JP6641337B2 - Ceramic sintered body and passive element including the same - Google Patents

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本開示は、セラミック焼結体およびそれを含む受動素子に関し、より詳しくは、好ましい誘電率を有するセラミック焼結体およびそのセラミック焼結体を含む受動素子に関する。   The present disclosure relates to a ceramic sintered body and a passive element including the same, and more particularly, to a ceramic sintered body having a preferable dielectric constant and a passive element including the ceramic sintered body.

コンデンサなどの受動素子は、通常、誘電材料から作られる。一般に、コンデンサの静電容量は、そのコンデンサを作る誘電材料の誘電率に関連する。すなわち、誘電材料の誘電率が高いほど、そのコンデンサの静電容量が高くなる。   Passive components, such as capacitors, are usually made from dielectric materials. Generally, the capacitance of a capacitor is related to the dielectric constant of the dielectric material from which the capacitor is made. That is, the higher the dielectric constant of the dielectric material, the higher the capacitance of the capacitor.

大きさが小型化され、静電容量が改善されたコンデンサが望ましいので、誘電率が改善された材料を提供する必要がある。   As capacitors with reduced size and improved capacitance are desirable, there is a need to provide materials with improved dielectric constants.

本開示は、好ましい誘電率を有するセラミック焼結体を提供する。   The present disclosure provides a ceramic sintered body having a preferable dielectric constant.

本開示のいくつかの実施の形態において、そのセラミック焼結体は、誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含み、その半導体セラミック相および誘電セラミック相は一緒にパーコレーション複合体を形成し、その半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値に近く、それより小さい。   In some embodiments of the present disclosure, the ceramic sintered body includes a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite; The volume fraction of the semiconductive ceramic phase is close to and less than the percolation threshold.

本開示は、上述したセラミック焼結体を含む受動素子をさらに提供する。   The present disclosure further provides a passive element including the ceramic sintered body described above.

本開示のいくつかの実施の形態によるセラミック焼結体の微細構造を示す説明図Explanatory drawing showing a microstructure of a ceramic sintered body according to some embodiments of the present disclosure 実施例1の工程系統図Process flow diagram of Example 1 実施例1のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像High angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 1 実施例1のセラミック焼結体におけるSrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Sr in the ceramic sintered compact of Example 1. 実施例1のセラミック焼結体におけるCaのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ca in the ceramic sintered compact of Example 1. 実施例1のセラミック焼結体におけるTiのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ti in the ceramic sintered compact of Example 1. 実施例1のセラミック焼結体におけるZrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Zr in the ceramic sintered compact of Example 1. 実施例1のセラミック焼結体における第1のセラミック相から得た制限視野電子回折(SAED)像(より明るい粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSr、CaおよびTiを示す)Selected area electron diffraction (SAED) image obtained from the first ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 1 (brighter particles indicate Sr, Ca and Ti in STEM-EDX chemical analysis) 実施例1のセラミック焼結体における第2のセラミック相から得た制限視野電子回折(SAED)像(より暗い粒子はSTEM−EDX化学分析におけるTiおよびZrを示す)Selected area electron diffraction (SAED) image obtained from the second ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 1 (darker particles indicate Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis) 実施例1のセラミック焼結体のX線回折(XRD)パターンX-ray diffraction (XRD) pattern of the ceramic sintered body of Example 1 いくつかの異なる再酸化条件下での実施例1のセラミック焼結体の比誘電率を示すグラフ4 is a graph showing the relative dielectric constant of the ceramic sintered body of Example 1 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例1のセラミック焼結体の誘電損失を示すグラフ4 is a graph showing the dielectric loss of the ceramic sintered body of Example 1 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例1のセラミック焼結体の抵抗率を示すグラフ4 is a graph showing the resistivity of the ceramic sintered body of Example 1 under several different reoxidation conditions. 実施例2の工程系統図Process flow diagram of Example 2 実施例2のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像High angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 2 実施例2のセラミック焼結体におけるSrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Sr in the ceramic sintered compact of Example 2. 実施例2のセラミック焼結体におけるCaのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ca in the ceramic sintered compact of Example 2. 実施例2のセラミック焼結体におけるTiのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ti in the ceramic sintered compact of Example 2. 実施例2のセラミック焼結体におけるZrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Zr in the ceramic sintered compact of Example 2. 実施例2のセラミック焼結体における第1のセラミック相から得た制限視野電子回折(SAED)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSr、CaおよびTiを示す)Selected area electron diffraction (SAED) image obtained from the first ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 2 (particles represent Sr, Ca and Ti in STEM-EDX chemical analysis) 実施例2のセラミック焼結体における第2のセラミック相から得た制限視野電子回折(SAED)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるTiおよびZrを示す)Selected area electron diffraction (SAED) image obtained from the second ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 2 (particles indicate Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis) 実施例2のセラミック焼結体における第3のセラミック相から得た制限視野電子回折(SAED)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるCa、ZrおよびTiを示す)Selected area electron diffraction (SAED) image obtained from the third ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 2 (particles indicate Ca, Zr and Ti in STEM-EDX chemical analysis) (150)CaZrTi27(ジルコノライト)の制限視野電子回折(SAED)シミュレーション像(150) Selected area electron diffraction (SAED) simulation image of CaZrTi 2 O 7 (zirconolite) 実施例2のセラミック焼結体のX線回折(XRD)パターンX-ray diffraction (XRD) pattern of the ceramic sintered body of Example 2 いくつかの異なる再酸化条件下での実施例2のセラミック焼結体の比誘電率を示すグラフ4 is a graph showing the relative dielectric constant of the ceramic sintered body of Example 2 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例2のセラミック焼結体の誘電損失を示すグラフ4 is a graph showing the dielectric loss of the ceramic sintered body of Example 2 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例2のセラミック焼結体の抵抗率を示すグラフ4 is a graph showing the resistivity of the ceramic sintered body of Example 2 under several different reoxidation conditions. 実施例3の工程系統図Process flow diagram of Example 3 実施例3のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像High angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 3 実施例3のセラミック焼結体におけるZrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Zr in the ceramic sintered compact of Example 3. 実施例3のセラミック焼結体におけるTiのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ti in the ceramic sintered compact of Example 3. 実施例3のセラミック焼結体におけるSrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Sr in the ceramic sintered compact of Example 3. 実施例3のセラミック焼結体における第1のセラミック相から得た制限視野回折(SAD)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSr、CaおよびTiを示す)Selected area diffraction (SAD) image obtained from the first ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 3 (particles represent Sr, Ca and Ti in STEM-EDX chemical analysis) 実施例3のセラミック焼結体における第2のセラミック相から得た制限視野回折(SAD)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるZrおよびTiを示す)Selected area diffraction (SAD) image obtained from the second ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 3 (particles show Zr and Ti in STEM-EDX chemical analysis) 実施例3のセラミック焼結体のX線回折(XRD)パターンX-ray diffraction (XRD) pattern of the ceramic sintered body of Example 3 いくつかの異なる再酸化条件下での実施例3のセラミック焼結体の比誘電率を示すグラフ4 is a graph showing the relative dielectric constant of the ceramic sintered body of Example 3 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例3のセラミック焼結体の誘電損失を示すグラフ4 is a graph showing the dielectric loss of the ceramic sintered body of Example 3 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例3のセラミック焼結体の抵抗率を示すグラフ4 is a graph showing the resistivity of the ceramic sintered body of Example 3 under several different reoxidation conditions. 実施例4の工程系統図Process flow diagram of Example 4 実施例4のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像High angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 4 実施例4のセラミック焼結体におけるCaのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ca in the ceramic sintered compact of Example 4. 実施例4のセラミック焼結体におけるTiのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Ti in the ceramic sintered compact of Example 4. 実施例4のセラミック焼結体におけるZrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Zr in the ceramic sintered compact of Example 4. 実施例4のセラミック焼結体におけるSrのSTEM−EDX化学分析を示す図The figure which shows the STEM-EDX chemical analysis of Sr in the ceramic sintered compact of Example 4. 実施例4のセラミック焼結体における第1のセラミック相から得た制限視野回折(SAD)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSrおよびTiを示す)Selected area diffraction (SAD) image obtained from the first ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 4 (particles represent Sr and Ti in STEM-EDX chemical analysis) 実施例4のセラミック焼結体における第2のセラミック相から得た制限視野回折(SAD)像(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるCa、ZrおよびTiを示す)Selected area diffraction (SAD) image obtained from the second ceramic phase in the ceramic sintered body of Example 4 (particles indicate Ca, Zr and Ti in STEM-EDX chemical analysis) (011)CaZrTi27(ジルコノライト)の制限視野電子回折(SAED)シミュレーション像(011) Limited-area electron diffraction (SAED) simulation image of CaZrTi 2 O 7 (zirconolite) 実施例4のセラミック焼結体のX線回折(XRD)パターンX-ray diffraction (XRD) pattern of the ceramic sintered body of Example 4 いくつかの異なる再酸化条件下での実施例4のセラミック焼結体の比誘電率を示すグラフ4 is a graph showing the relative dielectric constant of the ceramic sintered body of Example 4 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例4のセラミック焼結体の誘電損失を示すグラフ4 is a graph showing the dielectric loss of the ceramic sintered body of Example 4 under several different reoxidation conditions. いくつかの異なる再酸化条件下での実施例4のセラミック焼結体の抵抗率を示すグラフ4 is a graph showing the resistivity of the ceramic sintered body of Example 4 under several different reoxidation conditions.

