합금계 음극재 개발 혁신 ‘엠케이전자’

충북도 R&D 지원 통해 ‘1250mAh/g 급, 장수명 Si 합금계 음극활물질의 리튬이차전지 적용 상용화’제품화

오홍지 기자 | 기사입력 2021/05/06 [21:01]

[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] 고용량 Si 합금계 음극재 개발 혁신 ‘엠케이전자’

충북도 R&D 지원 통해 ‘1250mAh/g 급, 장수명 Si 합금계 음극활물질의 리튬이차전지 적용 상용화’제품화

오홍지 기자 | 입력 : 2021/05/06 [21:01]

▲ 엠케이전자 전경.  © 오홍지 기자


[충북넷=오홍지 기자] 올해로 설립된 지 39년 된 엠케이전자는 반도체 기초 전기 재료인 세금선(Gold Bonding Wire)을 만드는 회사다. 주력 제품은 본딩와이어로 2020년 기준 전체 매출의 91%를 차지한다. 

 

1982년 자체기술로 반도체 핵심 패키징 재료인 글로벌 본딩와이어 개발을 시작으로, 반도체 패키징 재료 분야에서 국내 반도체 업계 수출경쟁력에 크게 이바지한 기업이다.

 

첨단기술의 집합체인 반도체를 생산하려면 금·은·구리 등 각종 금속을 이용한 소재가 필요한데, 엠케이전자는 반도체 생산에 없어서는 안 되는 본딩와이어(Bonding Wire)란 핵심 소재를 개발·생산해 국내 시장점유율 1위(55%)에 이어, 세계시장 점유율 1위(25.1%)까지 기록하는 기염을 토했다.

 

특히, 엠케이전자는 설립 이후 반도체 소재 분야에 꾸준히 투자한 결과, 주력제품인 본딩 와이어 부문에서 전 세계 반도체 기업 약 140개 업체에 공급하고 있을 정도로 세계적인 경쟁력을 갖췄다.

 

초정밀 합금기술과 극세선 가공기술, 특수 열처리기술 등 축적된 제조 노하우와 특허기술을 바탕으로, 국내 반도체 소재산업의 한 축을 담당하고 있을 정도.

 

엠케이전자의 반도체 핵심소재인 본딩와이어는 금을 주원료로 사용하는데, 반도체 리드프레임과 실리콘칩을 연결해 전기적 신호를 전달하는 극미세선으로, 우리 몸의 신경망과 같은 역할을 담당한다.

 

이 가는 선은 머리카락 약 5분의 1 정도로 얇지만, 강도가 높고 고온에서 오래 견딜 수 있는 기술력을 요구한다.

 

특히, 반도체 핵심재료인 본딩와이어의 경우 제조원가 절감에 따라 제품 전환이 지속해서 이뤄지고 있다. 주력 제품인 Gold wire는 Non-Gold wire로 전환 되고 있다.

 

엠케이전자는 이 경우 지속해서 신제품 개발을 통해 PC(Palladium Coated Cu Wire)와 APC(Au Palladium Coated Cu Wire), Ag wire를 개발해 제품전환의 영향을 받지 않으며, 계속해 매출량 증가를 실현하고 있다.

 

여기에 솔더볼(부품의 부착을 자동으로 할 때 사용하는 납 알갱이)의 경우 경쟁사 대비 차별화된 제조 경쟁력을 바탕으로 2012년 이후 지속적인 매출 증가로 인해 현재 세계 점유율 3위(13.6%)까지 성장했다.

 

Solder Bar(솔더바), Solder Flux(솔더플럭스) & Paste(페이스트), 3D 메탈 소재 등 향후 관련 신사업 매출 시너지 확대를 통해 지속 성장을 추구하고 있다.

 

여기에 엠케이전자는 국내 유수의 대기업과 함께 컨소시엄을 구성해 2010~2019년까지 WPM 국가 과제를 통해 이차전지 실리콘(Si) 합금계 음극활물질의 리튬이차 전지를 개발, 새로운 성장동력을 확보에 나섰다. 

  

◆ '충북도 소재·부품기술 국산화 R&D 지원 사업' 통한 기회 포착

 

2018년 6월 음성군에 공장을 새로 건립하면서, 이차전지 분야 자체 기술개발 사업 완성도를 높여야 했던 엠케이전자는 때마침 충북도의 ‘충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업'을 접하며 이를 기회로 삼았다. 

 

이 사업이 마중물 같은 역할을 할 수 있겠다는 생각에서 지원하게 됐죠.

 

엠케이전자는 WPM 국가 과제와 충북도의 ‘충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 지원’과제를 통해 기존 흑연보다 2~3배의 고용량을 지닌 이차 전지용 음극활물질을 개발해 냈다.

 

수명이 긴 실리콘계 음극활물질 개발을 국내 최대 전지 생산업체와 연구·개발한 결과, 글로벌 경쟁업체와 동등한 성능을 구현할 수 있게 됐다.

