교세라 파인 세라믹관

• 오늘은, 교세라 주식회사를 찾아주셔서 대단히 감사합니다.
• 당사의 사옥 2층에는 「교세라 파인 세라믹관」 그리고 「교세라 쇼룸」이 있습니다. 천천히 둘러보시기 바랍니다.
  이곳 「교세라 파인 세라믹관」에서는, 파인 세라믹스의 다양한 특성과 당사의 파인 세라믹스 기술개발의 역사, 그리고 당사의 파인 세라믹스 제품의 발전 과정을 보실 수 있습니다.
• 전반에서는, 「파인 세라믹스의 기초 지식」과 「파인 세라믹스가 탄생할 때까지의 역사」를 전시하고 있습니다.
• 중간쯤에는, 「교세라 파인 세라믹스 제품과 기술의 변천」을 1959년의 창업 당시부터 2013년의 제품까지 연도별로 전시하고 있어, 시대와 함께 발전 확대해 나가는 교세라의 사업내용을 이해하실 수 있습니다.
• 「극한의 세계에서 활약하는 최첨단 파인 세라믹스 코너」에서는, 우주나 심해 등 극한의 세계에서 활약하는 다양한 파인 세라믹스 제품을 영상과 실물 전시로 소개하고 있습니다.
• 「반도체 산업과 세라믹 패키지의 역사 코너」에서는 미국의 실리콘 밸리에서 시작되는 반도체 산업의 역사를 되돌아보면서, 교세라의 파인 세라믹 패키지가 반도체 산업에 공헌해 온 발자취를 소개하고 있습니다.

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• 일반적으로 물질은, 유기물질과 무기물질이 있고, 무기물질은, 금속과 비금속으로 나눌 수 있습니다. 벽돌이나 타일, 밥공기 등의 도자기―― 즉, 세라믹스는 「무기물질 비금속 재료로, 제조과정에 있어서 고온처리를 한 것」이라고 말할 수 있습니다. 이러한 세라믹스 중에서도, 일렉트로닉스 제품을 비롯하여 각종 산업용으로 이용되는 특히 뛰어난 성질과 높은 정밀도가 요구되는 것을 「파인 세라믹스」라고 불러, 종래의 도자기와 구별하고 있습니다. 파인 세라믹스는, 「정선 또는 합성된 원료 분말」을 이용하여, 「잘 제어된 성형, 소성 가공법」에 의해 만들어져, 「조정된 화학조성과 결정 조직을 가진 세라믹스」라고, 정의할 수 있습니다.

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• 세라믹스는, 먼 옛날부터 토기나 벽돌로써 사용되기 시작했고, 토기 시대는 몇천 년이나 계속되었습니다. 그러나, 이러한 토기는 들판의 불에 의한 소성이었기 때문에, 섭씨 800도 전후의 낮은 온도로밖에 굽지 못해, 완성된 것은 흡수성이 있어, 취사에는 부적합했습니다.
• 거기서 나타난 것이 도자기입니다. 불을 둘러싸는 방법이 발견되어, 통가마라는 환원염 소성로로, 섭씨 1200도까지의 고온 소성이 가능해졌습니다. 이 때문에, 도자기는 토기보다도 한층 더 단단하고, 유약이 입혀졌기 때문에 내수성도 향상되고, 아름다움이라는 면에서도 발전했습니다. 일본의 도자기는 백제의 도공이 가져온 기술에 의해 생산되었습니다.

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• 석기는 도기와 자기의 중간에 속한다고 할 수 있습니다. 대형 가마에서, 섭씨 1200~1300도의 고온에서 구워졌기 때문에, 흡수성이 없고, 단단하게 구워진 반자기 제품이 완성되었습니다. 일반적으로는 유약은 사용되지 않습니다만, 장식을 위해 이용하는 경우도 있습니다. 일본에서는 가마쿠라, 무로마치 시대부터 아즈치 모모야마 시대에 걸쳐, 6대 고요지를 비롯한 각지의 가마에서 왕성하게 생산되었습니다.