理論的に、極めて高い誘電率は、強誘電・常誘電相転移に近い非常に狭い温度範囲での強誘電材料においてしか期待できない。しかしながら、コンデンサの許容できる誘電率に対する従来のアプローチは、多層構造によって行われる。詳しくは、強誘電セラミック材料の薄層を導電層の間に配置して、多層セラミックコンデンサ(MLCC)を形成する。従来のMLCCにおいて、強誘電セラミック層の厚さは、その静電容量に影響する重要な要因である。より小さい粒径の強誘電セラミック材料を使用して強誘電セラミック層の厚さを減少させることにより、MLCCの静電容量を増やすことができる。しかしながら、粒径がより小さい強誘電セラミック材料は、いわゆる「寸法効果」のために、より小さい誘電率を示す。より薄い誘電層によってMLCCにおいてより大きい静電容量を得るための従来の基準では、理論的に、行き詰まってしまう。   Theoretically, very high dielectric constants can only be expected in ferroelectric materials in a very narrow temperature range close to the ferroelectric-paraelectric phase transition. However, the traditional approach to acceptable dielectric constant of capacitors is with a multilayer structure. Specifically, a thin layer of ferroelectric ceramic material is placed between conductive layers to form a multilayer ceramic capacitor (MLCC). In a conventional MLCC, the thickness of the ferroelectric ceramic layer is an important factor affecting its capacitance. The capacitance of the MLCC can be increased by using a smaller particle size ferroelectric ceramic material to reduce the thickness of the ferroelectric ceramic layer. However, ferroelectric ceramic materials having a smaller particle size exhibit a lower dielectric constant due to the so-called "size effect". Conventional standards for obtaining greater capacitance in MLCCs with thinner dielectric layers theoretically get stuck.

コンデンサの許容できる誘電率に対する別のアプローチは、パーコレーション複合体により行われ、これは、パーコレーション理論にしたがって説明できる。一般に、「パーコレーション理論」は、ランダムグラフにおける結合したクラスターの挙動について説明する。コンデンサに関連する技術分野において、パーコレーション理論は、絶縁粒子が充填された空間を通る電流路を形成する導電粒子の条件について説明するために使用できる。導電粒子が絶縁粒子と混合されたときに、絶縁粒子が充填された空間を通る電流路を形成するのに十分な導電粒子の最低の体積分率は、「パーコレーション閾値」と定義される。言い換えると、導電粒子の体積分率がパーコレーション閾値に到達したときに、導電粒子の一部が互いに接続され、絶縁粒子が充填された空間を通る電流路を形成する。導電粒子の体積分率の増加は、その複合体の見掛けの誘電率の増加をもたらす。導電粒子の体積分率がパーコレーション閾値の直前にある場合、これは、パーコレーション閾値の前の導電粒子の最高の体積分率を意味するが、その複合体は非常に大きい誘電率を示す。パーコレーション閾値のべき法則は以下のように記載される。   Another approach to the acceptable dielectric constant of capacitors is provided by percolation composites, which can be explained according to percolation theory. In general, "percolation theory" describes the behavior of connected clusters in a random graph. In the technical field related to capacitors, percolation theory can be used to describe the conditions of conductive particles forming a current path through a space filled with insulating particles. When the conductive particles are mixed with the insulating particles, the lowest volume fraction of the conductive particles sufficient to form a current path through the space filled with the insulating particles is defined as the "percolation threshold". In other words, when the volume fraction of the conductive particles reaches the percolation threshold, some of the conductive particles are connected to each other and form a current path through the space filled with the insulating particles. Increasing the volume fraction of the conductive particles results in an increase in the apparent dielectric constant of the composite. If the volume fraction of the conductive particles is just before the percolation threshold, this means the highest volume fraction of the conductive particles before the percolation threshold, but the composite shows a very high dielectric constant. The power law of the percolation threshold is described as follows.

上述したパーコレーション複合体では、それぞれ、導電粒子および絶縁粒子として、金属材料および誘電セラミック材料を使用する。微細な金属粒子は大きい表面エネルギーを有する。金属粒子は、誘電セラミック粒子と混合されると、互いに凝集する傾向にあり、それゆえ、混合物中に均一に分散できない。金属粒子の凝集は、その混合過程が大規模で行われた場合、さらに悪化するであろう。その上、金属粒子(ニッケルなど)の融点はセラミック粒子の融点よりも一般に低いので、焼結過程において、金属粒子は絶縁粒子よりも早く溶融し、その焼結過程中に多大な粒子成長(異常な粒成長)をもたらす。焼結過程中の異常な粒成長を避けるために、融点が高い貴金属(白金など)から作られた金属粒子を使用してもよいが、それに応じて、費用が増加するであろう。上述したことを考慮すると、そのようなパーコレーション複合体は、工業上の要件を満たすことができない。   In the above-described percolation composite, a metal material and a dielectric ceramic material are used as the conductive particles and the insulating particles, respectively. Fine metal particles have a large surface energy. When mixed with the dielectric ceramic particles, the metal particles tend to agglomerate with one another and therefore cannot be uniformly dispersed in the mixture. Agglomeration of metal particles will be exacerbated if the mixing process is performed on a large scale. In addition, since the melting point of metal particles (such as nickel) is generally lower than the melting point of ceramic particles, the metal particles melt faster than the insulating particles during the sintering process, and significant particle growth (abnormal Grain growth). To avoid abnormal grain growth during the sintering process, metal particles made of a noble metal with a high melting point (such as platinum) may be used, but the cost will be increased accordingly. In view of the above, such percolation composites cannot meet the industrial requirements.

少なくとも上述した懸念に対処するために、本開示は、誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、その半導体セラミック相および誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、その半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値に近く、それより小さい、セラミック焼結体を提供する。上述した金属材料の代わりに、導電相として半導体セラミック材料を使用することにより、導電相の凝集および異常な粒成長を避けることができる。このように、好ましい誘電率を有するそのようなパーコレーション複合体をうまく製造することができる。   To address at least the above-mentioned concerns, the present disclosure provides a ceramic sintered body comprising a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite. In addition, the present invention provides a ceramic sintered body in which the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is close to or smaller than the percolation threshold. By using a semiconductor ceramic material as the conductive phase instead of the metal material described above, agglomeration of the conductive phase and abnormal grain growth can be avoided. In this way, such a percolation composite having a favorable dielectric constant can be successfully produced.

ここに用いたように、「おおよそ」、「実質的に」、「実質的」および「約」という用語は、小さい変動を記載し、その説明をするために使用される。その用語は、ある事象または状況と共に使用された場合、その事象または状況がまさに起こる場合、並びにその事象または状況が極めて起こりそうである場合を称することができる。例えば、その用語は、数値と共に使用された場合、±5%以内、±4%以内、±3%以内、±2%以内、±1%以内、±0.5%以内、±0.1%以内、または±0.05%以内などの、その数値の±10%以内の変動範囲を称することができる。   As used herein, the terms "approximately," "substantially," "substantially," and "about" are used to describe and describe minor variations. The term can be used when used in conjunction with an event or situation, when the event or situation is about to occur, as well as when the event or situation is very likely. For example, the terms when used with numerical values are within ± 5%, within ± 4%, within ± 3%, within ± 2%, within ± 1%, within ± 0.5%, ± 0.1% Within, or within ± 10% of that value, such as within ± 0.05%.

それに加え、量、比、および他の数値が、範囲の形式でここに提示されることがある。そのような範囲の形式は、便宜上で簡潔さのために使用されており、範囲の限界と明白に指定された数値を含むだけでなく、各数値および部分的な範囲が明白に指定されているかのように、その範囲内に包含される個々の数値または部分的な範囲の全てを含むように柔軟に理解されるべきであることを理解すべきである。   In addition, amounts, ratios, and other numerical values may be presented herein in a range format. The format of such ranges is used for brevity for convenience and not only includes the limits of the range and the explicitly specified numbers, but also if each number and subrange is explicitly specified. It should be understood that any such numerical values or subranges subsumed within that range should be understood to be flexible and include that range.

本開示において、「セラミック焼結体」という用語は、セラミック材料から作られた焼結体を称する。このセラミック焼結体は、2種類以上のセラミック材料から焼結されることがある。例えば、セラミック焼結体は複数のセラミック粒子から焼結することができ、これらのセラミック粒子は互いにかみ合ってモノリス構造を形成する。   In the present disclosure, the term “ceramic sintered body” refers to a sintered body made from a ceramic material. This ceramic sintered body may be sintered from two or more types of ceramic materials. For example, a ceramic sintered body can be sintered from a plurality of ceramic particles, which interlock with one another to form a monolithic structure.

本開示において、「相」という用語は、その至る所が材料の全ての物理的性質が本質的に均一である空間領域を称する。物理的性質の例としては、以下に限られないが、密度、屈折率、磁化、導電率、誘電率、および化学組成が挙げられる。相が、物理的および化学的に均一であり、物理的に区別できる材料の領域であることが好ましい。例えば、本開示のいくつかの実施の形態において、前記セラミック焼結体は、前記誘電セラミック相中に分散した前記半導体セラミック相を含む。その半導体セラミック相は、この半導体セラミック相内で本質的に均一である導電率を有する材料から実質的に作られる。同様に、その誘電セラミック相は、この誘電セラミック相内で本質的に均一である導電率を有する別の材料から実質的に作られる。さらに、半導体セラミック相の導電率は、誘電セラミック相の導電率と異なる。   In this disclosure, the term "phase" refers to a spatial region throughout which all physical properties of the material are essentially uniform. Examples of physical properties include, but are not limited to, density, refractive index, magnetization, conductivity, dielectric constant, and chemical composition. Preferably, the phases are regions of the material that are physically and chemically uniform and physically distinguishable. For example, in some embodiments of the present disclosure, the ceramic sintered body includes the semiconductor ceramic phase dispersed in the dielectric ceramic phase. The semiconductor ceramic phase is made substantially from a material having a conductivity that is essentially uniform within the semiconductor ceramic phase. Similarly, the dielectric ceramic phase is substantially made from another material having a conductivity that is essentially uniform within the dielectric ceramic phase. Furthermore, the conductivity of the semiconductor ceramic phase is different from the conductivity of the dielectric ceramic phase.

