JP2020152630A - 低い誘電損失を有する誘電体の製造方法及びそれによって製造される誘電体 - Google Patents
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Abstract
【課題】低い誘電損失を有する誘電体の製造方法及びそれによって製造される誘電体を提供する。【解決手段】本発明は、温度による誘電特性の変動が狭く、周波数による誘電特性が不変であって、低い誘電損失を有する低誘電損失の周波数不変の誘電体を製造することができる誘電体の製造方法及びそれによって製造される誘電体に関するものである。【選択図】図１
Description
本発明は、低い誘電損失を有する誘電体の製造方法及びそれによって製造される誘電体に関する。
誘電体は、電界を印加した時、内部に分極が発生する物質であって、一般的に、電源ライン電圧を一時的に保持するために、電気を蓄積する役割を行うか、前端回路での直流バイアス電圧を除去し、交流信号電圧のみ後端回路に伝達する役割を行うキャパシタとして用いられ、主に電子機器に使われる。
一般的に、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＥＩＡ）規格によれば、誘電体の材料によって、セラミックキャパシタは、Ｃｌａｓｓ ＩとＣｌａｓｓ ＩＩとに分けられる。Ｃｌａｓｓ Ｉは、温度補償用であって、誘電定数は低いが、誘電損失も低く、よく温度及び電圧による容量変化率が小さく、一定レベルまでの周波数でも安定した特性を示す。Ｃｌａｓｓ ＩＩは、温度及び電圧による容量変化率が大きく、誘電損失が大きいが、誘電定数が大きいという特徴を有している。
最近、電子機器が小型化及び軽量化、集積化の趨勢が飛躍的に大きくなることによって、実装密度の向上のために、小型化されたキャパシタの必要が増加し、このために、一般的に高い誘電率のチタン酸バリウムを基盤とした誘電体が研究されている。しかし、チタン酸バリウムは、それ自体としては温度による容量の変化率が大きく、誘電損失が比較的高く、周波数による緩和効果によって、周波数による誘電率安定性が低いという問題点がある。
一般的に、温度による誘電定数の変動を減らすために、チタン酸バリウム以外の酸化物系の添加剤を共に混合するか、初期粒子生成段階で優先的に粒子をコーティングする式でコアシェル構造を形成させるか、高分子有機物質をチタン酸バリウム粒子に連結する方法のような研究が行われている。
誘電体は、電界が印加されれば、交流周波数に合わせて双極子モーメントを配列する。ここで、効率的な誘電体は、熱形態のエネルギー損失を最小化とし、電界エネルギーを双極子配列に寄与することができる誘電体であると言える。そのためには、誘電体が可能な限り低い誘電損失を有すると高い効率を示すことができる。
誘電体は、周波数による誘電緩和効果によって、周波数によって大幅の誘電定数の変動を示す。高周波数帯でも安定した誘電特性を必要とする技術及び電子機器では、このような必要を合わせるために、周波数に無関係に表われる一定の誘電定数の特性を示す誘電体が必要になっている。
本発明は、前述した問題点を解決するためのものであって、低い誘電損失を有する誘電体を製造することができる誘電体の製造方法を提供することである。
より詳細には、温度による誘電特性の変動が狭く、周波数による誘電特性が不変であって、低い誘電損失を有する低誘電損失の周波数不変の誘電体を製造することができる誘電体の製造方法を提供することである。
さらに、それによって製造される誘電体を提供することである。
前記目的を果たすために、本発明は、チタン酸バリウム（Ｂａｒｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ、ＢａＴｉＯ３）の焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物を製造する段階；チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物とを混合して、下記式１を満足する混合物を得る段階；及び混合物をＡＢＯ３酸化物の融点以上の温度で焼結する段階；を含み、前記焼結する段階で、ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に流入されて分布されることを特徴とする誘電体の製造方法を提供する：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。
また、本発明は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）とＡＢＯ３酸化物とを含み、下記式１を満足し、前記ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に非定型性に分布されていることを特徴とする誘電体を提供する：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。
本発明の誘電体の製造方法によって製造される誘電体は、チタン酸バリウムと前記チタン酸バリウムの焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物とを混合して作った誘電体であって、高い比誘電率と低い誘電損失とを示し、温度変化による低い誘電率の変化幅を有しうる。
また、常温比抵抗の場合、１Ｅ１１ Ｏｈｍ−ｃｍから最大１Ｅ１３ Ｏｈｍ−ｃｍ以上を有し、高温領域では、１３５〜１４０℃までＴＣＣ±１５％未満の特性を示すことができる。
さらに、本発明による誘電体は、高い絶縁比抵抗及び優れた温度安定性を有しており、高い温度安定性が要求されるＩＴ製品の受動素子などに適用可能である。
本発明は、多様な変更を加えることができ、さまざまな実施例を有することができるので、特定実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳細に説明する。
しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる、あらゆる変更、均等物または代替物を含むものと理解しなければならない。本発明を説明するに当って、関連した公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
