세계 최초! 독성 없는 '친환경 은 도금 기술' 개발 - KIMS, 산업의 판도를 바꾸다

세계 최초! 독성 없는 '친환경 은 도금 기술' 개발 - KIMS, 산업의 판도를 바꾸다

은(Ag) 도금은 반도체, 전자 부품, 회로기판 등 첨단 산업에서 전기 신호 전달 성능을 극대화하기 위한 핵심 공정입니다. 그러나 기존 기술은 독성 물질 사용 및 공정상의 한계로 인해 환경과 안전, 그리고 정밀 제조에 있어 여러 도전 과제를 안고 있었습니다. 이러한 상황에서 최근 한국재료연구원(KIMS) 에너지·환경재료연구본부 이주열, 김세일 박사 연구팀이 인(P) 화합물을 핵심으로 하는 '친환경 은 도금 기술'을 세계 최초로 개발했다는 획기적인 소식이 전해졌습니다. 이는 단순한 기술 개선을 넘어, 관련 산업의 패러다임 전환을 예고하고 있습니다.

1. 기존 은 도금 기술의 현주소와 극복 과제

현재 산업계에서 활용되는 은 도금 기술은 크게 시안계와 비시안계로 나눌 수 있습니다. 각 기술은 장점과 함께 명확한 한계점을 지니고 있습니다.

1.1. 시안계 은 도금: 우수한 품질, 치명적인 독성

시안계 은 도금은 도금층의 품질이 우수하고 용액의 안정성이 높아 오랫동안 사용되어 왔습니다. 하지만, 주성분인 시안화물(Cyanide)은 인체에 치명적인 맹독성 물질로, 작업자의 안전을 심각하게 위협하며, 폐수 처리에도 막대한 비용과 노력이 소요됩니다. 더욱이, 알칼리성인 시안 도금액은 반도체 제조의 핵심 공정인 포토리소그래피(Photolithography) 공정에서 감광액(Photoresist)을 손상시키기 때문에 미세하고 정밀한 패턴 제작에는 적용이 불가능하다는 결정적인 단점이 있습니다.

1.2. 비시안계 은 도금: 친환경 노력, 그러나 기술적 난제

시안계 도금의 문제점을 해결하기 위해 다양한 비시안계 은 도금 기술이 연구되어 왔습니다. 그러나 대부분의 비시안계 기술은 산성 환경에서 은 이온이 쉽게 침전되어 용액이 불안정해지고, 이로 인해 균일하고 밀착성 좋은 도금층을 얻기 어렵다는 한계를 보였습니다. 용액 안정성을 높이기 위해 다양한 첨가제를 사용하게 되는데, 이는 공정을 복잡하게 만들고 비용 상승의 원인이 되기도 했습니다. 결과적으로 중성이나 알칼리성 용액 개발에 연구가 치우치는 경향이 있었습니다.

[기존 은 도금 기술 비교]

항목	시안계 은 도금	기존 비시안계 은 도금 (산성)
주요 성분	시안화물	다양한 착화제 (예: 요오드, 티오황산염 등)
독성/환경 영향	매우 높음 (맹독성, 폐수 처리 어려움)	상대적으로 낮으나, 일부 착화제 유해성 존재
공정 안정성 (산성)	해당 없음 (알칼리성)	낮음 (은 이온 침전, 용액 불안정)
도금 균일도	우수	낮음 (불균일한 막 형성 가능성)
포토리소그래피 공정 적용성	불가 (감광액 손상)	이론상 가능하나, 용액 불안정성으로 제한적
공정 복잡성/비용	폐수 처리 비용 높음	첨가제로 인한 공정 복잡성 및 비용 증가

기존 은 도금 기술들의 주요 특징 및 한계점 비교

2. 혁신의 핵심: KIMS 친환경 은 도금 기술 심층 분석

이번에 한국재료연구원이 개발한 친환경 은 도금 기술은 기존 기술의 한계를 정면으로 돌파하며, 독성 물질 배제, 공정 효율 극대화, 그리고 고품질 도금층 구현이라는 세 마리 토끼를 모두 잡았다는 평가를 받고 있습니다.

2.1. 핵심 메커니즘: 인(P) 화합물의 마법

본 기술의 핵심은 인(P) 화합물을 도금 용액의 주요 성분으로 활용하여, 독성이 강한 시안화물 없이도 산성(acid) 환경에서 안정적이고 균일한 은 박막을 형성하는 데 성공했다는 점입니다. 구체적인 메커니즘은 다음과 같습니다.