本開示のいくつかの実施の形態において、前記誘電セラミック相は、前記半導体セラミック相と比べた場合、連続相に似ている。他方で、その半導体セラミック相は、その誘電セラミック相内に分散した分散相に似ている。説明のために、図1は、本開示のいくつかの実施の形態によるセラミック焼結体の微細構造を示す。半導体セラミック相11が誘電セラミック相12内に分散しており、パーコレーション複合体を形成している。本開示のいくつかの実施の形態によるセラミック焼結体は、複数の半導体セラミック相および/または複数の誘電セラミック相を含むことがあることは注目に値する。   In some embodiments of the present disclosure, the dielectric ceramic phase resembles a continuous phase when compared to the semiconductor ceramic phase. On the other hand, the semiconductor ceramic phase resembles a dispersed phase dispersed within the dielectric ceramic phase. For purposes of illustration, FIG. 1 shows a microstructure of a ceramic sintered body according to some embodiments of the present disclosure. Semiconductor ceramic phase 11 is dispersed within dielectric ceramic phase 12, forming a percolation composite. It is worth noting that ceramic sinters according to some embodiments of the present disclosure may include multiple semiconductor ceramic phases and / or multiple dielectric ceramic phases.

本開示のいくつかの実施の形態において、前記誘電セラミック相は、誘電特性を有するセラミック材料からなる相を称する。例えば、そのような相の抵抗率は、約108Ω・cmより高い。 In some embodiments of the present disclosure, the dielectric ceramic phase refers to a phase made of a ceramic material having dielectric properties. For example, the resistivity of such a phase is higher than about 10 8 Ω · cm.

本開示のいくつかの実施の形態において、前記半導体セラミック相は、半導体特性を有するセラミック材料からなる相を称する。例えば、そのような相は、約0.5S/mより高い、または約1.0S/mより高い導電率を有するn型半導体であることがある。   In some embodiments of the present disclosure, the semiconductor ceramic phase refers to a phase made of a ceramic material having semiconductor characteristics. For example, such a phase may be an n-type semiconductor having a conductivity greater than about 0.5 S / m, or greater than about 1.0 S / m.

本開示のいくつかの実施の形態において、パーコレーション静電容量は、前記誘電セラミック相を通る電流路を形成するのにちょうど十分である前の前記半導体セラミック相の最高体積分率を称する。パーコレーション閾値は、その誘電セラミック相を通る電流路を形成するのにちょうど十分であるその半導体セラミック相の体積分率を称する。そのパーコレーション閾値の厳密値は、その材料、半導体セラミック相および誘電セラミック相の材料の粒径、並びにセラミック焼結体の焼結温度に依存するであろう。そのパーコレーション閾値は、測定またはシミュレーションにより得ることができ、これは、当業者により容易に認識できる。   In some embodiments of the present disclosure, percolation capacitance refers to the highest volume fraction of the semiconductor ceramic phase just before it is sufficient to form a current path through the dielectric ceramic phase. Percolation threshold refers to the volume fraction of the semiconductor ceramic phase that is just sufficient to form a current path through the dielectric ceramic phase. The exact value of the percolation threshold will depend on the material, the particle size of the materials of the semiconductor and dielectric ceramic phases, and the sintering temperature of the ceramic sintered body. The percolation threshold can be obtained by measurement or simulation, which can be easily recognized by those skilled in the art.

本開示において、前記パーコレーション複合体は、パーコレーション閾値に非常に高い半導体セラミック相の体積分率を有する。そのパーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値より数パーセント小さいこともあり得る。   In the present disclosure, the percolation composite has a very high semiconductor ceramic phase volume fraction at the percolation threshold. The volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the percolation composite can be several percent less than the percolation threshold.

セラミック焼結体(誘電セラミック相および半導体セラミック相を含む)の誘電率は、パーコレーション閾値で発散する。したがって、誘電セラミック相および半導体セラミック相は共にパーコレーション構造を形成し、半導体セラミック相の体積分率はパーコレーション閾値に非常に近いので、そのセラミック焼結体に改善された誘電率を与えることができる。すなわち、セラミック焼結体の誘電率は、半導体セラミック相の体積分率がパーコレーション閾値に近い領域に増加したときに、指数関数的に増加する。   The dielectric constant of a ceramic sintered body (including a dielectric ceramic phase and a semiconductor ceramic phase) diverges at a percolation threshold. Therefore, the dielectric ceramic phase and the semiconductor ceramic phase together form a percolation structure, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is very close to the percolation threshold, so that the ceramic sintered body can have an improved dielectric constant. That is, the dielectric constant of the ceramic sintered body increases exponentially when the volume fraction of the semiconductor ceramic phase increases to a region near the percolation threshold.

いくつかの実施の形態において、前記パーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値より約0.05%から約20%小さいことがある。例えば、特定の条件下でのパーコレーション閾値が30%である場合、同じ条件下でのサブパーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率は、約30−0.05%から約30−20%であろう。いくつかの実施の形態において、パーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値より約0.05%から約10%、約0.05%から約5%、または約0.05%から約3%小さいことがある。本開示のいくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の体積分率はパーコレーション閾値に近く、それより小さい。いくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値の厳密値の約0.999倍から約0.33倍であることがある。例えば、特定の条件下でのパーコレーション閾値が30%である場合、同じ条件下でのサブパーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率は、約(30×0.999)%から約(30×0.33)%であることがある。いくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の体積分率は、パーコレーション閾値の厳密値の約0.999倍から約0.65倍、約0.999倍から約0.75倍、約0.999倍から約0.85倍、または約0.999倍から約0.9倍であることがある。   In some embodiments, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the percolation composite may be from about 0.05% to about 20% below a percolation threshold. For example, if the percolation threshold under certain conditions is 30%, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the subpercolation composite under the same conditions is about 30-0.05% to about 30-20%. Will. In some embodiments, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the percolation composite is from about 0.05% to about 10%, from about 0.05% to about 5%, or about 0.05% above the percolation threshold. % To about 3% less. In some embodiments of the present disclosure, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is close to and less than the percolation threshold. In some embodiments, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase may be from about 0.999 to about 0.33 times the exact value of the percolation threshold. For example, if the percolation threshold under certain conditions is 30%, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the subpercolation composite under the same conditions is from about (30 × 0.999)% to about (30 × 99). × 0.33)% in some cases. In some embodiments, the volume fraction of the semiconducting ceramic phase is from about 0.999 to about 0.65, from about 0.999 to about 0.75, about 0,0 to about the exact value of the percolation threshold. It may be 999 times to about 0.85 times, or about 0.999 times to about 0.9 times.

いくつかの実施の形態において、例えば、所定の条件下でのパーコレーション閾値を計算することができる。所定の条件下でのパーコレーション閾値の計算モデルが、少なくとも、C.D. LorenzおよびR.M. Ziff, J. Chem. Phys. 114 3659 (2001)、S. Kirkpatrick, Rev. Mod. Phys. 45 574 (1973)、D. Stauffer, Phys Rep. 54 1 (1979)、並びにT.G. Castner等, Phys. Rev. Lett. 34 1627 (1975)に見ることができる。   In some embodiments, for example, a percolation threshold under predetermined conditions can be calculated. The calculation model of the percolation threshold under given conditions is at least CD Lorenz and RM Ziff, J. Chem. Phys. 114 3659 (2001), S. Kirkpatrick, Rev. Mod.Phys. 45 574 (1973), D Stauffer, Phys Rep. 541 (1979) and TG Castner et al., Phys. Rev. Lett. 34 1627 (1975).

前記サブパーコレーション複合体中の半導体セラミック相の体積分率の厳密値は、半導体セラミック相と半導体セラミック相の粒径、およびそれらの幾何分布に強く依存するであろう。例えば、誘電セラミック相の粒径が半導体セラミック相の粒径よりもずっと小さく、それらが十分に均一に分布している場合、半導体セラミック相の体積分率はより大きい値を示し得る。他方で、誘電セラミック相の粒径が半導体セラミック相の粒径よりもずっと大きく、それらが十分に幾何学的に分布している場合、半導体セラミック相の体積分率はより小さい値を示し得る。しかしながら、いくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の粒径が約3.0マイクロメートルであり、誘電セラミック相の粒径が約0.2マイクロメートルである場合、半導体セラミック相の体積分率は、好ましくは約5%から約60%、より好ましくは約15%から約40%、さらにより好ましくは約20%から約35%である。半導体セラミック相の粒径が約1.0マイクロメートルであり、誘電セラミック相の粒径が約0.2マイクロメートルである場合、半導体セラミック相の体積分率は、好ましくは約5%から60%、より好ましくは15%から40%、さらにより好ましくは約25%から35%である。そして、半導体セラミック相の粒径が0.2マイクロメートルであり、誘電セラミック相の粒径が0.1マイクロメートルである場合、半導体セラミック相の体積分率は、5%から55%、より好ましくは15%から35%、さらにより好ましくは約20%から30%である。しかしながら、いくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の形状が、パーコレーション閾値の厳密値に大々的に影響することがある。   The exact value of the volume fraction of the semiconductor ceramic phase in the subpercolation composite will depend strongly on the particle size of the semiconductor ceramic phase and the semiconductor ceramic phase, and their geometric distribution. For example, if the particle size of the dielectric ceramic phase is much smaller than the particle size of the semiconductor ceramic phase, and they are sufficiently homogeneously distributed, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase may exhibit higher values. On the other hand, if the particle size of the dielectric ceramic phase is much larger than the particle size of the semiconductor ceramic phase and they are sufficiently geometrically distributed, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase may exhibit smaller values. However, in some embodiments, when the particle size of the semiconductor ceramic phase is about 3.0 micrometers and the particle size of the dielectric ceramic phase is about 0.2 micrometers, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is Is preferably about 5% to about 60%, more preferably about 15% to about 40%, and even more preferably about 20% to about 35%. When the particle size of the semiconductor ceramic phase is about 1.0 micrometer and the particle size of the dielectric ceramic phase is about 0.2 micrometer, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is preferably about 5% to 60%. , More preferably 15% to 40%, even more preferably about 25% to 35%. When the particle size of the semiconductor ceramic phase is 0.2 μm and the particle size of the dielectric ceramic phase is 0.1 μm, the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is more preferably 5% to 55%. Is from 15% to 35%, even more preferably from about 20% to 30%. However, in some embodiments, the shape of the semiconductor ceramic phase can have a significant effect on the exact value of the percolation threshold.