 

엠케이전자는 지난해 9월부터 연구개발 성과를 기반으로, 준양산 공장을 가동했으며, 준양산은 연구소에서 확인된 성능을 양산에서도 동일하게 구현하기 위한 준비과정인데, 수요에 부합된 제품을 경쟁사보다 한발 앞서 개발해 블루오션을 창출했다.

 

◆ 자체 기술개발

 

엠케이전자의 주요품목 중 하나는 2차전지 소재. 2차 전지에는 양극 소재와 음극 소재, 전해질, 분리막, 크게 보면 4가지 형태를 띤다.

 

리튬 2차전지는 방전 시 리튬이온을 저장하는 양극재와 충전할 때 리튬이온을 받아들이는 음극재, 둘 사이에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 해주는 전해질, 양극과 음극이 직접 접촉하지 않도록 분리해주는 분리막 등 4대 핵심소재로 구성된다.

 

이 중 엠케이전자가 자체 기술개발에 뛰어든 것은 가장 국산화가 되어 있지 않던 음극 소재 분야. 음극 소재는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재이며, 음극활물질이라고도 부른다.

 

엠케이전자는 음극 소재 개발 추세에 따라 세종류인 Si-C 복합체, Si 산화물계, Si 합금계 중 고용량, 고출력이 가능한 `Si 합금계`음극활물질의 전지를 적용했다. 이는 기존 음극활물질(흑연) 대체를 위한 가격 경쟁력을 확보하기 위해서다.

 

실리콘계 음극재가 탄소 흑연을 주로 사용하는데, 용량에 한계가 있어요. 그래서 Si 합금계 소재를 사용하면 용량이 상당히 증대하는 효과를 얻을 수 있죠. 이론적으로 흑연 대비 10배 정도인데, 실제적으로는 4배 정도 용량을 증대시킬 수 있죠.

 

Si 합금계 소재는 미국(3M)이 개발 중인데, 대외 의존도가 매우 높은 상황. 엠케이전자는 현재 Si 합금계 음극 소재를 자체 기술 개발해 해당 기술을 통해 고용량 음극활물질의 독자적인 기술을 확보하고, 상용화에 나선 상황.

 

Si 합금계 소재를 사용해 전지를 100% 충전했을 시 초기 효율에서 얼마나 발현할 수 있는가를 분석했는데 약 92% 정도 측정됐습니다. 다른 소재는 80~85%가량 나왔죠. 초기 효율은 높은 결과였죠. 반면, 상대적으로 수명유지는 조금 떨어졌는데, 이번 과제를 통해 열세인 부분을 극복하려고 노력하고 있죠.

 

 

▲ 사진 왼쪽 문정탁 상무/최고기술책임자 연구소장이 자체 기술개발 제품화를 설명하고 있다. 사진 가장 오른쪽 김형주 차장.  © 오홍지 기자

 

◆ 기술적 측면에서의 성과

 

엠케이전자는 Si 합금계 고함량의 음극 소재 분야를 독자적으로 기술개발하는 혁신을 보여줬다. 고객사에서 요구하는 Si 음극활물질의 고용량을 맞춤형으로 제작할 수 있는 시스템을 확보하게 된 것.

 

최적의 공정 조건을 도출함은 물론, 실리콘계 비정질화(기계적 합금화에 의한 비정질 Ni Zr 합금의 제조·고상 비정질화 반응에 관한 연구)를 최대한 구현했으며, 부피와 변화를 최소와 시키고 열세였던 수명유지 특성을 향상했다.

 

기존 Si 음극 소재의 큰 문제점이었던 낮은 초기 효율과 높은 제조원가를 뒤바꾼 본격적인 개선 행보에 집중한 것.

 

엠케이전자는 산소함량이 낮을수록 초기 효율이 향상하는 점을 확인해 수명 특성과 생산성을 고려, 최적의 산소 함량 제어를 통한 초기 효율 극대화에 성공했다.

 

심지어 공정 분위기 제어를 위해 기계적 합금화 장비의 실링부와 수거 부분을 크게 개선하고, 기존 88% 수준에서 92%까지 초기 효율을 향상했다.

 

수명개선에서도 기존 짧았던 전지의 수명에서 표면 제어 기술과 미분 제어를 통한 장수명 안정성을 확보했다. 기존 표면 코팅 분말 표면에는 부분적으로 불규칙한 영역이 보였고, 분말 입자 간 독립적인 존재함도 있었다.

 

그러나 제어기술을 통해 평가 결과, 사슬 형태의 도전성 물질이 전체적으로 분말 표면을 덮고 있는 것과 매끄럽지 못한 영역 채워짐, 분말 간 도전성 물질로 연결됨을 확인했다.

 

미분 제어를 통한 입도 분포 변화 평가 결과에서도 미분은 감소하고, 입도는 증가한 것을 확인했다. 이 같은 확인 결과는 푸셔압과 블로워압, 투입속도와 투입량 등의 조절로 결과값을 도출했다.