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• 자기는, 노보리 가마에서 섭씨 1300~1400도의 고온에서 구워지며, 그 소지(흙)는 희고 섬세합니다. 흡수성은 없고 투명도도 높고, 단단함은 도기나 석기 이상입니다. 응용범위가 넓은 자기의 출현으로, 도자기는 용기로서의 완성된 영역을 맞이했습니다.
  당초, 중국에서 태어난 자기는, 서양에 큰 영향을 끼치고 일본에서도 에도시대 초기 한반도에서 도래한 사람들에 의해 아리타 지역에서 생산을 시작했습니다. 그리고 중국의 명이 멸망하자, 일본의 자기는 중국을 대신해 「이마리야키」로서 서양에 대량으로 수출하게 되었습니다.

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• 파인세라믹스에는 다양한 원료가 있습니다. 구성하는 원소에 따라 산화물계와 비산화물계로 나눌 수 있는데, 산화물계 세라믹스는 파인 세라믹스 중에서도 비교적 일찍부터 제품개발이 진행되어 전자공업분야, 산업분야에 폭넓게 이용되고 있습니다. 또한 비산화물계의 질화규소나 탄화규소는 엔지니어링 세라믹스로서의 제품화가 진행되어 온 것으로, 고온에서의 충격이나 마모에 강하기 때문에, 특히 구조용 파인 세라믹스로서 사용되고 있습니다.

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• 파인 세라믹스의 제조공정 중에서 중요한 부분으로서, 성형가공이 있습니다. 성형가공에서는, 소성과정에 있어서의 수축과 그에 따른 치수정밀도 등을 계산에 넣으면서 성형하는 매우 고도의 기술이 필요합니다.
  즉, 이 공정에서는, 재질적으로 균일하고, 밀도가 부분적으로 틀리지 않는 대단히 정밀한 성형체를 어떻게 만들지가 중요해집니다.
• 성형에는 가소성을 갖게 한 원료를 소정의 단면 형상을 가진 채로 밀어내서 모양을 만드는 「압출 성형」, 금형에 분말을 충전하고, 상하 펀치로 압력을 가하는 「프레스 성형」, 열가소성 플라스틱을 원료에 더해 가열하면서 금형 안에 사출하여 모양을 만드는 「사출 성형」, 원료를, 종이처럼 얇게 성형하는 「테이프 성형」이 있습니다.
• 또한 용도에 따라서, 단단한 파인 세라믹스를 더욱 연마나 연삭을 하여 정밀하게 가공해 가는 기술이나, 세라믹스의 표면에 금속층을 만드는 메탈라이즈 가공을 함으로써 파인 세라믹스의 응용범위를 크게 넓혀 왔습니다.
• 다결정으로서의 제품 이외에, 파인 세라믹스를 일단 녹이고, 다시 결정시켜, 단결정으로서 사용하는 제품도 있습니다. 또, 두께가 수 미크론인 얇은 막 층을 기판 위에 만들어 사용하는 파인 세라믹스도 용도가 확산되어 가고 있습니다.