例えば、本開示のいくつかの実施の形態による誘電セラミック相の材料としては、CaZrTi27(ジルコノライト)、CaZrO3、SrZrO3、BaZrO3、TiO2(ルチル)、ZrO2、またはその固溶体(例えば、その固溶体は、Ti1-xZrx2、式中、xは0と1の間の有理数である;またはCa1-xSrxZrO3、式中、xは0と1の間の有理数である;を含むことがある)が挙げられる。その誘電セラミック相がジルコノライトを含む場合、その誘電セラミック相が半導体セラミック相から明白に分離されていることが有利である。 For example, materials for the dielectric ceramic phase according to some embodiments of the present disclosure include CaZrTi 2 O 7 (zirconolite), CaZrO 3 , SrZrO 3 , BaZrO 3 , TiO 2 (rutile), ZrO 2 , or a solid solution thereof ( For example, the solid solution is Ti 1-x Zr x O 2 , where x is a rational number between 0 and 1; or Ca 1-x Sr x ZrO 3 , where x is between 0 and 1 Is a rational number; If the dielectric ceramic phase comprises zirconolite, it is advantageous that the dielectric ceramic phase is clearly separated from the semiconductor ceramic phase.

例えば、本開示のいくつかの実施の形態による半導体セラミック相の材料としては、ペロブスカイト材料が挙げられる。当業者には容易に認識できるように、「ペロブスカイト材料」は、XII2+VI4+2- 3の同じ種類の結晶構造を有する化合物の部類を称する。「A」および「B」は、サイズが非常に異なる2つの陽イオンであり、「X」は、両方に結合する陰イオンである。「A」原子 は「B」原子よりも大きい。理想的な立方体対称構造は、陰イオンの八面体に取り囲まれた、6配位に「B」陽イオンを、12立方八面体配位に「A」陽イオンを有する。本開示のいくつかの実施の形態において、ペロブスカイト材料としては、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、チタン酸ニッケル(NiTiO3)、チタン酸マンガン(MnTiO3)、チタン酸コバルト(CoTiO3)、チタン酸銅(CuTiO3)、チタン酸マグネシウム(MgTiO3)、またはそれらの複合体が挙げられる。ペロブスカイト材料が、例えば、還元雰囲気によって、還元されるなどの、還元状態にあり得ることが好ましい。本開示のいくつかの実施の形態において、半導体セラミック相の材料としては、還元TiO2(ルチル)、すなわち、TiO2-x;酸素欠損状態の半導体が挙げられる。この還元TiO2(ルチル)は、例えば、還元雰囲気によって還元することができる。 For example, materials for the semiconductor ceramic phase according to some embodiments of the present disclosure include perovskite materials. As can be readily appreciated by those skilled in the art, "perovskite material" refers to a class of compounds having the same type of crystal structure XII A 2 + VI B 4+ X 2- 3. "A" and "B" are two cations that differ greatly in size, and "X" is an anion that binds to both. "A" atoms are larger than "B" atoms. An ideal cubic symmetry structure has a “B” cation in a 6-coordinate configuration and an “A” cation in a 12-cubic octahedral configuration, surrounded by an anionic octahedron. In some embodiments of the present disclosure, the perovskite material includes strontium titanate (SrTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), nickel titanate (NiTiO 3 ), titanic acid Examples include manganese (MnTiO 3 ), cobalt titanate (CoTiO 3 ), copper titanate (CuTiO 3 ), magnesium titanate (MgTiO 3 ), or a composite thereof. It is preferred that the perovskite material can be in a reduced state, for example, reduced by a reducing atmosphere. In some embodiments of the present disclosure, the semiconductor ceramic phase material includes reduced TiO 2 (rutile), ie, TiO 2-x ; a semiconductor in an oxygen deficient state. This reduced TiO 2 (rutile) can be reduced, for example, by a reducing atmosphere.

ペロブスカイト材料、CaZrTi27、TiO2(ルチル)およびZrO2の中に格子不整合があるけれども、焼結過程中に、Tiの相互拡散がペロブスカイト材料(XII2+VI4+2- 3の「B」がTiである)と、CaZrTi27、TiO2(ルチル)との間に生じ、Zrの相互拡散がCaZrTi27、CaZrO3、SrZrO3、BaZrO3およびZrO2の間で生じるので、そのような格子不整合は克服することができる。したがって、先に列挙された材料を半導体セラミック相および誘電セラミック相として使用する場合、亀裂、破壊、脆性破壊および破砕がなく、それらを一緒に焼結し、セラミック焼結体の好ましい構造強度を提供することができる。 Although there is a lattice mismatch among the perovskite materials, CaZrTi 2 O 7 , TiO 2 (rutile) and ZrO 2 , during the sintering process, the interdiffusion of Ti causes the perovskite material ( XII A 2 + VI B 4+ X 2) - and 3 "B" is Ti), formed between the CaZrTi 2 O 7, TiO 2 (rutile), interdiffusion of Zr is CaZrTi 2 O 7, CaZrO 3, SrZrO 3, BaZrO 3 and ZrO 2 , Such a lattice mismatch can be overcome. Therefore, when the above listed materials are used as semiconductor ceramic phase and dielectric ceramic phase, they are sintered together without cracks, fractures, brittle fractures and fractures, providing favorable structural strength of the ceramic sintered body can do.

さらに、本開示のいくつかの実施の形態において、前記誘電セラミック相に別の添加剤をさらにドープすることができる。例えば、その添加剤は、V、Nb、Crなどのアクセプタ型添加剤である。それに加え、その添加剤は、誘電特性を増加させるために、マンガン化合物、マグネシウム化合物、ケイ酸塩化合物、タングステン化合物またはアルミナ化合物であってもよい。本開示のいくつかの実施の形態において、その誘電セラミック相に、MnO2、MgOまたはWO3などのドーパントをさらにドープすることができる。そのようなドーパントは、誘電セラミック相の誘電特性を向上させる、例えば、誘電セラミック相の抵抗率および信頼性を増加させることができる。 Further, in some embodiments of the present disclosure, the dielectric ceramic phase may be further doped with another additive. For example, the additive is an acceptor-type additive such as V, Nb, or Cr. In addition, the additive may be a manganese compound, a magnesium compound, a silicate compound, a tungsten compound or an alumina compound to increase the dielectric properties. In some embodiments of the present disclosure, the dielectric ceramic phase can be further doped with a dopant such as MnO 2 , MgO or WO 3 . Such dopants can improve the dielectric properties of the dielectric ceramic phase, for example, increase the resistivity and reliability of the dielectric ceramic phase.

同様に、本開示のいくつかの実施の形態において、前記半導体セラミック相は添加剤がさらにドープされている。例えば、その添加剤は、Y、NbまたはLaなどのドナー型添加剤であり、それゆえ、半導体セラミック相において、Y23、Nb25、La23を形成する。そのような添加剤は、半導体セラミック相の半導体特性を向上させる、例えば、半導体セラミック相の導電率を増加させることができる。ドナー型添加剤がドープされ、還元されたペロブスカイト材料は、高いドナー密度のn型半導体材料を形成することができる。 Similarly, in some embodiments of the present disclosure, the semiconductor ceramic phase is further doped with additives. For example, the additive is a donor-type additive such as Y, Nb or La, thus forming Y 2 O 3 , Nb 2 O 5 , La 2 O 3 in the semiconductor ceramic phase. Such additives can improve the semiconductor properties of the semiconductor ceramic phase, for example, increase the conductivity of the semiconductor ceramic phase. The reduced perovskite material doped with a donor-type additive can form a high donor density n-type semiconductor material.

本開示は、上述したセラミック焼結体を含む受動素子をさらに提供する。本開示において、その受動素子は、それが接続される利用できる交流(AC)回路を除いて、動作エネルギーを必要としない電子部品である。その受動素子は、電力利得を得ることができず、エネルギー源ではない。例えば、受動素子としては、抵抗器、コンデンサ、誘導子、および変圧器などの二端子部品があげられる。   The present disclosure further provides a passive element including the ceramic sintered body described above. In the present disclosure, the passive element is an electronic component that does not require operating energy, except for the available alternating current (AC) circuit to which it is connected. The passive element cannot gain power gain and is not an energy source. For example, passive elements include two-terminal components such as resistors, capacitors, inductors, and transformers.

本開示は、上述したセラミック焼結体を製造する方法にも関することがある。その方法は、半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子を混合して、混合物を得る工程、およびその混合物を中性雰囲気下で焼結する工程を有してなる。   The present disclosure may also relate to a method of manufacturing the ceramic sintered body described above. The method comprises the steps of mixing semiconductor ceramic particles and dielectric ceramic particles to obtain a mixture, and sintering the mixture under a neutral atmosphere.