本明細書で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使われたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上、取り立てて明示しない限り、複数の表現を含む。
本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在、または付加の可能性あらかじめ排除しないものと理解しなければならない。
本発明は、誘電損失を有する誘電体を製造することができる誘電体の製造方法及びそれによって製造される誘電体に関するものである。
特に、本発明による誘電体は、チタン酸バリウムと前記チタン酸バリウムの焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物とを混合して作った誘電体であって、高い比誘電率と低い誘電損失とを示し、温度変化による低い誘電率の変化幅を有しうる。また、常温比抵抗の場合、１Ｅ１１ Ｏｈｍ−ｃｍから最大１Ｅ１３ Ｏｈｍ−ｃｍ以上を有し、高温領域では、１３５〜１４０℃までＴＣＣ±１５％未満の特性を示すことができる。
さらに、本発明による誘電体は、高い絶縁比抵抗及び優れた温度安定性を有しており、高い温度安定性が要求されるＩＴ製品の受動素子などに適用可能であるという利点がある。
以下、本発明を詳しく説明する。
図１及び図２は、本発明の実施例による誘電体の製造方法を説明するフローチャートである。図１と図２とを参照して、本発明による誘電体の製造方法を詳しく説明する。
本発明による誘電体の製造方法は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物を製造する段階（ステップＳ１１０）；チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物とを混合して、下記式１を満足する混合物を得る段階（ステップＳ１２０）；及び混合物をＡＢＯ３酸化物の融点以上の温度で焼結する段階（ステップＳ１３０）；を含み、前記焼結する段階で、ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に流入されて分布されることを特徴とする誘電体の製造方法を提供する：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。
まず、Ｓ１１０段階を説明する。チタン酸バリウム（粉末）の焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物を得る段階である。ＡＢＯ３酸化物は、ＡＢＯ３構造の酸化物を意味するものであって、特定の態様としてＡＢＯ３の分子式を有するペロブスカイト構造を有しており、例えば、強誘電体物質を意味する。それを得るためには、Ａ及びＢに該当する原料粉末を適当な比で秤量、湿式ミリング、乾燥、粉砕及び篩い分けを行った後、か焼して合成する。ここで、前記ＡＢＯ３酸化物の融点は、前記チタン酸バリウムの焼成温度よりも低くなければならない。
具体的に、ＡＢＯ３酸化物は、ＡａＢｂＯ３類型の分子式が誘導され、Ａは、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される１つ以上の元素で構成され、Ｂは、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１つ以上の元素で構成することができる。また、ａは、０．１〜１であり、ｂは、０．１〜１であり得る。
より具体的に、ＡＢＯ３酸化物は、ＡａＡ’（１−ａ）ＢｂＢ’（１−ｂ）Ｏ３類型の分子式が誘導され、Ａ、Ａ’は、それぞれリチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される何れか１つの元素で構成され、Ｂ、Ｂ’は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される何れか１つの元素で構成することができる。また、ａは、０．１〜１であり、ｂは、０．１〜１であり得る。
前記ＡＢＯ３酸化物は、ＡＢＯ３構造の酸化物を意味するものであって、例えば、強誘電体物質であり、強誘電体（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）物質は、自発的な電気分極を有し、その自発的分極が電場によって方向を反転することができる結晶を意味する。一具現例として、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３、及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３からなる群から選択される１つ以上であり、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３またはＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり得る。
図３は、本発明の実施例によるチタン酸バリウム及びＡＢＯ３酸化物粉末の粒子サイズを示す走査電子顕微鏡のイメージである（（ａ）ＢａＴｉＯ３、（ｂ）Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、（ｃ）ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３、（ｄ）ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３）。
特に、本発明の一実施例によるＡＢＯ３酸化物２００として使われるＫ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３は、それぞれＫ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５とＫ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５及びＡｇ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のような原料粉末を固相合成法でか焼して製造することができる。以下、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３をそれぞれＫＮＮ、ＫＮＴ及びＡＮＴと表記する。