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• 처음에는, 고순도의 원료를 용도에 알맞은 성분비로 「조합, 분쇄, 혼합」하는 공정입니다. 장치에는, 볼 밀이나 진동 밀 등이 이용됩니다. 슬러리 상태로 된 원료는 「스프레이 드라이어」로 보내집니다.
• 스프레이 드라이어에는, 『원심 회전형』과 『가압 노즐형』이라는 종류가 있습니다. 모형은, 가압 노즐형으로, 슬러리 원료에 압력을 가하고, 노즐에서 분출시켜 분무 상태로 만들고, 이 분무에 가열한 공기를 보내, 순간적으로 수분을 증발시켜 건조하는 방법입니다.
• 「성형」공정의 종류에는, 러버 프레스, 프레스 성형, 압출 성형, 사출 성형, 테이프 성형이 있습니다.
• 「소성」에서는, 제품의 목적에 따라 소성 조건이 결정됩니다.
  소성의 조건으로서는, 「온도」, 「시간」, 「분위기」의 3항목을 들 수 있습니다.
• 소성로의 종류에는, 단독 소성로, 터널 소성로, 환원 분위기 소성로, 핫 프레스, 진공 소성로, HIP(힙), 가압 분위기 소성로 등이 있습니다.
  「핫 프레스」는, 성형과 소성을 한 공정으로 한 것으로 압력을 가하면서 소성을 합니다.
• 소성 후, 필요에 따라, 정밀하게 연삭, 연마가공을 합니다.
• 연마 가공법의 대부분은, 단단한 것을 사용하여, 문질러 연마해 갑니다. 래핑 법과 더 입자가 고운 지립을 사용하는 폴리싱 법이 있습니다.
• 그 후, 제품의 특성, 용도에 따라 초음파 가공, 레이저 가공, 와이어 폴리싱 가공 등이 진행됩니다.
  또, 세라믹 표면에 금속층을 만드는 메탈라이즈 가공과 용도에 따라 다양한 접합, 접착을 하여 금속과의 조합을 하는 경우도 있습니다.
• 그리고, 요구되는 성능, 기능에 대해서, 신뢰성 테스트나 검사를 하여 완성합니다.

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• 여기에서는 파인 세라믹스가 가진 기계적 특성, 전기적 특성, 열적 특성이나 생화학 특성 등을 영상으로 이해하기 쉽게 해설함과 함께, 실제로 파인 세라믹스의 특성을 체감할 수 있는 동작 모델을 만져 보며, 다양한 특성을 배울 수 있게 되어 있습니다.
  꼭 한번 동작 모델을 만져 보시고, 파인 세라믹스의 단단함이나 비중 등을 체감해 보십시오.

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• 「U자 켈시마」는 TV 브라운관의 전자총용 세라믹 부품으로 사용되었던 것입니다. 2년 후인 1961년에는, 같은 용도로 재료를 바꿔, 「멀티 폼 글라스」로서 제품화되어, 오랫동안 사용되었습니다. 그 후, 알루미나 세라믹스를 재료로 한 제품을 개발. 알루미나 세라믹스는 각 특성이 매우 우수하기 때문에, 그 응용에 대해서 많은 연구가 진행되었습니다. 대표적인 것으로서, 1960년에 통신기기, 전자계산기 등에 사용된 마이크로모듈 기판이 있습니다.
• 마이크로모듈 기판에는, 그 후, 표면에 메탈라이즈 가공을 합니다만, 이 메탈라이즈 가공은, 세라믹스와 금속을 접합하는 가공으로, 전자부품이나 산업기계용 부품으로의 세라믹스 응용범위를 비약적으로 넓혀 간 기술이 되었습니다.

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• 당시 미국에서 개발된 실리콘 트랜지스터를 절연하기 위해서, 그 베이스에 채용된 것이 트랜지스터·비즈입니다.
  파인 세라믹스는 가공이 어려운 재료입니다만, 내열성, 절연성, 기밀성 같은 점에서 우수하였기에 1,000만 개, 2,000만 개의 대량 발주로 결부되었습니다.
  이 제품으로 반도체와 파인 세라믹의 관계가 시작되었습니다.

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• IBM의 대형 범용 컴퓨터의 심장부인 집적회로의 기판으로서 채용된 것이 교세라의 하이브리드 IC 기판입니다.
  해외의 친숙한 강호를 밀어내고, IBM으로부터 수주를 받은 개수가 2,500만개. 받은 주문의 규격은 대단히 난이도가 높은 것이었습니다만, 이 제품의 성공으로 IBM 이외의 대기업 메이커에서도 주문이 날아 들어와 회사 발전의 원동력이 되었습니다.