本開示のいくつかの実施の形態において、前記半導体セラミック粒子は、上述した半導体セラミック相と同じ材料から作られる。しかしながら、TiO2粒子を、ルチルおよびアナターゼ構造の両方で提供できることが注目に値する。その半導体セラミック粒子のサイズは、約0.1マイクロメートルから約5マイクロメートル、好ましくは約0.2マイクロメートルから約2マイクロメートルであることがある。同様に、前記誘電セラミック粒子は、上述した誘電セラミック相と同じ材料から作られる。その誘電セラミック粒子のサイズは、約0.1マイクロメートルから約5マイクロメートル、好ましくは約0.2マイクロメートルから約2マイクロメートルであることがある。その半導体セラミック粒子およびその誘電セラミック粒子の混合工程は、例えば、ビーズミル粉砕機によって行うことができる。混合後、その混合物は、N2、He、Arなどの中性雰囲気下で焼結される。焼結温度は、例えば、約1100℃から約1500℃であることがある。 In some embodiments of the present disclosure, the semiconductor ceramic particles are made from the same material as the semiconductor ceramic phase described above. However, it is noteworthy that TiO 2 particles can be provided in both rutile and anatase structures. The size of the semiconductor ceramic particles may be from about 0.1 micrometer to about 5 micrometers, preferably from about 0.2 micrometer to about 2 micrometers. Similarly, the dielectric ceramic particles are made from the same material as the dielectric ceramic phase described above. The size of the dielectric ceramic particles may be from about 0.1 micrometer to about 5 micrometers, preferably from about 0.2 micrometer to about 2 micrometers. The step of mixing the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles can be performed by, for example, a bead mill pulverizer. After mixing, the mixture, N 2, the He, is sintered under a neutral atmosphere such as Ar. The sintering temperature may be, for example, from about 1100 ° C to about 1500 ° C.

本開示のいくつかの実施の形態において、前記方法は、半導体セラミック粒子、誘電セラミック粒子および結合剤を溶媒中で混合する工程、および焼結前に結合剤および溶媒を除去する工程をさらに含む。例えば、その結合剤としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリレートおよびエチルセルロースが挙げられる。その溶媒としては、エタノール、トルエン、メチルエチルケトン(MEK)、ジエチレングリコールモノブチルエーテル(BC)およびブチルカルビトールアセテート(BCA)、並びにそれらの組合せが挙げられる。焼結密度を増加させ、焼結温度を低下させるために、SiO2、GeO2、B23などの他の焼結助剤を添加しても差し支えない。その溶媒は、半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子を混合するための液体を称する。その溶媒が、半導体セラミック粒子、誘電セラミック粒子、および/または結合剤と反応しないことが好ましい。例えば、その溶媒としては、アルコール、エーテルなどが挙げられる。 In some embodiments of the present disclosure, the method further comprises mixing the semiconductor ceramic particles, the dielectric ceramic particles and the binder in a solvent, and removing the binder and the solvent before sintering. For example, the binder includes polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylate and ethyl cellulose. Such solvents include ethanol, toluene, methyl ethyl ketone (MEK), diethylene glycol monobutyl ether (BC) and butyl carbitol acetate (BCA), and combinations thereof. In order to increase the sintering density and lower the sintering temperature, other sintering aids such as SiO 2 , GeO 2 and B 2 O 3 may be added. The solvent refers to a liquid for mixing the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles. Preferably, the solvent does not react with the semiconductor ceramic particles, the dielectric ceramic particles, and / or the binder. For example, examples of the solvent include alcohol and ether.

以下の実施例は、説明のためにだけに与えられたものであり、本発明の範囲を制限する意図はない。   The following examples are given for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

実施例1:誘電セラミック相としてのTiO2・ZrO2固溶体および半導体セラミック相としてのSrTiO3・CaTiO3固溶体を含むセラミック焼結体
図2は、実施例1の工程系統図を示す。0.075モルの炭酸ストロンチウム(SrCO3)、0.075モルの炭酸カルシウム(CaCO3)、および0.15モルのTiO2(ルチル)をエタノール中でビーズミル粉砕機(直径0.1mmの酸化ジルコニウムビーズ)により混合した。混合後、混合した粉末を窒素ガス流中で乾燥させた。得られた混合物を乾式粉砕し、5時間に亘りN2+H2(95%+5%)ガス流中において1,000℃でか焼して、黒色の半導体(Sr0.5Ca0.5)TiO3粉末を得た。その乾式粉砕した粉末に0.5モルの酸化ジルコニウム(ZrO2)および0.5モルの酸化チタン(TiO2)(ルチル)を添加し、ビーズミル粉砕機により再び混合した。
Example 1 Ceramic Sintered Body Containing TiO 2 .ZrO 2 Solid Solution as Dielectric Ceramic Phase and SrTiO 3 .CaTiO 3 Solid Solution as Semiconductor Ceramic Phase FIG. 2 shows a process flow diagram of Example 1. 0.075 mol of strontium carbonate (SrCO 3 ), 0.075 mol of calcium carbonate (CaCO 3 ), and 0.15 mol of TiO 2 (rutile) are mixed in ethanol with a bead mill (zirconium oxide having a diameter of 0.1 mm). Beads). After mixing, the mixed powder was dried in a stream of nitrogen gas. The resulting mixture is dry ground and calcined at 1,000 ° C. in a N 2 + H 2 (95% + 5%) gas stream for 5 hours to give a black semiconductor (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 powder. Obtained. 0.5 mol of zirconium oxide (ZrO 2 ) and 0.5 mol of titanium oxide (TiO 2 ) (rutile) were added to the dry-pulverized powder and mixed again by a bead mill.

このように形成された100質量部の粉末をエタノール中で混合し、混練し、次に、15質量部のPVA結合剤、0.1質量部のSiO2および0.05質量部のAl23と混合して、スラリーを形成した。そのスラリーを、被覆装置を使用して、ポリエチレンテレフタレート担体テープ上に被覆して、未焼成シートを形成した。その未焼成シートを打ち抜いて、複数のペレットを形成した。それらのペレットを0.015気圧(約1.5MPa)超の酸素分圧および550℃の温度で60分に亘り加熱して、有機結合剤を除去した。次いで、そのペレットを、N2を含有する雰囲気下で30分間に亘り1250℃の温度で焼結して、セラミック焼結体を形成した。上記条件の理論パーコレーション閾値は約28.95%であり、そのセラミック焼結体中の半導体セラミック相(SrTiO3・CaTiO3)の体積分率は約27%である。そのセラミック焼結体中の半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子の均一な混合状態を確認するために、誘電特性の測定前に、試料を、空気中において、それぞれ、800℃、900℃、および1000℃で30分間に亘り再酸化した。再酸化中、半導体セラミック粒子は、粒界での酸素拡散によって、粒界区域から酸化するであろう。一方で、誘電セラミック粒子においても、粒界で酸素拡散が起こる。適切な再酸化条件でセラミック焼結体の性質が向上するであろう。しかしながら、再酸化温度が高いと、酸素拡散は、粒界だけでなく、粒子の内部でも起こる。強烈な酸素拡散は半導体セラミック粒子の劣化をもたらし、それゆえ、その導電率を減少させる。このようにして得られた焼結体を、両面から100マイクロメートルの深さまで研磨して、誘電特性の測定のためにAu電極を蒸着した。 100 parts by weight of the powder thus formed are mixed and kneaded in ethanol, then 15 parts by weight of PVA binder, 0.1 parts by weight of SiO 2 and 0.05 parts by weight of Al 2 O 3 to form a slurry. The slurry was coated on a polyethylene terephthalate carrier tape using a coating apparatus to form a green sheet. The green sheet was punched out to form a plurality of pellets. The pellets were heated at a partial pressure of oxygen greater than 0.015 atmospheres (about 1.5 MPa) and a temperature of 550 ° C. for 60 minutes to remove the organic binder. Next, the pellet was sintered at a temperature of 1250 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing N 2 to form a ceramic sintered body. The theoretical percolation threshold under the above conditions is about 28.95%, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 .CaTiO 3 ) in the ceramic sintered body is about 27%. In order to confirm the uniform mixing state of the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles in the ceramic sintered body, the samples were placed in air at 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. before measuring the dielectric properties. For 30 minutes. During reoxidation, the semiconductor ceramic particles will oxidize from the grain boundary area due to oxygen diffusion at the grain boundaries. On the other hand, also in the dielectric ceramic particles, oxygen diffusion occurs at the grain boundaries. Proper reoxidation conditions will improve the properties of the ceramic sintered body. However, at high reoxidation temperatures, oxygen diffusion occurs not only at the grain boundaries but also inside the grains. Intense oxygen diffusion results in the degradation of the semiconductor ceramic particles and therefore reduces their conductivity. The sintered body thus obtained was polished from both sides to a depth of 100 micrometers, and an Au electrode was deposited for measuring dielectric properties.

図3Aは、実施例1のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像を示す。この画像のコントラスト差は、少なくとも、第1のセラミック相(より明るい粒子)および第2のセラミック相(より暗い粒子)を示す。さらに、STEM−EDX化学分析(図3Bから3E)は、第1のセラミック相(Sr・Ca・Ti)および第2のセラミック相(Ti・Zr)の存在を実証する。   FIG. 3A shows a high angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 1. The contrast difference in this image indicates at least a first ceramic phase (lighter particles) and a second ceramic phase (darker particles). Further, STEM-EDX chemical analysis (FIGS. 3B to 3E) demonstrates the presence of a first ceramic phase (Sr.Ca.Ti) and a second ceramic phase (Ti.Zr).

