JP6005699B2 - チタン化合物含有コアシェル粉体及びその製造方法、及びチタン化合物含有焼結体 - Google Patents

チタン化合物含有コアシェル粉体及びその製造方法、及びチタン化合物含有焼結体 Download PDF

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Description

本発明は、コアシェル体、その製造方法、及び焼(sintered body)に関わり、特にコアシェル粒子の各々がコア本体と、前記コア本体に化学的に結合したシェル層とを包含する、コアシェル粒子を有するチタン化合物含有コアシェル体に関わる。
慣用の積層セラミックコンデンサ(MLCC)は、複数の金属層、及び前記金属層と交互に配置される複数の誘電体層を包含する。一般に、誘電体層厚さの減少及び誘電体層数の増加とともに、MLCCのキャパシタンスは大きくなる。
誘電体層を製造する慣用の方法は、強誘電性もしくは常誘電性を有する誘電体体を焼するステップ(sintering)を含む。強誘電性を有する誘電体体の典型的な例は、チタン酸バリウム体である。
より薄い誘電体層を得るために、焼されるべきチタン酸バリウム粉体は、できる限り小さい粒径を有することを必要とする。しかしながら、小さな粒を有するチタン酸バリウム粉体は、薄い誘電体層の形成を妨げる、大きな粒子へと凝集する(aggregate)もしくは塊になる傾向を有する。
前記問題を克服する為、誘電体層を設けるためコアシェル粒子を有するコアシェル粉体を使用することが提案された。各コアシェル粒子は、導電性コア本体と、前記導電性コア本体に付着した複数の誘電体サブ粒子から構成されるシェルとを包含する。
しかしながら、誘電体サブ粒子から形成されるシェルは、緩い構造(loose structure)を有しているので、各コアシェル粒子のシェルのキャパシタンス定数は比較的低く、これはMLCCの適用にとって不都合である。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 中国特許出願公開第102436929号明細書
[非特許文献]
[非特許文献1] Y. WANG et al.,Core−shell TiN@SrTiO3 structure for grain boundary barrier layer capacitor,Materials Letters,2012年,74,191−193.,doi:10.1016/j.matlet.2012.01.067
従って、本発明の目的は、先行技術と関連した前述の欠点の少なくとも1個を克服できるコアシェル体を提供することである。
本発明の一態様によると、複数のコアシェル粒子を有するチタン含有コアシェル体が提供される。コアシェル粒子の各々は、コア本体と、前記コア本体を封入するシェル層とを包含する。コア本体は、導電性である。シェル層は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩酸化物及びスピネル構造を有するチタン酸塩酸化物からなるグループから選択される結晶を包含する。前記コア本体及び前記シェル層は互いに化学的に結合している。
本発明の別の態様によると、チタン化合物含有コアシェル体を製造する方法が提供される。当該方法は、
チタン化合物体と無機塩体とを調製するステップ;
前記チタン化合物体と前記無機塩体とを混合して、予備成形体を形成するステップ;及び
前記チタン化合物体の各粒子表面上にチタン化合物含有結晶性シェル層を形成するため、前記予備成形体を(calcination)に付して、前記チタン化合物体の粒子表面と、前記無機塩体との固相反応を引き起こすステップ
を有する。
本発明のさらに別の態様によると、複数のコアシェル粒子を有するチタン化合物含有焼体であって、
前記コアシェル粒子の各々は、コア本体と、前記コア本体を封入するシェル層とを包含する、チタン化合物含有焼結体(sintered body)が提供される。前記コア本体は導電性である。前記シェル層は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩酸化物及びスピネル構造を有するチタン酸塩酸化物からなるグループから選択される結晶を包含する。前記コア本体及び前記シェル層は互いに化学的に結合している。前記コアシェル粒子の隣接するそれぞれの前記シェル層は、焼結(sintering)プロセスを介して互いに相互結合している。
本発明の一実施形態を説明する図面において、