一例として、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３混合粉末である場合、８５０〜１０００℃の範囲でか焼して製造することができる。また、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３混合粉末である場合、８５０〜９５０℃でか焼することができる。また、ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）混合粉末である場合、９００〜１０００℃で進行しうる。
Ｓ１２０段階は、チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物とを混合して混合物を得る段階である。
この際、前記混合物は、下記式１を満足することを特徴とする：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。
具体的に、前記式１において、ｘは、ＡＢＯ３酸化物のｍｏｌ比を示すものであって、ｘは、０．０１〜０．３０範囲であり、０．０３〜０．２０範囲であり、または０．０５〜０．１５範囲であり得る。
特定の態様として、前記ｘ値が０．０５未満である場合、ＡＢＯ３酸化物の量がチタン酸バリウムよりも相対的に過度に少なくあって、粒界に均質に流入されるのに不足であって、誘電定数が周波数によって変化することができる。また、大きな値の誘電損失値を示すことができる。また、ｘ値が０．１５を超過する場合、か焼過程で、ＡＢＯ３酸化物の分布が、粒界ではない結晶粒への流入で固溶体を形成し、これは、非常に低い値の誘電定数を示すことができる。したがって、ｘは、０．０５〜０．１５範囲が望ましい。
より具体的に、混合物は、下記式２を満足することができる。
［式２］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
前記式２において、Ａは、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される１つ以上であり、Ｂは、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１つ以上であり、ｘは、０．０５〜０．１５であり、ａは、０．１〜１であり、ｂは、０．１〜１である。
前記混合物を得る段階で、混合物の混合時に、チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物とが相互間に均一に分布するようにして、誘電体製造時に、融点以上の温度でＡＢＯ３酸化物が液状にチタン酸バリウムの粒界に均質に浸透して粒界の形成を可能にする。
一方、前記混合物を得る段階（ステップＳ１２０）は、チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物との混合物にＳｉＯ２を添加する段階（ステップＳ１２０’）をさらに含みうる。
より具体的に、混合物に添加されるＳｉＯ２の含量は、チタン酸バリウム重量に対して、２０重量％以下であり、１０重量％以下であり、５重量％以下、３重量％以下であり、一具現例として、誘電体全体重量に対して、０．５〜２重量％をさらに含みうる。ＳｉＯ２の添加比率は、全体混合物の重量を基準にするものではない、前記混合されるチタン酸バリウムの重量を基準にする。
特定の態様として、前記ＳｉＯ２の含量がチタン酸バリウムの全体重量基準に１０重量％を超過する場合、誘電定数が非正常に減少し、０．５重量部未満である場合、焼結性が低下する。さらに、前記ＳｉＯ２は、焼結温度を低下させるので、後述する焼結する段階で焼結を促進させる役割ができる。
Ｓ１３０段階は、前記混合物または前記ＳｉＯ２が添加された混合物を前記ＡＢＯ３酸化物２００の融点以上の温度で焼結する段階である。ＡＢＯ３酸化物２００の融点以上の温度で焼結時に、ＡＢＯ３酸化物２００が溶融されて液化状態でチタン酸バリウム１００の粒子の間に均一に分布する。焼結温度は、チタン酸バリウム１００の融点の７０〜９０％程度が望ましいが、これに制限されるものではない。より詳細には、焼結温度がＡＢＯ３酸化物２００の融点を経ながらＡＢＯ３酸化物２００の相が固相から液相になり、粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に流入される。この際、チタン酸バリウム１００の粒子成長（ｇｒａｉｎ ｇｒｏｗｔｈ）と緻密化（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）とが活発に起こると共に、粒界には、液相状態のＡＢＯ３酸化物２００が流入されて分布される。これにより、本発明による誘電体は、ＡＢＯ３酸化物２００がチタン酸バリウム１００の粒界に非定型性に分布される。
前記焼結する段階は、Ｎ２雰囲気で行われ、特定の態様として、酸素がない雰囲気で行われる。具体的に、前記焼結する段階は、９００〜１３００℃の温度で行い、１１００〜１３００℃の温度で行い、１２００〜１３００℃の温度で行うことができる。望ましくは、１２００〜１３００℃の温度範囲が適切であり、その未満の温度では、誘電体試片の焼成が不完全に進行して、誘電特性及び絶縁抵抗が確実に低くなる。例えば、焼結する段階は、Ｎ２雰囲気及び常圧で平均１２５０℃の温度で１時間熱処理することができる。
また、本発明は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）とＡＢＯ３酸化物とを含み、下記式１を満足し、前記ＡＢＯ３酸化物がチタン酸バリウムの粒界に分布されていることを特徴とする誘電体を提供する：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。
具体的に、前記式１において、ｘは、ＡＢＯ３酸化物のｍｏｌ比を示すものであって、ｘは、０．０１〜０．３０範囲であり、０．０３〜０．２０範囲であり、または０．０５〜０．１５範囲であり得る。
具体的に、前記式１において、ＡＢＯ３酸化物Ａは、１＋ｖａｌｅｎｃｅの元素であり、Ｂは、５＋の元素であり得る。本発明による誘電体は、融点が低いＡＢＯ３酸化物を添加し、ＡＢＯ３酸化物の融点以上で混合物を熱処理し、以後、常温に温度を下げて、固相に変わうる。添加したＡＢＯ３酸化物がチタン酸バリウムの粒界に流入されて、優れた絶縁比抵抗を有し、低い誘電損失と周波数とによって一定の値の比誘電率の保持及び高い温度安定性を有しうる。