図4Aは、第1のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(より明るい粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSr、CaおよびTiを示す)を示す。その結果は、第1のセラミック相(より明るい粒子)が(213)(Sr0.5Ca0.5)TiO3であることを示す。図4Bは、第2のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(より暗い粒子はSTEM−EDX化学分析におけるTiおよびZrを示す)を示す。その結果は、第2のセラミック相(より暗い粒子)が(001)TiO2(ルチル)であり、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体として推定されることを示す。 FIG. 4A shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the first ceramic phase (lighter particles indicate Sr, Ca and Ti in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the first ceramic phase (brighter particles) is (213) (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 . FIG. 4B shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the second ceramic phase (darker particles indicate Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the second ceramic phase (darker particles) is (001) TiO 2 (rutile) and is presumed to be a rutile structure TiO 2 .ZrO 2 solid solution.

図5は、実施例1のセラミック焼結体のX線回折(XRD)を示す。それらのピークも、セラミック焼結体中の第1のセラミック相(すなわち、(Sr0.5Ca0.5)TiO3相)および第2のセラミック相(すなわち、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体相)の存在を示す。 FIG. 5 shows an X-ray diffraction (XRD) of the ceramic sintered body of Example 1. These peaks also indicate the presence of the first ceramic phase (ie, (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 phase) and the second ceramic phase (ie, rutile structure TiO 2 .ZrO 2 solid solution phase) in the ceramic sintered body. Is shown.

図6A、図6B、および図6Cは、いくつかの異なる再酸化条件下での実施例1のセラミック焼結体の比誘電率、誘電損失、および抵抗率を示す。比誘電率および誘電損失の減少、並びに抵抗率の増加は、(Sr0.5Ca0.5)TiO3半導体相の再酸化の増加を示唆する。得られたセラミック焼結体(図6Aから6Cに「焼結されたまま」と示されている)は、(Sr0.5Ca0.5)TiO3およびTiO2・ZrO2のものよりも著しく大きい比誘電率を有し、その比誘電率は、再酸化温度の上昇に対応して減少する。半導体セラミック相((Sr0.5Ca0.5)TiO3)の酸化レベルに応じての比誘電率の減少は、そのセラミック焼結体がサブパーコレーション複合体であることを示す。すなわち、非常に大きい見掛けの比誘電率は、そのサブパーコレーション複合体に由来する。 6A, 6B, and 6C show the relative dielectric constant, dielectric loss, and resistivity of the ceramic sintered body of Example 1 under several different reoxidation conditions. A decrease in the relative permittivity and dielectric loss and an increase in the resistivity indicate an increase in the reoxidation of the (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 semiconductor phase. The resulting ceramic sintered body (shown as "as sintered" in FIGS. 6A to 6C) has a dielectric constant significantly greater than that of (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 and TiO 2 .ZrO 2. And its relative permittivity decreases with increasing reoxidation temperature. A decrease in the relative dielectric constant according to the oxidation level of the semiconductor ceramic phase ((Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 3 ) indicates that the ceramic sintered body is a subpercolation composite. That is, a very large apparent dielectric constant is derived from the subpercolation complex.

したがって、上記分析結果は、実施例1のセラミック焼結体は、誘電セラミック相(すなわち、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体相)中に分散した半導体セラミック相(すなわち、(Sr0.5Ca0.5)TiO3相)を含み、その半導体セラミック相および誘電セラミック相は共にサブパーコレーション複合体を形成することを示す。 Therefore, the above analysis results show that the ceramic sintered body of Example 1 shows that the semiconductor ceramic phase (that is, (Sr 0.5 Ca 0.5 ) TiO 2 ) dispersed in the dielectric ceramic phase (that is, the rutile TiO 2. 3 ), indicating that the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a subpercolation composite.

実施例2:誘電セラミック相としてのTiO2・ZrO2固溶体および半導体セラミック相としてのSrTiO3・CaTiO3固溶体を含むセラミック焼結体
図7は、実施例2の工程系統図を示す。0.11モルの炭酸ストロンチウム(SrCO3)、0.046モルの炭酸カルシウム(CaCO3)、および0.154モルのTiO2(ルチル)をエタノール中でビーズミル粉砕機(直径0.1mmの酸化ジルコニウムビーズ)により混合した。混合後、混合した粉末を窒素ガス流中で乾燥させた。得られた混合物を乾式粉砕し、5時間に亘りN2+H2(95%+5%)ガス流中において1,100℃でか焼して、黒色の半導体(Sr0.7Ca0.3)TiO3粉末を得た。その乾式粉砕した粉末に0.7モルの酸化ジルコニウム(ZrO2)および0.3モルの酸化チタン(TiO2)(ルチル)を添加し、ビーズミル粉砕機により再び混合した。
Example 2 Ceramic Sintered Body Containing TiO 2 .ZrO 2 Solid Solution as Dielectric Ceramic Phase and SrTiO 3 .CaTiO 3 Solid Solution as Semiconductor Ceramic Phase FIG. 7 shows a process flow diagram of Example 2. 0.11 mol of strontium carbonate (SrCO 3 ), 0.046 mol of calcium carbonate (CaCO 3 ), and 0.154 mol of TiO 2 (rutile) were milled in ethanol with a bead mill (zirconium oxide 0.1 mm in diameter). Beads). After mixing, the mixed powder was dried in a stream of nitrogen gas. The resulting mixture is dry milled and calcined at 1100 ° C. in a N 2 + H 2 (95% + 5%) gas stream for 5 hours to give a black semiconductor (Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 powder. Obtained. 0.7 mol of zirconium oxide (ZrO 2 ) and 0.3 mol of titanium oxide (TiO 2 ) (rutile) were added to the dry-pulverized powder and mixed again by a bead mill.

このように形成された100質量部の粉末を、20%のMEKおよび80%のBCA(v/v)を含有する溶媒中で混練し、次に、15質量部のエチルセルロース、0.3質量部のCaSiO3、0.1質量部のGeO2および0.05質量部のAl23と混合して、スラリーを形成した。そのスラリーを、被覆装置を使用して、ポリエチレンテレフタレート(PET)担体テープ上に被覆して、未焼成シートを形成した。その未焼成シートを打ち抜いて、複数のペレットを形成した。それらのペレットを0.015気圧(約1.5MPa)超の酸素分圧および450℃の温度で60分に亘り加熱して、結合剤を除去した。次いで、そのペレットを、N2を含有する雰囲気下で30分間に亘り1300℃の温度で焼結して、セラミック焼結体を形成した。上記条件の理論パーコレーション閾値は約28.95%であり、そのセラミック焼結体中の半導体セラミック相(SrTiO3・CaTiO3)の体積分率は約27.3%である。そのセラミック焼結体中の半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子の均一な混合状態を確認するために、誘電特性の測定前に、試料を、空気中において、それぞれ、800℃、900℃、および1000℃で30分間に亘り再酸化した。このようにして得られた焼結体を、両面から100マイクロメートルの深さまで研磨して、誘電特性の測定のためにAu電極を蒸着した。 100 parts by weight of the powder thus formed are kneaded in a solvent containing 20% of MEK and 80% of BCA (v / v), then 15 parts by weight of ethyl cellulose, 0.3 parts by weight of CaSiO 3, it was mixed with Al 2 O 3 of GeO 2 and 0.05 parts by weight of 0.1 parts by weight to form a slurry. The slurry was coated on a polyethylene terephthalate (PET) carrier tape using a coating apparatus to form a green sheet. The green sheet was punched out to form a plurality of pellets. The pellets were heated at an oxygen partial pressure greater than 0.015 atmospheres (about 1.5 MPa) and a temperature of 450 ° C. for 60 minutes to remove the binder. Next, the pellet was sintered at a temperature of 1300 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing N 2 to form a ceramic sintered body. The theoretical percolation threshold under the above conditions is about 28.95%, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 .CaTiO 3 ) in the ceramic sintered body is about 27.3%. In order to confirm the uniform mixing state of the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles in the ceramic sintered body, the samples were placed in air at 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. before measuring the dielectric properties. For 30 minutes. The sintered body thus obtained was polished from both sides to a depth of 100 micrometers, and an Au electrode was deposited for measuring dielectric properties.

図8Aは、実施例2のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像を示す。この画像のコントラスト差は、いくつかのセラミック相を示す。さらに、STEM−EDX化学分析(図8Bから8E)は、第1のセラミック相(Sr・Ca・Ti)、第2のセラミック相(Ti・Zr)、および第3のセラミック相(Ca・Zr・Ti)の存在を実証する。   FIG. 8A shows a high angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 2. The contrast difference in this image indicates several ceramic phases. Further, the STEM-EDX chemical analysis (FIGS. 8B to 8E) revealed a first ceramic phase (Sr.Ca.Ti), a second ceramic phase (Ti.Zr), and a third ceramic phase (Ca.Zr. Demonstrates the presence of Ti).

図9Aは、第1のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSr、CaおよびTiを示す)を示す。その結果は、第1のセラミック相が(212)(Sr0.7Ca0.3)TiO3であることを示す。図9Bは、第2のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるTiおよびZrを示す)を示す。その結果は、第2のセラミック相が(311)TiO2(ルチル)であり、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体として推定されることを示す。図9Cは、第3のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるCa、ZrおよびTiを示す)を示す。図9Dに示された(150)CaZrTi27(ジルコノライト)のシミュレーション結果と比べると、第3のセラミック相は(150)CaZrTi27(ジルコノライト)であると考えられる。 FIG. 9A shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the first ceramic phase (particles show Sr, Ca and Ti in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the first ceramic phase is (212) (Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 . FIG. 9B shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the second ceramic phase (particles indicate Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the second ceramic phase is (311) TiO 2 (rutile), which is estimated as a rutile structure TiO 2 .ZrO 2 solid solution. FIG. 9C shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the third ceramic phase (particles indicate Ca, Zr and Ti in STEM-EDX chemical analysis). Compared to the simulation result of the illustrated in FIG. 9D (150) CaZrTi 2 O 7 ( Jirukonoraito), the third ceramic phase is considered to be (150) CaZrTi 2 O 7 (Jirukonoraito).