図1は、本発明によるチタン含有コアシェル粒子の実施形態の概略図である。 図2は、実施例1のコアシェル粒子のX線回折分析グラフである。 図3は、実施例1のコアシェル粒子のSTEM HAADF(走査透過電子顕微鏡法 高角度散乱環状暗視野)画像である。 図4は、実施例1のコアシェル粒子の電子回折パターンである。 図5は、実施例1のコアシェル粒子から構成される焼体のTEM(透過電子顕微鏡)画像である。チタン酸バリウムの強誘電性90°ドメインが、矢印により示される。 図6は、図5のSTEM EDS(エネルギー分散型X線分光分析)化学組成マッピングである。元素分布酸素(O−Kα),窒素(N−Kα),チタン(Ti−Kα)及びバリウム(Ba−Mαβ)の画像がそれぞれ示される。 図7は、実施例1のコアシェル粒子から構成される焼体のX線回折スペクトルである。 図8は、実施例2のコアシェル粒子のX線回折スペクトルである。 図9は、実施例2のコアシェル粒子のTEM断面画像である。 図10は、図9のSTEM EDS(エネルギー分散型X線分光分析)化学組成マッピングである。元素分布ストロンチウム(Sr−Kα),チタン(Ti−Kα),酸素(O−Kα)及び窒素(N−Kα)の画像がそれぞれ示される。 図11は、実施例2のコアシェル粒子の断面のTEM画像である。該TEM画像内で3つの領域の制限視野電子回折(SA−Diff)パターンが円で囲まれている。 図12は、実施例3のコアシェル粒子のX線回折分析グラフである。 図13は、実施例3のコアシェル粒子のTEM画像である。 図14は、実施例3のコアシェル粒子の断面のTEM画像である。該TEM画像内で、3つの領域の制限視野電子回折(SA−Diff)パターンが円で囲まれている。
実施形態の詳細な説明:
本発明によるコアシェル体の実施形態は、複数のコアシェル粒子を包含する。
図1を参照すると、コアシェル粒子の各々は、コア本体1と、前記コア本体1を封入するシェル層2とを包含する。前記コア本体1は導電性である。前記シェル層2は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩酸化物及びスピネル構造を有するチタン酸塩酸化物からなるグループから選択される結晶を包含する。前記コア本体1及び前記シェル層2は互いに化学的に結合している。
前記コアシェル粒子の各々の前記コア本体1はTiNから構成される。
前記結晶は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム及びチタン酸リチウムからなるグループから選択され得る。
前記コアシェル粒子の各々の前記シェル層2は、前記結晶中にドープされる酸化物をさらに包含する。
本発明の一例において、結晶はチタン酸バリウムもしくはチタン酸ストロンチウムである。
本発明の別の例において、結晶はチタン酸リチウムであり、スピネル構造を有する。
コアシェル体の実施形態を製造する方法は、以下のステップ:
チタン化合物体と無機塩体とを調製するステップ;
前記チタン化合物体と前記無機塩体とを混合して、予備成形体を形成するステップ;及び
前記チタン化合物体の各粒子表面上にチタン化合物含有結晶性シェル層を形成するため、前記予備成形体を焼に付して、前記チタン化合物体の粒子表面と、前記無機塩体との固相反応を引き起こすステップ
を包含する。
予備形成体は、前記チタン化合物体と前記無機塩体とを溶媒内で混合し、次いで前記溶媒を除去するため乾燥することにより、形成される。溶媒は、水、アルコール、トルエン、及びイソプロパノールからなるグループから選択されてよい。
好ましくは、チタン化合物体はTiNから構成される。無機塩体は、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、リチウムイオン及びそれらの組み合わせからなるグループから選択されるカチオンと、炭酸塩、水酸化物、リン酸塩及びそれらの組み合わせからなるグループから選択されるアニオンとを含有する塩である。無機塩体の例は、炭酸バリウム,炭酸ストロンチウム,炭酸リチウム,水酸化バリウム,水酸化ストロンチウム,水酸化リチウム,ホスホン酸バリウム,ホスホン酸ストロンチウム,及びホスホン酸リチウムを包含する。チタン化合物体の粒子表面と、前記無機塩体との固相反応において、無機塩体のカチオンはチタニウム化合物体の粒子表面上のチタン原子と置き換わり、チタン化合物含有結晶シェル層を形成するための焼の際、置換されたチタン原子と反応する。一実施形態において、無機塩体は、炭酸バリウム体であり、チタン化合物体との混合の前に、焼助剤と混合され得る。焼助剤の例は、炭酸ストロンチウム,炭酸カルシウム,炭酸マグネシウム,及び炭酸リチウムを包含する。