• 포스핀 리간드(Phosphine Ligand)의 역할: 연구팀은 특정 포스핀 리간드(예: THPP - Tris(hydroxymethyl)phosphine)를 활용했습니다. 이 리간드는 은 이온(Ag+)과 강력한 착화합물(Complex)을 형성하여 은 이온을 안정적으로 둘러쌉니다. FT(Density Functional Theory) 계산 등을 통한 분자 구조 예측 연구는 이러한 착화 메커니즘을 규명하고 최적의 리간드를 선택하는 데 중요한 역할을 합니다. 안정화된 은 이온은 산성 용액 내에서도 침전되지 않고 용해된 상태를 유지할 수 있게 됩니다.
• 인 기반 전해질 농도 최적화: 연구팀은 인 기반 전해질의 농도를 정밀하게 제어하여 도금층의 질(밀착력, 균일성, 전기 전도성 등)을 극대화하는 최적의 비율을 도출했습니다. 이를 통해 별도의 복잡한 첨가제 없이도 우수한 품질의 은 도금층 형성이 가능해졌습니다.

[KIMS 친환경 은 도금 기술 메커니즘 모식도]

왼쪽부터: 은 이온(Ag+)과 THPP 리간드의 1:4 착화합물 분자 구조 예측도 (FT 계산 기반), 실제 도금 공정 모식도(C.E: Counter Electrode, W.E: Working Electrode, THPP: 리간드, Electrolyte: 전해질), 전해질 종류에 따른 은(Ag) 도금층 전착 거동 비교 (상단: 일반 인산염 계열, 하단: 개발된 인 화합물 기반 전해질). 개발된 기술(하단)은 은 이온의 안정적인 공급과 균일한 핵생성 및 성장을 통해 치밀하고 평활한 도금층을 형성함을 알 수 있습니다. (자료 제공=재료연구원)

2.2. 기술적 우위: 무엇을 얻고 무엇을 개선했나?

KIMS 기술의 '득(Gain)' - 압도적인 장점

• 압도적 친환경성: 시안화물을 전혀 사용하지 않아 작업 환경의 안전성을 획기적으로 개선하고, 환경오염 문제를 근본적으로 해결합니다. 폐수 처리 비용 또한 크게 절감할 수 있습니다.
• 최고 수준의 도금 품질: 산성 용액임에도 불구하고 매우 균일하고 강도 높은 은 박막을 안정적으로 제조할 수 있습니다. 이는 기존 비시안계 산성 도금의 기술적 난제를 해결한 것입니다.
• 공정 효율성 극대화: 복잡한 첨가제가 필요 없거나 최소화되어 도금 공정이 매우 단순해집니다. 이는 생산성 향상과 원가 절감으로 이어질 수 있습니다.
• 정밀 공정 적용 확대: 산성 기반 도금 용액이므로 반도체 포토리소그래피 공정과의 호환성이 뛰어납니다. 이는 미세 회로 패턴 제작 등 고도의 정밀성이 요구되는 분야에 핵심적으로 적용될 수 있음을 의미합니다.

'실(Loss/Challenge)' - 극복 및 발전 과제

• 초기 도입 검토: 새로운 기술 도입에 따른 초기 설비 투자 또는 공정 변경에 대한 검토가 필요할 수 있습니다. 다만, 장기적으로는 공정 단순화 및 폐수 처리 비용 절감으로 충분히 상쇄 가능할 것으로 기대됩니다.
• 광범위한 물성 검증: 기존 시안계 도금이 오랜 기간 사용되며 다양한 환경에서의 물성 데이터가 축적된 반면, 신기술은 다양한 산업 현장 적용을 통해 폭넓은 물성 검증 및 최적화 과정이 필요합니다. (현재 발표된 연구 결과는 핵심 성능 지표에서 우수성을 입증)
• 양산 스케일업: 실험실 규모의 성공을 넘어, 대규모 양산 공정에서도 동일한 품질과 안정성을 확보하기 위한 스케일업 연구 및 기술 최적화가 중요합니다.