図10は、実施例2のセラミック焼結体のX線回折(XRD)を示す。それらのピークも、セラミック焼結体中の第1のセラミック相(すなわち、(Sr0.7Ca0.3)TiO3相)、第2のセラミック相(すなわち、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体相)、および第3のセラミック相(すなわち、CaZrTi27相)の存在を示す。 FIG. 10 shows an X-ray diffraction (XRD) of the ceramic sintered body of Example 2. These peaks also show the first ceramic phase (ie, (Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 phase), the second ceramic phase (ie, rutile TiO 2 .ZrO 2 solid solution phase) in the ceramic sintered body, and Indicates the presence of a third ceramic phase (ie, CaZrTi 2 O 7 phase).

図11A、図11B、および図11Cは、いくつかの異なる再酸化条件下での実施例2のセラミック焼結体の比誘電率、誘電損失、および抵抗率を示す。比誘電率および誘電損失の減少、並びに抵抗率の増加は、(Sr0.7Ca0.3)TiO3半導体相の再酸化の増加を示唆する。得られたセラミック焼結体(図11Aから11Cに「焼結されたまま」と示されている)は、(Sr0.7Ca0.3)TiO3、CaZrTi27、およびTiO2・ZrO2のものよりも著しく大きい比誘電率を有し、その比誘電率は、再酸化温度の上昇に対応して減少する。半導体セラミック相((Sr0.7Ca0.3)TiO3)の酸化レベルに応じての比誘電率の減少は、そのセラミック焼結体がサブパーコレーション複合体であることを示す。すなわち、非常に大きい見掛けの比誘電率は、そのサブパーコレーション複合体に由来する。 FIGS. 11A, 11B, and 11C show the relative dielectric constant, dielectric loss, and resistivity of the ceramic sintered body of Example 2 under several different reoxidation conditions. A decrease in the relative permittivity and dielectric loss and an increase in the resistivity indicate an increase in the reoxidation of the (Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 semiconductor phase. The resulting ceramic sintered body (shown in 11C Figures 11A and "as-sintered") is, (Sr 0.7 Ca 0.3) TiO 3, CaZrTi 2 O 7, and TiO 2 · ZrO 2 ones Relative dielectric constant, which decreases with increasing re-oxidation temperature. A decrease in the relative dielectric constant according to the oxidation level of the semiconductor ceramic phase ((Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 ) indicates that the ceramic sintered body is a subpercolation composite. That is, a very large apparent dielectric constant is derived from the subpercolation complex.

したがって、上記分析結果は、実施例2のセラミック焼結体は、誘電セラミック相(すなわち、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体相およびCaZrTi27相)中に分散した半導体セラミック相(すなわち、(Sr0.7Ca0.3)TiO3相)を含み、その半導体セラミック相および誘電セラミック相は共にサブパーコレーション複合体を形成することを示す。 Thus, the analytical results, the ceramic sintered body of Example 2, the dielectric ceramic phase (i.e., rutile structure TiO 2 · ZrO 2 solid solution phase and CaZrTi 2 O 7 phase) dispersed semiconductor ceramic phase in (i.e., ( Sr 0.7 Ca 0.3 ) TiO 3 phase), indicating that the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a subpercolation composite.

実施例3:誘電セラミック相としてのTiO2・ZrO2固溶体および半導体セラミック相としてのSrTiO3を含むセラミック焼結体
図12は、実施例3の工程系統図を示す。0.25モルの炭酸ストロンチウム(SrCO3)および0.25モルのTiO2(アナターゼ)をエタノール中でビーズミル粉砕機(直径0.1mmの酸化ジルコニウムビーズ)により混合した。混合後、混合した粉末を窒素ガス流中で乾燥させた。得られた混合物を乾式粉砕し、5時間に亘りN2+H2(95%+5%)ガス流中において1,000℃でか焼して、黒色の半導体SrTiO3粉末を得た。その乾式粉砕した粉末に0.5モルの酸化ジルコニウム(ZrO2)および0.5モルの酸化チタン(TiO2)(アナターゼ)を添加し、ビーズミル粉砕機により再び混合した。
Example 3 Ceramic Sinter Containing TiO 2 .ZrO 2 Solid Solution as Dielectric Ceramic Phase and SrTiO 3 as Semiconductor Ceramic Phase FIG. 12 shows a process flow diagram of Example 3. 0.25 mol of strontium carbonate (SrCO 3 ) and 0.25 mol of TiO 2 (anatase) were mixed in ethanol with a bead mill (zirconium oxide beads having a diameter of 0.1 mm) in ethanol. After mixing, the mixed powder was dried in a stream of nitrogen gas. The resulting mixture was dry milled and calcined at 1,000 ° C. in a N 2 + H 2 (95% + 5%) gas stream for 5 hours to obtain a black semiconductor SrTiO 3 powder. 0.5 mol of zirconium oxide (ZrO 2 ) and 0.5 mol of titanium oxide (TiO 2 ) (anatase) were added to the dry-pulverized powder and mixed again with a bead mill.

このように形成された100質量部の粉末を、35%のトルエンおよび65%のMEK(v/v)を含有する溶媒中で混練し、次に、15質量部のポリアクリレート、0.3質量部のSrSiO3、0.1質量部のGeO2および0.1質量部のMnO2と混合して、スラリーを形成した。そのスラリーを、被覆装置を使用して、PET担体テープ上に被覆して、未焼成シートを形成した。その未焼成シートを打ち抜いて、複数のペレットを形成した。それらのペレットを0.015気圧(約1.5MPa)超の酸素分圧および450℃の温度で60分に亘り加熱して、有機結合剤を除去した。次いで、そのペレットを、N2を含有する雰囲気下で30分間に亘り1300℃の温度で焼結して、セラミック焼結体を形成した。上記条件の理論パーコレーション閾値は約28.95%であり、そのセラミック焼結体中の半導体セラミック相(SrTiO3)の体積分率は約27.8%である。そのセラミック焼結体中の半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子の均一な混合状態を確認するために、誘電特性の測定前に、試料を、空気中において、それぞれ、800℃、900℃、および1000℃で30分間に亘り再酸化した。このようにして得られた焼結体を、両面から100マイクロメートルの深さまで研磨して、誘電特性の測定のためにAu電極を蒸着した。 100 parts by weight of the powder thus formed are kneaded in a solvent containing 35% of toluene and 65% of MEK (v / v), then 15 parts by weight of polyacrylate, 0.3 parts by weight Parts of SrSiO 3 , 0.1 parts by weight of GeO 2 and 0.1 parts by weight of MnO 2 to form a slurry. The slurry was coated on a PET carrier tape using a coating device to form a green sheet. The green sheet was punched out to form a plurality of pellets. The pellets were heated at an oxygen partial pressure greater than 0.015 atm (about 1.5 MPa) and a temperature of 450 ° C. for 60 minutes to remove the organic binder. Next, the pellet was sintered at a temperature of 1300 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing N 2 to form a ceramic sintered body. The theoretical percolation threshold under the above conditions is about 28.95%, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 ) in the ceramic sintered body is about 27.8%. In order to confirm the uniform mixing state of the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles in the ceramic sintered body, the samples were placed in air at 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. before measuring the dielectric properties. For 30 minutes. The sintered body thus obtained was polished from both sides to a depth of 100 micrometers, and an Au electrode was deposited for measuring dielectric properties.

図13Aは、実施例3のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像を示す。この画像のコントラスト差は、いくつかのセラミック相を示す。さらに、STEM−EDX化学分析(図13Bから13D)は、第1のセラミック相(Sr・Ti)および第2のセラミック相(Ti・Zr)の存在を実証する。   FIG. 13A shows a high angle annular dark field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 3. The contrast difference in this image indicates several ceramic phases. Further, STEM-EDX chemical analysis (FIGS. 13B to 13D) demonstrates the presence of a first ceramic phase (Sr.Ti) and a second ceramic phase (Ti.Zr).

図14Aは、第1のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSrおよびTiを示す)を示す。その結果は、第1のセラミック相が(112)SrTiO3であることを示す。図14Bは、第2のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるTiおよびZrを示す)を示す。その結果は、第2のセラミック相が(101)TiO2(ルチル)であり、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体として推定されることを示す。 FIG. 14A shows a selected area electron diffraction image (SAED) (particles represent Sr and Ti in STEM-EDX chemical analysis) obtained from the first ceramic phase. The results show that the first ceramic phase (112) is a SrTiO 3. FIG. 14B shows a selected area electron diffraction image (SAED) (particles show Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis) obtained from the second ceramic phase. The results show that the second ceramic phase is (101) TiO 2 (rutile), which is presumed to be a rutile structure TiO 2 .ZrO 2 solid solution.

図15は、実施例3のセラミック焼結体のX線回折(XRD)を示す。それらのピークも、第1のセラミック相(すなわち、SrTiO3相)および第2のセラミック相(すなわち、ルチル構造TiO2・ZrO2固溶体相)の存在を示す。 FIG. 15 shows an X-ray diffraction (XRD) of the ceramic sintered body of Example 3. These peaks also indicate the presence of a first ceramic phase (ie, SrTiO 3 phase) and a second ceramic phase (ie, rutile TiO 2 .ZrO 2 solid solution phase).