好ましくは、焼は、10ppmより大きく、10000ppm未満の酸素の分圧で、より好ましくは、10−8atm未満の酸素の分圧で行われる。それにより、無機塩粉体のカチオンは、置換されたチタン原子と反応するだけでなく、焼雰囲気内に存在する酸素とも反応して、チタン化合物含有結晶シェル層を形成する。
本実施形態のコアシェル粒子は、チタン化合物含有焼体を製造するのに使用できる。焼体において、前記コアシェル粒子の隣接するそれぞれの前記シェル層2は、焼プロセスを介して互いに相互結合している。
MLCCの作成方法は、以下のステップ:
前記実施形態のコアシェル体を溶媒内で粉砕するステップ;
前記粉砕の後、スラリーを形成するため、コアシェル体と有機バインダ(例えばポリ(ビニルアルコール)(PVA)もしくはポリ(ビニルブチラール)(PVB))とを混合するステップ;
グリーンシートを形成するため、スラリーを注型するステップ;
プリントグリーンシートを形成するため、前記グリーンシート上で金属電極層をプリントするステップ;
複数のシートを形成するため、前記プリントグリーンシートを切断するステップ;
予備成形バーを形成するため、前記シートを積み重ねるステップ;
前記予備成形バーを所望のサイズに切断するステップ;
チップ(chip)を形成するため、前記予備成形バーから有機バインダを除去するステップ;
チタン化合物含有焼結チップ(brick)を形成するため、1100℃乃至1300℃の温度で前記チップを焼結するステップ;
前記チタン化合物含有焼結チップ(brick)の2つの対辺上の銅電極を浸漬するステップ;及び
外部電源に電気的に結合される準備ができているMLCCを形成するため、前記銅電極の各々の上でニッケル保護層とスズ層とを電気メッキするステップ
を包含する。
前記チタン化合物含有焼結チップ(brick)を形成するため、本発明のコアシェル粉体は、1300℃よりも高い温度において焼結される必要がないことに留意する。
チタン化合物含有焼結チップ(brick)は、表面相互融合(surface interfusion)を介して互いに結合される複数のコアシェル粒子を包含する。前記コアシェル粒子の隣接するそれぞれの前記シェル層2は、焼プロセスを介して互いに相互結合される。
コアシェル粒子の各々のシェル層2は、前記結晶中にドープされる酸化物もしくは焼助剤をさらに包含する
コアシェル粒子の各々のシェル層2は誘電性である。
本発明の実施形態の真価は、以下の実施例と関連して明らかになる。
実施例1:
アルコール内に予備成形体を形成するため、炭酸バリウム体及びTiN体をアルコール内で混合し、直径0.1mmを有する二酸化ジルコニウムボールを備えたボールミル内で粉砕した。炭酸バリウム体対TiN体のモル比は、1:5であった。
窒素ガスを使用して予備成形体を乾燥し、酸素分圧9.3×10−9atm及び温度800℃、チャンバ内で30分間の焼に付した。それにより前記TiN体の粒子の粒子表面と、前記炭酸バリウム体のカチオンとは、固相反応を経て、TiN体の粒子の各粒子表面上にチタン含有結晶シェル層を形成した。それによりコアシェル粒子を形成した。
このように形成されたコアシェル粒子100重量部を溶媒内で粉砕し、次いで有機バインダ15重量部及びSiO 体1重量部と共に混合し、スラリーを形成した。グリーンシートを形成するため、コーティング機を使用してスラリーは被覆された。複数のペレットを形成するため、グリーンシートは穴あけされた。有機バインダを除去するため、ペレットを、0.015atmより大きい酸素分圧で、温度450℃で60分間加熱した。コアシェル粒子の焼体を形成するため、ペレットを、温度1250℃、30分間、NとH(Hは0.01%であった)とを含有する雰囲気下で焼した。

実施例2:
アルコール内に予備成形体を形成するため、炭酸ストロンチウム体及びTiN体をアルコール内で混合し、直径0.1mmを有する二酸化ジルコニウムボールを備えたボールミル内で粉砕した。炭酸ストロンチウム体対TiN体のモル比は、3:10であった。
ガスを使用して予備成形体を乾燥し、酸素分圧3.6×10−9atm及び温度1000℃、チャンバ内で80分間の焼に付した。それにより前記TiN粉体の粒子の粒子表面と、前記炭酸ストロンチウム体のカチオンとは、固相反応を経て、TiN体の粒子の各粒子表面上にチタン含有結晶シェル層を形成した。それによりコアシェル粒子を形成した。
このように形成されたコアシェル粒子100重量部を溶媒内で粉砕し、次いで有機バインダ15重量部及びSiO 体1重量部と混合し、スラリーを形成した。グリーンシートを形成するため、コーティング機を使用してスラリーは被覆された。複数のペレットを形成するため、グリーンシートは穴あけされた。有機バインダを除去するため、ペレットを、0.015atmより大きい酸素分圧で、温度450℃で60分間加熱した。コアシェル粒子の焼体を形成するため、ペレットを、温度1250℃、30分間、NとH(Hは0.01%であった)とを含有する雰囲気下で焼した。