3. 산업적 파급 효과 및 미래 전망

이번 친환경 은 도금 기술 개발은 국내외 산업계에 상당한 파급 효과를 가져올 것으로 예상됩니다. 특히 환경 규제가 강화되고 고성능·고신뢰성 부품 수요가 증가하는 현시점에서 그 의미가 더욱 큽니다.

3.1. 적용 분야의 혁신적 확장

본 기술은 다음과 같은 다양한 고부가가치 산업에 적용되어 혁신을 이끌 것으로 기대됩니다.

• 고성능 반도체 패키징: 미세화·고집적화되는 반도체 칩의 전기적 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.
• 첨단 전자 부품: 스마트폰, 디스플레이, 자동차 전장 부품 등에서 요구되는 고품질의 전기적 연결 및 내부식성을 제공합니다.
• 정밀 의료기기: 인체 삽입형 의료기기나 정밀 진단 장비의 센서 부품 등 생체 적합성이 요구되거나 높은 정밀도를 필요로 하는 분야에 활용될 수 있습니다.
• 고감도 광학 센서: 자율주행차량의 라이다(LiDAR) 센서나 고해상도 카메라 모듈 등의 반사막 코팅에 적용되어 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 기타 정밀 부품: 우주항공, 방위산업 등 극한 환경에서 사용되는 정밀 부품의 내구성과 기능성을 높이는 데 기여할 것입니다.

[시각 자료 3: KIMS 친환경 은 도금 기술의 산업별 기대 효과 (개념도)]

반도체 패키징: 90% (성능/신뢰성 향상 기대)

첨단 전자 부품: 85% (품질/공정 효율 개선 기대)

의료기기/센서: 80% (안전성/정밀도 향상 기대)

기타 정밀 부품: 75% (다양한 분야 적용 기대)

각 산업 분야에서 KIMS 신기술 도입 시 예상되는 부가가치 또는 성능 향상 지수 (개념적 표현)

3.2. 국내 산업 경쟁력 강화 및 지속 가능한 발전

이 기술은 해외 기술 의존도를 낮추고 국산 기술의 우수성을 세계에 알리는 중요한 계기가 될 것입니다. 특히, 전 세계적으로 강화되는 환경 규제에 선제적으로 대응함으로써 국내 도금 산업의 글로벌 경쟁력을 한층 높일 수 있습니다. 이는 관련 설비 및 소재 산업의 동반 성장과 함께 수출 증대 효과로 이어져 국가 경제에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망됩니다.

4. 현장의 목소리: 개발 책임자 인터뷰

연구책임자인 재료연 이주열 책임연구원은 "이 기술은 은 도금 공정에서 발생하는 환경 문제를 해결하는 것과 동시에 반도체 및 전자 부품 제조에 필요한 고품질의 도금까지 가능하게 만든다"라며, "산업 현장의 혁신을 이끄는 계기가 될 수 있을 것으로 기대한다"라고 본 기술 개발의 의의를 강조했습니다.

5. 학술적 성과 및 특허 현황

본 연구의 제1저자인 이수진 학생연구원이 참여한 연구 결과는 전기화학 분야의 세계적인 학술지 '일렉트로키미카 악타(Electrochimica Acta)' 온라인판에 지난 2월 26일 게재되어 그 학술적 가치를 인정받았습니다. 또한, 이와 관련된 국내 특허도 출원한 상태로, 기술의 독창성과 사업화 가능성을 확보했습니다.

6. 결론: 친환경 은 도금 기술, 미래 산업의 핵심 동력으로

한국재료연구원이 세계 최초로 개발한 '친환경 은 도금 기술'은 단순한 기술적 진보를 넘어, 환경과 산업이 공존할 수 있는 지속 가능한 미래를 제시하는 혁신적인 성과입니다. 독성 물질 없이도 고품질의 은 도금을 가능하게 함으로써, 반도체, 전자, 의료 등 첨단 산업의 경쟁력을 한 단계 끌어올릴 핵심 동력이 될 것입니다.

도금 설비 및 설계 담당자로서 이러한 기술 변화의 흐름을 면밀히 파악하고, 새로운 기술이 가져올 기회를 적극적으로 모색하는 자세가 필요합니다. 본 기술의 성공적인 상용화와 확산을 통해 국내 도금 산업이 글로벌 시장을 선도해 나가기를 기대합니다.

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자료 출처: 한국재료연구원(KIMS) 보도자료 및 관련 연구 논문