より具体的に、誘電体のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）とＡＢＯ３酸化物は、下記式２を満足することができる。
［式２］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
前記式２において、Ａは、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される１つ以上であり、Ｂは、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１つ以上であり、ｘは、０．０５〜０．１５であり、ａは、０．１〜１であり、ｂは、０．１〜１である。
例えば、前記ＡＢＯ３酸化物は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３またはＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり得る。
図４は、本発明の実施例によって製造された誘電体の微細構造を概略的に示す図面である。図４を参照すれば、ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に非定型性に分布されていることを確認することができる。
ここで、「非定型性」とは、一定の形式やフレームに合わせられていない性質を意味する。すなわち、前記誘電体は、チタン酸バリウムの粒界に一定しないように前記ＡＢＯ３酸化物が分散されている。
前記誘電体は、周波数領域に関係なく誘電損失値が０〜３％保持され、比誘電率の変化幅が２０％以下に保持される。
１つの例として、ＡＢＯ３酸化物は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３であり、この際、前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が５００〜１４００であり得る。
また、前記ＡＢＯ３酸化物は、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり、前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が４００〜１１００であり得る。
また、ＡＢＯ３酸化物は、ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり、前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が６００〜１２００であり得る。
さらに、誘電体の平均粒子サイズが、０．１〜１μｍであり得る。
このような誘電体は、常温比誘電率の基準に±１５％以内の値を常温で１３５℃以上の温度まで保持し、誘電損失の場合、常温で２００℃以上の温度まで１％内外またはそれ以下の値を保持する。
以下、本発明を実施例及び実験例によってより詳しく説明する。
但し、下記の実施例及び実験例は、本発明を例示するものであり、本発明の内容が、下記の実施例及び実験例に限定されるものではない。
実施例１．ＢａＴｉＯ３−ＫＮＮ誘電体の製造
Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）の合成
Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）を合成するために使われた出発原料は、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５である。出発原料粉末を適当な比率に合わせて秤量を行った後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）の合成
Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）を合成するために使われた出発原料は、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５である。出発原料粉末を適当な比率に合わせて秤量を行った後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
ボールミリングが完了した原料粉末が混合された溶液をホットプレート上でスラリー状態まで乾燥を進行した。残っている溶媒を除去するために、８０℃以上のオーブンを用いて完全乾燥した。
そして、前記乾燥された粉末をメノー乳鉢を用いて粉砕した後、７５μｍの篩を用いて篩い分けを進行した。
前記篩い分けが完了したＫ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）原料混合粉末は、１０００℃で１０時間ボックス状の電気炉を用いてか焼した。このように製造したＫ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）は、図3の（ｂ）に示した。
ＢａＴｉＯ３−ＫＮＮ誘電体の製造
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＮ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＮ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
主成分であるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）は、粒子のサイズが平均１００ｎｍである粉末を使用した（図3の（ａ））。
チタン酸バリウム粉末に前記Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）粉末を混合し、前記混合した粉末にＳｉＯ２を添加した。一方、ＳｉＯ２は、焼結温度を低下させるので、焼結を促進する役割として用いられうる。
具体的なチタン酸バリウム、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）及びＳｉＯ２のｍｏｌ比は、下記表１に示した。