実施例3:
アルコール内に予備成形体を形成するため、炭酸リチウム体及びTiN体をアルコール内で混合し、直径0.1mmを有する二酸化ジルコニウムボールを備えたボールミル内で粉砕した。炭酸リチウム体対TiN体のモル比は、3:10であった。
ガスを使用して予備成形体を乾燥し、酸素分圧9.8×10−9atm及び温度900℃、チャンバ内で5時間の焼に付した。それにより前記TiN体の粒子の粒子表面と、前記炭酸リチウム体のカチオンとは、固相反応を経て、TiN体の粒子の各粒子表面上にチタン含有結晶シェル層を形成した。それによりコアシェル粒子を形成した。

分析結果:
図2は、実施例1のコアシェル粒子のX線回折パターンである。図2中、正方形の符号でマークされているピークは、TiNのピークを表し、菱形の符号でマークされるピークは、チタン酸バリウムのピークを表す。その結果は、実施例1のコアシェル粒子はもっぱらTiNとチタン酸バリウムとを有し、不純物もしくは副生物を含まないことを示す。
実施例1のシェル層の結晶は、約1.006のc/a比(式中、「c」と「a」は結晶の格子パラメータである)を有する。その上さらに、シェル層は正方相を有し、優れた強誘電性を示す。
図3は、実施例1のコアシェル粒子を含有するSTEMサンプルのSTEM HAADF(走査透過電子顕微鏡法 高角度散乱環状暗視野)画像である。粗サンプルを形成するため、実施例1のコアシェル粒子はエポキシ樹脂の本体内に埋め込まれ、次いでFIB(収束イオンビーム)技術を使用してその粗サンプルをSTEMサンプルに薄肉化処理した。図3の明るく見える領域は、実施例1のコアシェル粒子のシェル層内に含まれるバリウムの存在を示す。
図4は、実施例1のコアシェル粒子の電子回折パターンである。結果は、実施例1のコアシェル粒子はBaTiO及びTiNを包含することを証明する。
図5は、実施例1のコアシェル粒子の焼体のTEM(透電子顕微鏡)画像である。正方晶強誘電性チタン酸バリウムの形成の証拠として、強誘電性90°ドメインが、矢印により示される。
図6は、図5のSTEM EDS(エネルギー分散型X線分光分析)化学組成マッピングである。元素分布酸素(O−Kα),窒素(N−Kα),チタン(Ti−Kα)及びバリウム(Ba−Mαβ)の画像がそれぞれ示される。結果は、実施例1のコアシェル粒子は、TiN及び正方相を有するBaTiOを包含することを証明する。
図7は、実施例1のコアシェル粒子から構成される焼体のX線回折パターンである。TiN及び正方相を有するBaTiOに対応するピークが、図7中に見出される。
図8は、実施例2のコアシェル粒子のX線回折パターンである。図8中、正方形の符号でマークされているピークは、TiNのピークを表し、円形の符号でマークされるピークは、チタン酸ストロンチウムのピークを表す。その結果は、実施例2のコアシェル粒子はもっぱらTiNとチタン酸ストロンチウムとを有し、不純物もしくは副生物を含まないことを示す。
図9は、実施例2のコアシェル粒子のTEM断面画像である。
図10は、図9のSTEM EDS(エネルギー分散型X線分光分析)化学組成マッピングである。元素分布ストロンチウム(Sr−Kα),チタン(Ti−Kα),酸素(O−Kα)及び窒素(N−Kα)の画像がそれぞれ示される。
図11は、実施例2のコアシェル粒子の断面を見せるTEM画像である。図11内に示される挿入図は、それぞれ図11のTEM画像内の円で囲まれた3つの領域の制限視野電子回折(SA−Diff)パターンである。電子回折パターンの結果は、実施例2のコアシェル粒子はチタン酸ストロンチウム及びTiNを包含することを示す。
図12は、実施例3のコアシェル粒子のX線回折分析である。図12中、円形の符号でマークされているピークは、TiNのピークを表し、菱形の符号でマークされるピークは、チタン酸リチウムのピークを表す。その結果は、実施例3のコアシェル粒子はもっぱらTiNとチタン酸リチウムとを有し、不純物もしくは副生物を含まないことを示す。
図13は、実施例3のコアシェル粒子のTEM画像である。図14は、実施例3のコアシェル粒子の断面のTEM画像である。図14内の挿入図は、それぞれ図14のTEM画像内の円で囲まれた3つの領域の制限視野電子回折(SA−Diff)パターンである。電子回折パターンの結果は、実施例3のコアシェル粒子はLiTi12(LTO)及びTiNを包含することを、示す。
本発明の方法によると、コア本体1を封入し且つ該コア本体1に相互結合したシェル層2を形成するため、チタン化合物粉体及び無機塩体の混合物の予備成形体を、焼及び固相反応に付すことにより、先行技術に関連した前述の欠点を除去することができる。