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• 트랜지스터나 다이오드를 몇 개라도 동일 실리콘 기판 위에 만드는 집적회로인 「IC」라는 콘셉트가 제창되어, 그 IC를 보호하여 기능시키는 용기를 개발한 것이, 1967년의 CerDIP(써딥), 1970년의 파인 세라믹 다층 패키지입니다. 파인 세라믹 다층 패키지를 개발하기 위해서는, 그때까지의 파인 세라믹 기술을 브레이크 슬루 한 많은 혁신적인 기술이 필요했습니다.
• 얼핏 보면 파인 세라믹스 1장의 판으로 보입니다만, 실은 이 파인 세라믹스는 몇 층이나 적층 되어 있고, 각각의 사이에는 도체로 회로가 인쇄되어 있습니다.
  파인 세라믹스와 금속을 겹쳐서 함께 구워 굳히는 것은, 금속이 타거나 벗겨지거나, 휘어짐이 발생하기 쉬운 대단히 어려운 기술입니다만, 재료와 소성방법에 연구를 거듭한 끝에 만들어 낼 수 있었습니다. 이 파인 세라믹 다층 패키지의 개발을 위해 새롭게 만들어진 신기술의 하나인, 테이프 적층기술은, 적층 세라믹 콘덴서나 세라믹 히터의 제조에도 응용되고 있습니다.

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• 강철이나 주철의 절삭 시에 필요한, 고온에도 강도나 경도가 저하되지 않고, 고속 절삭이 가능한 세라믹 공구는, 종래의 공구와 비교하여, 비약적인 성능을 발휘했습니다.
  더욱이 1976년에 개발한 파인 세라믹과 메탈의 복합재료인 서멧은, 높은 온도에 견디며, 단단하고, 더구나 금속의 특징인 인성을 가지고 있어, 세라믹스의 깨지기 쉬운 성질을 개선한 것입니다. 그 재료를 사용한 「세라 팁 N」에서 시작되어, 그 후 많은 신제품을 개발하여, 세라믹 공구의 적용범위는 크게 넓어져 갔습니다.

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• 파인 세라믹으로 기른 결정의 기술을 살려서 1974년부터 재결정 보석의 육성사업을 스타트합니다. 교세라의 재결정 보석 에메랄드는 독자적인 기술에 의해, 천연 에메랄드와 동일한 물질을 장기간에 걸쳐 정성껏 재결정시킨 보석입니다.
  바꿔 말하면 보석이 생기는 자연환경을 과학의 힘으로 재현하여, 결정을 육성, 성장시킨 것으로 「재결정 보석」이라고 불리고 있습니다.

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• 파인 세라믹스가 가지는 뛰어난 생체 적합성에 착안한 의학계로부터의 요청에 의해 스타트한 것이 의료용 파인 세라믹 사업입니다. 당초 파인 세라믹스제 인공치근 개발에 착수하고, 그 후 인공뼈, 인공관절 개발에 착수했습니다. 1978년부터 바이오 세럼이라는 상표로 판매를 시작하여, 1980년대 후반부터 1990년대에 걸쳐, 무릎·팔꿈치·어깨·발 등의 인공관절을 차례차례로 개발했습니다.

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• 1984년에는, 파인 세라믹 가위, 이어서 부엌칼을 개발했습니다.
  이 제품에는 인성이 높은 지르코니아를 사용하였습니다. 이 무렵부터, 우리들의 주변에 있는 가위, 볼펜, 시계 케이스 등에 파인 세라믹이 사용되어, 용도가 확대되어 갔습니다.
  현재에는 슬라이서나 필러 등 키친 용품에도 사용되고 있습니다.