前記混合した粉末は、高純度エタノールを溶媒として使用して、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと２４時間湿式ミリングを進行した。以後は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３（ＫＮＮ）製造時に、同じ方法で、乾燥、粉砕及び篩い掛けを進行した。
次いで、ディスク状のペレットサンプルの製作のために、直径１０ｍｍの金属モールドを用いて混合された粉末を加圧成形した。以後、２００ＭＰａの圧力で１０分間冷間等圧加圧法を利用した。焼結以前に高い圧力での等圧加圧によって誘電体サンプルの密度を高めうる。
以後、ディスク状に成形されたサンプルは、垂直加熱炉を用いて窒素雰囲気で約１２５０℃の温度で約２時間焼成して誘電体（ＢａＴｉＯ３−ＫＮＮ）を製造した。
実施例２．ＢａＴｉＯ３−ＫＮＴ誘電体の製造
ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）の合成
ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）を合成するために使われた出発原料は、Ｋ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５である。このような原料粉末を適当な比率に合わせて秤量を行った後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）の合成
ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）を合成するために使われた出発原料は、Ｋ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５である。このような原料粉末を適当な比率に合わせて秤量を行った後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
そして、実施例１と同じ方法で乾燥し、篩い分けを進行した。
前記篩い分けが完了したＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）原料混合粉末は、９５０℃で１２時間ボックス状の電気炉を用いてか焼した。
このように製造したＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）は、図3の（ｃ）に示した。
ＢａＴｉＯ３−ＫＮＴ誘電体の製造
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＴ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＴ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
主成分であるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）は、望ましい数百ナノサイズに合わせて平均粒子が１００ｎｍのサイズを有する粉末を使用した。
チタン酸バリウム粉末に前記ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＫＮＴ）粉末を混合したものを除いては、実施例１と同じ方法で誘電体（ＢａＴｉＯ３−ＫＮＴ）を製造した。
具体的なチタン酸バリウム、ＫＮＴ及びＳｉＯ２のｍｏｌ比は、下記表２に示した。
実施例３．ＢａＴｉＯ３−ｘＡＮＴの製造
ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）の合成
ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）を合成するために使われた出発原料は、Ａｇ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５である。原料粉末のうち、Ａｇの還元による析出を防止するために、Ｎｂ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ５を優先的に混合して大気条件で１２００℃で１２時間熱処理した。以後、熱処理された粉末にＡｇの原料粉末を秤量した後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）の合成
ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）を合成するために使われた出発原料は、Ａｇ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５である。原料粉末のうち、Ａｇの還元による析出を防止するために、Ｎｂ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ５を優先的に混合して大気条件で１２００℃で１２時間熱処理した。以後、熱処理された粉末にＡｇの原料粉末を秤量した後、混合及び分散の媒体としてジルコニアボールと共に高純度エタノール溶媒を用いて２４時間湿式ミリングを進行した。
そして、実施例１と同じ方法で乾燥し、篩い分けを進行した。
前記篩い分けが完了したＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）原料混合粉末は、９７０℃で１０時間垂直加熱炉を用いてか焼した。
このように製造したＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）は、図3の（d）に示した。
ＢａＴｉＯ３−ＡＮＴの製造
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＮＴ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＮＴ＋ｙｗｔ％ＳｉＯ２（ここで、前記ｘとｙは、それぞれ５≦ｘ≦１５、０．５≦ｙ≦２）の組成を有する誘電体を製造した。
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）粉末にＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３（ＡＮＴ）粉末を混合したものを除いては、実施例１と同じ方法で誘電体（ＢａＴｉＯ３−ｘＡＮＴ）を製造した。