本発明は、最も実際的な実施形態とみなされるもの関連して記載されてきたが、言うまでもなく、本発明は開示された実施形態に限定されず、最も広い解釈及び同等の取り決めの精神及び範囲内に包含される様々な取り決めをカバーすることが意図される。
1 コア本体
2 シェル層

Claims (14)

  1. 複数のコアシェル粒子を有するチタン化合物含有コアシェル体であって、
    前記コアシェル粒子の各々は、TiNから構成されるコア本体と、前記コア本体を封入するシェル層とを包含し、
    前記コア本体は導電性であり、
    前記シェル層は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩酸化物及びスピネル構造を有するチタン酸塩酸化物からなるグループから選択される結晶を包含し、
    前記コア本体及び前記シェル層は互いに化学的に結合している、
    コアシェル体。
  2. 前記結晶は、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムからなるグループから選択される、請求項に記載のコアシェル体。
  3. 前記結晶はスピネル構造を有するチタン酸リチウム(Li Ti 12 ある、請求項に記載のコアシェル体。
  4. 前記コアシェル粒子の各々の前記シェル層は、前記結晶中にドープされる酸化物をさらに包含する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のコアシェル体。
  5. TiNから構成されるチタン化合物粉体と無機塩粉体とを調製するステップ;
    前記チタン化合物粉体と前記無機塩粉体とを混合して、予備成形粉体を形成するステップ;及び
    前記チタン化合物粉体の各粒子表面上にチタン化合物含有結晶性シェル層を形成するため、前記予備成形粉体焼に付して、前記チタン化合物粉体の粒子表面と、前記無機塩粉体との固相反応を引き起こすステップであって、前記コア本体及び前記シェル層は互いに化学的に結合しているステップと
    を有するチタン化合物含有コアシェル粉体を製造する方法。
  6. 焼は、10ppmより大きく、10000ppm未満の酸素の分圧で行われる、請求項に記載のチタン化合物含有コアシェル体を製造する方法。
  7. 無機塩粉体は、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、リチウムイオン及びそれらの組み合わせからなるグループから選択されるカチオンを含有する塩である、請求項に記載のチタン化合物含有コアシェル体を製造する方法。
  8. 前記塩は、炭酸塩、水酸化物、リン酸塩及びそれらの組み合わせからなるグループから選択されるアニオンをさらに含有する、請求項に記載のチタン化合物含有コアシェル体を製造する方法。
  9. 前記チタン化合物体と前記無機塩体とを溶媒内で混合し、次いで予備形成体を形成するため乾燥する、請求項乃至のいずれか一項に記載のチタン化合物含有コアシェル体を製造する方法。
  10. 複数のコアシェル粒子を有するチタン化合物含有焼体であって、
    前記コアシェル粒子の各々は、TiNから構成されるコア本体と、前記コア本体を封入するシェル層とを包含し、
    前記コア本体は導電性であり、
    前記シェル層は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸塩酸化物及びスピネル構造を有するチタン酸塩酸化物からなるグループから選択される結晶を包含し、
    前記コア本体及び前記シェル層は互いに化学的に結合している、
    前記コアシェル粒子の隣接するそれぞれの前記シェル層は、互いに相互結合している、
    チタン化合物含有焼体。
  11. 前記結晶は、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムからなるグループから選択される、請求項10に記載のチタン化合物含有焼体。
  12. 前記結晶はスピネル構造を有するチタン酸リチウム(Li Ti 12 ある、請求項10に記載のチタン化合物含有焼体。
  13. 前記コアシェル粒子の各々の前記シェル層は、前記結晶中にドープされる酸化物もしくは焼助剤をさらに包含する、請求項10乃至12のいずれか一項に記載のチタン化合物含有焼体。
  14. 前記コアシェル粒子の各々の前記シェル層は誘電性である、請求項10乃至13のいずれか一項に記載のチタン化合物含有焼体。
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