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• 1981년, 그때까지의 연구 성과로서 질화규소 재료의 제품개발이 있습니다.
• 고온에서도 강도가 열화 되기 어렵고, 충격 등에 강한 질화규소 재료를 사용한 가스터빈 엔진으로의 응용으로서 연소기, 스크롤, 슈라우드 등을 세라믹화하여 테스트 운전이 시작되었습니다. 동 시기에는, 디젤 엔진의 세라믹화 연구도 시작되어, 1981년 글로 플러그, 1983년 핫 플러그의 제품화에 성공했습니다.
• 여기에 전시되어 있는 것은 피스톤과 실린더 등을 파인 세라믹스로 만든 올 세라믹 엔진으로, 실제로 자동차에 탑재하여 테스트 주행을 하였습니다.
• 파인 세라믹스의 장점을 가장 잘 살릴 수 있는 엔진이 가스터빈 엔진입니다. 금속제에 비해 연료 소비 효율이 뛰어나, 배기가스가 보다 청정되는 이점이 있어, 지구환경보호에 공헌할 수 있는 제품의 하나로 되어 있습니다.

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• 현대사회를 지탱하는 컴퓨터나 인터넷, 모바일 통신도 모두 반도체 없이는 움직이지 않습니다. 현대의 고도 정보화 사회는 반도체 기술에 의해 유지되고 있습니다.
  반도체 산업은, 불과 반세기도 채 안 되는 사이에 인류의 라이프 스타일을 뒤바꿀 만큼 일대 산업혁명을 완수한 것입니다.
  다양한 반도체를 보호하고, 그 성능을 끌어내는 파인 세라믹 패키지의 개발·공급을 통해 당사는 반도체 산업의 발전을 계속해서 유지해 왔습니다.
  여기서는 미국의 실리콘 밸리에서 시작된 반도체 산업의 역사를 되돌아보면서, 교세라의 파인 세라믹스 패키지가 수행해 온 역할에 대해서 보실 수 있습니다.

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• 볼 밀에 의해 슬러리 상태로 만든 원료를, 테이프 상태의 그린 시트로 합니다.
• 그린 시트를 가공하기 쉬운 크기로 절단하여, 컴퓨터 제어로 스루홀이라고 불리는 미크론 단위의 미세한 구멍을 차례로 뚫습니다.
• 그 다음에, 입체 배선을 위해, 스루홀 내에 금속 페이스트를 채웁니다.
• 각각의 그린 시트에 스크린 인쇄로 다른 회로를 인쇄합니다.
• 인쇄한 시트를 몇 층 겹치게 합니다. 이 다층구조에 의한 적층 기술이 세라믹 다층 패키지의 최대 특징입니다.
• 다음으로, 적층 한 시트를, 하나하나 제품으로 절단합니다.
• 환원 분위기 소성로로, 대략 1600도의 고온으로 장시간 구워 굳힙니다. 소성된 패키지는, 소성 전과 비교하면, 체적이 약 3분의 2 정도로 수축되어 있습니다.
• 이 패키지에 경납땜을 위한, 니켈 도금을 합니다.
• 다음에 세라믹 다층 패키지에, 전기신호를 주고받는 금속 핀을 부착합니다.
• 니켈 도금, 그 위에 금도금을 한 뒤, 세정을 합니다.
• 마지막으로, 진동 테스트나 신뢰성시험을 하여, 제품이 완성됩니다.

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• 1975년부터 연구를 진행하고 있는 태양전지 개발 과정에서 어모퍼스 실리콘을 연구하여, 그것을 감광 드럼에 응용해 갔습니다. 이 감광 드럼은, 프린터의 심장부에 장착되어, 드럼의 내구수명이 극히 길기 때문에, 드럼 교환이 불필요하여, 친환경적이고, 또한, 러닝 코스트가 매우 저렴한 프린터로서, 전 세계의 많은 제품에 사용되고 있습니다.
• 박막 프로세스를 응용 발전시켜, 서멀 프린트 헤드, LED 프린트 헤드, 이미지 센서, STN 액정 표시판, 광디스크 등의 정보기기 입출력 디바이스로서의 제품개발이 진행되었습니다.