具体的なチタン酸バリウム、ＡＮＴ及びＳｉＯ２のｍｏｌ比は、下記表３に示した。
＜実験例＞
実験例１．誘電体の表面観察
実施例で製造した誘電体の微細組織を走査電子顕微鏡で確認した。具体的に、実施例１−５、実施例２−５、実施例３−５で製造した９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＢＯ３＋１ｗｔ％ＳｉＯ２の焼成試片を走査電子顕微鏡で確認し、それを図５に示した。
実験例１．誘電体の表面観察
実施例で製造した誘電体の微細組織を走査電子顕微鏡で確認した。具体的に、実施例１−５、実施例２−５、実施例３−５で製造した９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＢＯ３＋１ｗｔ％ＳｉＯ２の焼成試片を走査電子顕微鏡で確認し、それを図５に示した。
図５は、本発明の実施例による９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＢＯ３＋１ｗｔ％ＳｉＯ２でＡＢＯ３酸化物の種類による焼成試片の微細組織を示す走査電子顕微鏡のイメージである（（ａ）９０ＢａＴｉＯ３＋１０ＫＮＮ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２、（ｂ）９０ＢａＴｉＯ３＋１０ＫＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２、（ｃ）９０ＢａＴｉＯ３＋１０ＡＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２）。
ここで、ＡＢＯ３は、それぞれＫ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３である。一方、当該バルクサンプルは、いずれも１２５０℃で、２時間窒素雰囲気で熱処理を進行した。
また、前記試片を透過電子顕微鏡で観察し、それをＥＤＳマッピングを行って、図６、図７及び図８に示した。
図６、図７及び図８は、それぞれ９０ＢａＴｉＯ３−１０ＫＮＮ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２、９０ＢａＴｉＯ３−１０ＫＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２及び９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２の試片に対して、当該元素の分布を透過電子顕微鏡を通じるＥＤＳマッピングを活用したイメージである。
前記ＡＢＯ３酸化物の種類による試片は、純粋チタン酸バリウムの粒子のサイズと比べた時、目立つ差が確認されないので、粒成長なしに緻密化がなされたと見られる。
前記ＥＤＳマッピングイメージを確認すれば、チタン酸バリウムの粒子からなる結晶粒とその粒界にＡＢＯ３酸化物が流入されていることを確認することができる。これは、熱処理温度がチタン酸バリウムの融点以下ないしＡＢＯ３酸化物の融点以上の温度を経りながらＡＢＯ３酸化物が固相から液相に溶融されて粒界に流入され、それと同時にチタン酸バリウムの粒子の緻密化が起こると見られる。
以後、熱処理が終了することによって温度が低くなれば、ＡＢＯ３酸化物の融点以下に下がり、粒界に液相に存在したＡＢＯ３酸化物が固相に変わって、その位置に位置する。
ＥＤＳマッピングイメージ上でＡＢＯ３酸化物の当該元素がたまに粒界に浸透せず、それ自体で結晶粒を成す形態を確認することができるが、これは、ＡＢＯ３酸化物粉末のうち、粒子サイズが相対的に大きな粉末からなる形態であると確認することができる。
実験例２．誘電特性及び常温比抵抗の分析
実施例１の誘電特性及び常温比抵抗の分析
実施例１のような方法で製造したディスク状のペレットの両面を研磨した後、Ａｇペーストをシルクスクリーン技法として試片の両面に塗布した。以後、約７００℃の温度で約３０分ほど熱処理した。
実施例１の誘電特性及び常温比抵抗の分析
実施例１のような方法で製造したディスク状のペレットの両面を研磨した後、Ａｇペーストをシルクスクリーン技法として試片の両面に塗布した。以後、約７００℃の温度で約３０分ほど熱処理した。
前記のように両面に電極を塗布した後、ＬＣＲメーター器を活用して１００Ｈｚから２ＭＨｚまでの交流周波数を印加し、誘電定数及び誘電損失を測定し、高抵抗測定器を用いて２５０Ｖの直流電圧を印加して絶縁抵抗を測定した。
より具体的に、前記のように両面に電極を塗布した試片に対して、常温から２００℃に至る温度範囲で１０℃間隔で温度による誘電定数及び誘電損失を測定した。ここで、表われる誘電特性は、１ｋＨｚの周波数に該当する値を測定した。
そして、その結果を図９に示した。図９は、本発明の実施例による（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＮ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２試片でｘの濃度別に測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、図９は、下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す値である。
図９を参照すれば、チタン酸バリウムとＫＮＮとの混合比率が一定の値を保持した状態でＳｉＯ２の添加量を増加させれば、絶対的な比誘電率が減少するということを確認することができる。しかし、この場合も、周波数によって比誘電率が大きな変動なしに一定に保持され、誘電損失値は、１％内外またはそれ以下に保持することを確認することができる。
したがって、９５ＢａＴｉＯ３−５ＫＮＮの比率で混合された誘電体の特性を除けば、比誘電率の変動は、０〜２０の変動幅を示し、誘電損失の場合は、１％内外あるいはそれ以下に保持されることを確認することができる。混合されるチタン酸バリウムに混合されるＫＮＮの比率が次第に増加することによって、誘電定数が低くなる傾向を示している。
図１０は、本発明の実施例による９０ＢａＴｉＯ３−１０ＫＮＮでＳｉＯ２の含量濃度による試片で測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、グラフの下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す表である。