 

품질의 안정화도 단연 눈에 띄게 달라졌다. 모소재 균질화와 제조 장비 소재 변경으로 오염원을 최소화했기 때문.

 

엠케이전자는 밀링 에너지로 인한 소재 마모는 최소화(오염원)하고, 소재 변경을 통한 제조원가는 절감하는 효과를 얻었다.

 

엠케이전자는 장비 개선과 공정 최적화 등을 통해 사업화 실현 가능성을 확인했다. 이 과정에서 생산량 증대에 따른 수명 특성 저하 문제 발생도 확인했으나, 생산량과 공정 조건에 따른 실리콘 비정질화도의 상관관계를 파악, 생산성 증대를 통한 사업화 실현 가능성도 확인할 수 있었다.

 

현재 엠케이전자는 자체 기술개발로 Si 합금계 음극활물질 국내 특허 1건 출원을 완료 했으며, SCI 급 논문 게재를 준비 중에 있다.

 

◆ 경제적 측면에서의 성과

 

엠케이전자는 국내·외 고객사와 주기적인 기술미팅을 시작으로, 샘플을 제공함과 동시 적극적인 기회 마련에 집중하고 있다.

 

이를 위해 지난해 6300만 원의 유상 샘플과 국내 자동차 업체를 대상으로 정기적으로 유·무상 샘플을 제출했다. Agency(대행사)를 통한 국내·외 고객사들 기술 교류 협력도 진행 중이다.

 

특히, 고용 성과 초과 달성으로 충북경제에도 이바지 하는 엠케이전자는 기획과 영업, 개발담당 연구원을 채용해 연구 개발과 사업화를 매년 추진하고 있다.

 

▲ 이차전지분급장비.  © 오홍지 기자


◆ 차별화 및 향후 계획

 

엠케이전자는 자체 기술 개발한 음극 소재 사업화 제품을 확대 기술 적용하려고 계획하고 있다. 충북도의 과제를 통해 기술 개발한 분말의 분쇄와 분급 기술은 앞으로 신제품 분말과 공정 분위기 제어, 분급 기술에 접목된다.

 

특히, 준양산 라인을 보유해 음성지역에 제2 공장을 추가 증설·구축해 Si 음극 소재의 리튬 이온 전지 적용화 사업을 더욱 확대해 나갈 계획이다.

 

◆ 기업 개발제품

 

본딩와이어는 반도체 조립 공정의 핵심 소재로 리드와 실리콘 칩을 연결해 전기적 신호를 전달하는 부품이다. 반도체 생산에 없어서는 안 되는 핵심소재이기도 하다.

 

종류는 ▲골드본딩와이어 ▲Au(금)-Ag(은) 합금와이어 ▲Cu 와이어 등이 있다.

 

솔더볼은 고집적 패키징 기술인 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package), WLCSP(Wafer level CSP)에서 반도체 칩과 회로 모듈, PCB 기판을 접착해 전기 신호를 전달하는 초미세한 볼 형태의 솔더 전자 부품이다. 조성에 따라 융점이 180~220 온도까지 다양하며, 전기적·기계적 특성이 핵심이다.

 

초창기에는 Sn(주석)-Pb(납)이 주요 원재료 사용됐으나, 환경 규제에 따라 솔더 합금 중 Pb 함량이 0.1% 이하인 Lead(Pb)-Free 조성이 원재료의 95% 이상을 자치한다.

 

EVM제품의 경우 엠케이전자의 증착 재료는 골드베이스 합금으로서, 반도체 웨이퍼에 박막을 형성하는 데 사용되는 핵심재료이다. 고객 요구에 따라 다양한 조성의 합금으로 보급되고 있다.

 

정밀 주조와 분석 시스템을 갖추고, TS16949 품질 시스템과 6시그마 품질관리로 고객의 품질 요구 상을 충족시키고 있다.

 

또, 엠케이전자의 스퍼터링(Sputtering) Target제품은 골드베이스 합금의 스퍼터링 Target으로서, 반도체 웨이퍼에 전도성 박막을 형성하거나 장신구 등의 표면에 골드 박막을 형성하는 데 사용하는 재료이다.

 

Circular, Planer, Rectangular 등 고객이 원하는 여러 가지 형태의 Target을 공급할 수 있다.

 

테입과 필름 제품은 기능성 구현을 위해 고분자 배합기술, 점접착층 형성 기술을 활용해 높은 품질의 제품 생산을 이루며, 관리되고 있다.

 

이 제품들은 현재 고객 요구 수준에 맞는 제품을 생산·판매하며, 전자·전기 분야를 중심으로 사업 운영 중이다.

 

본 기사는 충북도 신성장사업국 산업육성과에서 지원한 충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 수행과제 중 우수기업 탐방 기사입니다. <편집자 주>

 

 
 
 
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