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• 휴대전화나 PHS 등 이동체 통신의 마켓이 눈부시게 확대되어 가서, 휴대전화 단말에 사용되는 전자부품은, 종래의 개발 스피드에 더해서, 소형, 박형화, 표면실장 화가 급속도로 진행되어 갔습니다.
• 1990년 이후에는, 기기의 심장부에 해당하는 전압 제어용 발진기(VCO), 온도 보상형 수정발진기(TCXO), 유전체 필터, SAW 필터 등의 소형화 부품을 개발. 이 소형화를 위해서 세라믹 회로 기판에서는 고밀도 배선, 고밀도 실장 기술이 더욱 발전되어 갔습니다.

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• 자동차의 전자제어화가 진행됨과 동시에, 자동차용 파인 세라믹 부품의 수요가 늘어났습니다. 이전부터 사용되던 글로 플러그나 히터 등의 엔진부품에 더해, 전자제어 유닛(ECU)에 사용되는 기반과 패키지, 콘덴서 등의 전자부품과 모터용 파워 모듈 기판 등에도 용도가 확대되어 갔습니다. 이 상품은 파인 세라믹 기판에 각종 전자부품을 탑재한 ECU 모듈입니다.

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• 교세라의 원점인 파인 세라믹스는, 지구환경보호에 공헌하는 이콜러지컬 한 소재로서도 주목받고 있습니다.
  파인 세라믹스를 응용한 적층형 피에조 소자는, 자동차 디젤 엔진에 사용되어, 연료 분사를 정밀하게 컨트롤함으로써 낭비 없이, 또한 배기가스에 포함된 유해 물질을 최소한으로 억제하는데 도움이 되고 있습니다.

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• 패션 업계에서는 최신 유행을 받아들이면서 짧은 사이클로 판매하는 패스트패션의 유행에 의해, 판을 필요로 하지 않고 천에 인쇄하는 날염 인쇄의 수요가 높아지고 있습니다.
  종래부터 세계 최고속의 잉크젯 헤드를 양산화하던 교세라는 더욱 연구하여, 2012년에 고해상도로 2색 동시 인쇄가 가능한 헤드를 개발했습니다.
  이 제품에 의해 헤드수나 부품 점수의 삭감을 실현하고, 기기의 소형화에 기여함과 동시에, 종래의 인쇄방법으로 생겨나던 폐용액도 억제하여 환경부하 저감이라는 측면에서도 주목을 모으고 있습니다.

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• 2013년, 파인 세라믹스의 독자기술을 바탕으로 개발한 피에조 소자와 수지 필름을 조합시킨 세계 최박 피에조 필름 스피커를 개발했습니다.
  피에조 소자란, 전기를 가하면 휘거나 진동이 발생하는 파인 세라믹스의 특성을 응용한 것으로, 진동을 정밀하게 제어함으로써 소리를 발생시키고 있습니다.
  이 스피커는 종래의 전자식 스피커와 비교하여, 얇고 가벼울 뿐만 아니라 소리의 지향성이 넓고, 응답속도도 빠르기 때문에 현장감 넘치는 높은 음질의 실현이 가능해졌습니다.

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• 파인 세라믹스는 고강도, 기밀성, 내식성, 내열성 등에 뛰어난 부품입니다. 파인 세라믹스 기술은, 2010년 무사히 지구로 돌아와, 우주연구에 있어서의 새로운 첫걸음을 기록한 소행성 탐사기 「하야부사」의 리튬이온 전지 단자나, 일본이 자랑하는 슈퍼컴퓨터 「쿄」의 세라믹 패키지, 1만 1,000m의 심해에서 지진관측 현장을 지탱하는 내압용기 등 극한의 세계에서 다양하게 활약하고 있습니다.

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