図１０を参照すれば、チタン酸バリウムとＫＮＮとの混合比率が一定の値を保持した状態でＳｉＯ２の添加量を増加させれば、絶対的な比誘電率が減少するということを確認することができる。しかし、この場合も、周波数によって比誘電率が大きな変動なしに一定に保持され、誘電損失値は、１％内外あるいはそれ以下に保持することを確認することができる。
下記表４に図９及び図１０で示すサンプルのデータと共に、多様なＡＢＯ３酸化物またはＳｉＯ２の混合比率による試片の誘電特性と常温比抵抗とを示した。
実施例２の誘電特性及び常温比抵抗の分析
実施例２で製造したディスク状のペレット両面を研磨した後、実施例１のような方法で熱処理して、試片の両面にＡｇペーストをシルクスクリーン技法で塗布した。そして、実施例１と同様に、ＬＣＲメーター器を活用して誘電定数及び誘電損失を測定し、絶縁抵抗を測定した。
実施例２で製造したディスク状のペレット両面を研磨した後、実施例１のような方法で熱処理して、試片の両面にＡｇペーストをシルクスクリーン技法で塗布した。そして、実施例１と同様に、ＬＣＲメーター器を活用して誘電定数及び誘電損失を測定し、絶縁抵抗を測定した。
そして、その結果を図１１に示した。図１１は、本発明の実施例による（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＫＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２試片でｘの濃度別に測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、グラフの下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す値である。
図１１を参照すれば、測定した周波数領域内で比誘電率と誘電損失との値が大きな変動なしに一定に保持されることを確認することができる。比誘電率の変動は、０〜３０の変動幅を示し、誘電損失の場合は、１％内外あるいはそれ以下に保持されることを確認することができる。また、混合されるチタン酸バリウムに混合されるＫＮＴの比率が次第に増加することによって、誘電定数が低くなる傾向を示している。
また、図１２は、本発明の実施例による９０ＢａＴｉＯ３−１０ＫＮＴでＳｉＯ２の含量濃度による試片で測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、グラフの下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す表である。
図１２を参照すれば、チタン酸バリウムとＫＮＴとの混合比率が一定の値を保持した状態でＳｉＯ２の添加量を増加させれば、絶対的な比誘電率が減少するということを確認することができる。しかし、この場合も、周波数によって比誘電率が大きな変動なしに一定に保持され、誘電損失値は、１％内外またはそれ以下に保持することを確認することができる。
下記表５に図１１及び図１２で示すサンプルのデータと共に、多様なＡＢＯ３酸化物またはＳｉＯ２の混合比率による試片の誘電特性と常温比抵抗とを示した。
実施例３の誘電特性及び常温比抵抗の分析
実施例３で製造したディスク状のペレット両面を研磨した後、実施例１のような方法で熱処理して、試片の両面にＡｇペーストをシルクスクリーン技法で塗布した。そして、実施例１と同様に、ＬＣＲメーター器を活用して誘電定数及び誘電損失を測定し、絶縁抵抗を測定した。
実施例３で製造したディスク状のペレット両面を研磨した後、実施例１のような方法で熱処理して、試片の両面にＡｇペーストをシルクスクリーン技法で塗布した。そして、実施例１と同様に、ＬＣＲメーター器を活用して誘電定数及び誘電損失を測定し、絶縁抵抗を測定した。
そして、その結果を図１３に示した。
図１３は、本発明の実施例による（１００−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＮＴ＋１ｗｔ％ＳｉＯ２試片でｘの濃度別に測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、グラフの下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す値である。
図１３を参照すれば、測定した周波数領域内で比誘電率と誘電損失との値が大きな変動なしに一定に保持されることを確認することができる。比誘電率の変動は、０〜２５の変動幅を示し、誘電損失の場合は、１％内外あるいはそれ以下に保持されることを確認することができる。混合されるチタン酸バリウムに混合されるＡＮＴの比率が次第に増加することによって、誘電定数が低くなる傾向を示している。
また、図１４は、本発明の実施例による９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＮＴでＳｉＯ２の含量濃度による試片で測定した周波数による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフであり、グラフの下記の値は、各試片の常温比抵抗を示す表である。
図１４を参照すれば、チタン酸バリウムとＡＮＴとの混合比率が一定の値を保持した状態でＳｉＯ２の添加量を増加させれば、絶対的な比誘電率が減少するということを確認することができる。しかし、この場合も、周波数によって比誘電率が大きな変動なしに一定に保持され、誘電損失値は、１％内外あるいはそれ以下に保持することを確認することができる。
下記表６に図１３及び図１４で示すサンプルのデータと共に、多様なＡＢＯ３酸化物またはＳｉＯ２の混合比率による試片の誘電特性と常温比抵抗とを示した。
チタン酸バリウムと共に混合されるＡＢＯ３酸化物の種類が、前記のようなＡＮＴである場合、常温比抵抗は、最大１０１３ ｏｈｍ−ｃｍに該当する高い値を示すことができることを確認した。
実験例３．ＡＢＯ３酸化物焼成試片の温度による比誘電率と誘電損失値との変化測定
ＡＢＯ３酸化物焼成試片の温度による比誘電率と誘電損失値との変化を測定した。そして、その結果を図１５に示した。
ＡＢＯ３酸化物焼成試片の温度による比誘電率と誘電損失値との変化を測定した。そして、その結果を図１５に示した。
図１５は、本発明の実施例による９０ＢａＴｉＯ３−１０ＡＢＯ３＋１ｗｔ％ＳｉＯ２でＡＢＯ３酸化物の種類による焼成試片の温度による比誘電率と誘電損失値との変化を示すグラフである。
図１５を参照すれば、ＡＢＯ３酸化物の種類をＫＮＮを使用したサンプルの場合、常温誘電率を基準にＴＣＣ±１５％を１４０℃まで到逹することを確認し、それ以外のＫＮＴ及びＡＮＴの場合も、常温誘電率を基準にＴＣＣ±１５％を１３５℃まで到逹することができることを確認した。
本発明は、前述した実施例及び図面によって限定されるものではなく、当業者によって本発明の範疇から外れない限度内で多様な形態の変形及び変更が可能であるということが自明である。したがって、本発明の権利範囲は、実施例及び図面によって限定されるのではなく、本発明の権利範囲は、特許請求の範囲だけではなく、特許請求の範囲と均等なものなどによって理解しなければならない。
１００：チタン酸バリウム
２００：ＡＢＯ３酸化物
２００：ＡＢＯ３酸化物
Claims (13)
- チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の焼成温度よりも低い温度の融点を有するＡＢＯ３酸化物を製造する段階と、
チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物とを混合して、下記式１を満足する混合物を得る段階と、
混合物をＡＢＯ３酸化物の融点以上の温度で焼結する段階と、を含み、
前記焼結する段階で、ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に流入されて分布されることを特徴とする誘電体の製造方法：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。 - 混合物は、下記式２を満足することを特徴とする請求項１に記載の誘電体の製造方法：
［式２］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
前記式２において、Ａは、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される１つ以上であり、
Ｂは、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１つ以上であり、
ｘは、０．０５〜０．１５であり、
ａは、０．１〜１であり、
ｂは、０．１〜１である。 - ＡＢＯ３酸化物は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３、及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３からなる群から選択される１つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体の製造方法。
- 混合物を得る段階は、チタン酸バリウムとＡＢＯ３酸化物との混合物にＳｉＯ２を添加する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の誘電体の製造方法。
- 前記混合物に添加されるＳｉＯ２の含量は、チタン酸バリウムの重量に対して、２０重量％以下である請求項４に記載の誘電体の製造方法。
- 焼結する段階は、９００〜１３００℃の温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の誘電体の製造方法。
- チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）とＡＢＯ３酸化物とを含み、下記式１を満足し、
前記ＡＢＯ３酸化物は、チタン酸バリウムの粒界に分布されていることを特徴とする誘電体：
［式１］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡＢＯ３
前記式１において、ｘは、０．０１〜０．３０である。 - 誘電体のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）とＡＢＯ３酸化物は、下記式２を満足することを特徴とする請求項７に記載の誘電体：
［式２］
（１−ｘ）ＢａＴｉＯ３−ｘＡａＢｂＯ３
前記式２において、Ａは、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び銀（Ａｇ）からなる群から選択される１つ以上であり、
Ｂは、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１つ以上であり、
ｘは、０．０５〜０．１５であり、
ａは、０．１〜１であり、
ｂは、０．１〜１である。 - ＡＢＯ３酸化物は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３、及びＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３からなる群から選択される１つ以上であることを特徴とする請求項７に記載の誘電体。
- 誘電体は、誘電損失値が０〜３％保持され、比誘電率の変化幅が２０％以下であることを特徴とする請求項７に記載の誘電体。
- ＡＢＯ３酸化物は、Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３であり、
前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が５００〜１４００であることを特徴とする請求項７に記載の誘電体。 - ＡＢＯ３酸化物は、ＫＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり、
前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が４００〜１１００であることを特徴とする請求項７に記載の誘電体。 - ＡＢＯ３酸化物は、ＡｇＮｂ０．５Ｔａ０．５Ｏ３であり、
前記誘電体は、１ＭＨｚ以上の周波数領域で比誘電率が６００〜１２００であることを特徴とする請求項７に記載の誘電体。
Applications Claiming Priority (2)
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