図16A、図16B、および図16Cは、いくつかの異なる再酸化条件下での実施例3のセラミック焼結体の比誘電率、誘電損失、および抵抗率を示す。比誘電率および誘電損失の減少、並びに抵抗率の増加は、SrTiO3半導体相の再酸化の増加を示唆する。得られたセラミック焼結体(図16Aから16Cに「焼結されたまま」と示されている)は、SrTiO3およびTiO2・ZrO2のものよりも著しく大きい比誘電率を有し、その比誘電率は、再酸化温度の上昇に対応して減少する。半導体セラミック相(SrTiO3)の酸化レベルに応じての比誘電率の減少は、そのセラミック焼結体がサブパーコレーション複合体であることを示す。すなわち、非常に大きい見掛けの比誘電率は、そのサブパーコレーション複合体に由来する。 FIGS. 16A, 16B, and 16C show the relative dielectric constant, dielectric loss, and resistivity of the ceramic sintered body of Example 3 under several different reoxidation conditions. A decrease in relative permittivity and dielectric loss, as well as an increase in resistivity, indicate an increase in reoxidation of the SrTiO 3 semiconductor phase. The resulting ceramic sintered body (shown as “as sintered” in FIGS. 16A to 16C) has a relative dielectric constant significantly greater than that of SrTiO 3 and TiO 2 .ZrO 2 , The relative permittivity decreases with increasing re-oxidation temperature. A decrease in the relative dielectric constant according to the oxidation level of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 ) indicates that the ceramic sintered body is a subpercolation composite. That is, a very large apparent dielectric constant is derived from the subpercolation complex.

実施例4:誘電セラミック相としてのCaZrTi27および半導体セラミック相としてのSrTiO3を含むセラミック焼結体
図17は、実施例4の工程系統図を示す。0.56モルの炭酸ストロンチウム(SrCO3)、0.56モルのTiO2(アナターゼ)、および0.015モルのY23をエタノール中でビーズミル粉砕機(直径0.1mmの酸化ジルコニウムビーズ)により混合した。混合後、混合した粉末を窒素ガス流中で乾燥させた。得られた混合物を乾式粉砕し、5時間に亘りN2+H2(95%+5%)ガス流中において1,000℃でか焼して、黒色の半導体SrTiO3粉末を得た。その乾式粉砕した粉末に1.0モルのジルコノライト(CaZrTi27)を添加し、ビーズミル粉砕機により再び混合した。
Example 4 Ceramic Sintered Body Containing CaZrTi 2 O 7 as Dielectric Ceramic Phase and SrTiO 3 as Semiconductor Ceramic Phase FIG. 17 shows a process flow diagram of Example 4. 0.56 mol of strontium carbonate (SrCO 3 ), 0.56 mol of TiO 2 (anatase) and 0.015 mol of Y 2 O 3 in ethanol in a bead mill (zirconium oxide beads with a diameter of 0.1 mm) in ethanol By mixing. After mixing, the mixed powder was dried in a stream of nitrogen gas. The resulting mixture was dry milled and calcined at 1,000 ° C. in a N 2 + H 2 (95% + 5%) gas stream for 5 hours to obtain a black semiconductor SrTiO 3 powder. 1.0 mol of zirconolite (CaZrTi 2 O 7 ) was added to the dry-ground powder and mixed again with a bead mill.

このように形成された100質量部の粉末を、トルエンおよびMEK溶媒の混合物中で混練し、次に、15質量部のエチルセルロース結合剤、0.3質量部のSrSiO3、0.1質量部のGeO2および0.1質量部のMnO2と混合して、スラリーを形成した。そのスラリーを、被覆装置を使用して、PET担体テープ上に被覆して、未焼成シートを形成した。その未焼成シートを打ち抜いて、複数のペレットを形成した。それらのペレットを0.015気圧(約1.5MPa)超の酸素分圧および550℃の温度で30分に亘り加熱して、有機結合剤を除去した。次いで、そのペレットを、N2を含有する雰囲気下で30分間に亘り1300℃の温度で焼結して、セラミック焼結体を形成した。上記条件の理論パーコレーション閾値は約28.95%であり、そのセラミック焼結体中の半導体セラミック相(SrTiO3)の体積分率は約28%である。そのセラミック焼結体中の半導体セラミック粒子および誘電セラミック粒子の均一な混合状態を確認するために、誘電特性の測定前に、試料を、空気中において、それぞれ、800℃、900℃、および1000℃で30分間に亘り再酸化した。このようにして得られた焼結体を、両面から100マイクロメートルの深さまで研磨して、誘電特性の測定のためにAu電極を蒸着した。 100 parts by weight of the powder thus formed are kneaded in a mixture of toluene and MEK solvent, then 15 parts by weight of ethyl cellulose binder, 0.3 parts by weight of SrSiO 3 , 0.1 parts by weight of It was mixed with MnO 2 of GeO 2 and 0.1 parts by weight to form a slurry. The slurry was coated on a PET carrier tape using a coating device to form a green sheet. The green sheet was punched out to form a plurality of pellets. The pellets were heated at an oxygen partial pressure greater than 0.015 atm (about 1.5 MPa) and a temperature of 550 ° C. for 30 minutes to remove the organic binder. Next, the pellet was sintered at a temperature of 1300 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing N 2 to form a ceramic sintered body. The theoretical percolation threshold under the above conditions is about 28.95%, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 ) in the ceramic sintered body is about 28%. In order to confirm the uniform mixing state of the semiconductor ceramic particles and the dielectric ceramic particles in the ceramic sintered body, the samples were placed in air at 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. before measuring the dielectric properties. For 30 minutes. The sintered body thus obtained was polished from both sides to a depth of 100 micrometers, and an Au electrode was deposited for measuring dielectric properties.

図18Aは、実施例4のセラミック焼結体の高角度環状暗視野(HAADF)画像を示す。この画像のコントラスト差は、いくつかのセラミック相を示す。さらに、STEM−EDX化学分析(図18Bから18E)は、第1のセラミック相(Sr・Ti)および第2のセラミック相(Ca・Zr・Ti)の存在を実証する。   FIG. 18A shows a high-angle annular dark-field (HAADF) image of the ceramic sintered body of Example 4. The contrast difference in this image indicates several ceramic phases. Furthermore, STEM-EDX chemical analysis (FIGS. 18B to 18E) demonstrates the presence of a first ceramic phase (Sr.Ti) and a second ceramic phase (Ca.Zr.Ti).

図19Aは、第1のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるSrおよびTiを示す)を示す。その結果は、第1のセラミック相が(102)SrTiO3であることを示す。図19Bは、第2のセラミック相から得た制限視野電子回折像(SAED)(粒子はSTEM−EDX化学分析におけるCa、TiおよびZrを示す)を示す。その結果は、第2のセラミック相が(011)CaZrTi27(ジルコノライト)であることを示す。図19Cに示された(011)CaZrTi27(ジルコノライト)のシミュレーション結果と比べると、第3のセラミック相は(011)CaZrTi27(ジルコノライト)であると考えられる。 FIG. 19A shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the first ceramic phase (particles show Sr and Ti in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the first ceramic phase (102) is a SrTiO 3. FIG. 19B shows a selected area electron diffraction image (SAED) obtained from the second ceramic phase (particles show Ca, Ti and Zr in STEM-EDX chemical analysis). The results show that the second ceramic phase is (011) CaZrTi 2 O 7 (zirconolite). Compared to the simulation result of the illustrated in FIG. 19C (011) CaZrTi 2 O 7 ( Jirukonoraito), the third ceramic phase is considered to be (011) CaZrTi 2 O 7 (Jirukonoraito).

図20は、実施例4のセラミック焼結体のX線回折(XRD)を示す。それらのピークも、第1のセラミック相(すなわち、SrTiO3相)および第2のセラミック相(すなわち、CaZrTi27(ジルコノライト)相)の存在を示す。 FIG. 20 shows an X-ray diffraction (XRD) of the ceramic sintered body of Example 4. These peaks also indicate the presence of a first ceramic phase (ie, SrTiO 3 phase) and a second ceramic phase (ie, CaZrTi 2 O 7 (zirconolite) phase).

図21A、図21B、および図21Cは、いくつかの異なる再酸化条件下での実施例4のセラミック焼結体の比誘電率、誘電損失、および抵抗率を示す。比誘電率および誘電損失の減少、並びに抵抗率の増加は、SrTiO3半導体相の再酸化の増加を示唆する。得られたセラミック焼結体(図21Aから21Cに「焼結されたまま」と示されている)は、SrTiO3およびCaZrTi27のものよりも著しく大きい比誘電率を有し、その比誘電率は、再酸化温度の上昇に対応して減少する。半導体セラミック相(SrTiO3)の酸化レベルに応じての比誘電率の減少は、そのセラミック焼結体がサブパーコレーション複合体であることを示す。すなわち、非常に大きい見掛けの比誘電率は、そのサブパーコレーション複合体に由来する。 21A, 21B, and 21C show the relative dielectric constant, dielectric loss, and resistivity of the ceramic sintered body of Example 4 under several different reoxidation conditions. A decrease in relative permittivity and dielectric loss, as well as an increase in resistivity, indicate an increase in reoxidation of the SrTiO 3 semiconductor phase. The resulting ceramic sintered body (shown as “as sintered” in FIGS. 21A-21C) has a relative dielectric constant significantly greater than that of SrTiO 3 and CaZrTi 2 O 7 , The dielectric constant decreases with increasing re-oxidation temperature. A decrease in the relative dielectric constant according to the oxidation level of the semiconductor ceramic phase (SrTiO 3 ) indicates that the ceramic sintered body is a subpercolation composite. That is, a very large apparent dielectric constant is derived from the subpercolation complex.

本開示を、その特定の実施の形態に関して記載し、説明してきたが、これらの記載および説明は制限するものではない。付随の特許請求の範囲により定義されたような本開示の真の精神および範囲から逸脱せずに、様々な変更を行い、同等物を代用してもよいことを当業者は理解すべきである。説明図は、必ずしも、一定の縮尺で描かれていないであろう。製造過程および許容誤差のために、本開示と実際の装置における技術解釈の間には違いがあるかもしれない。具体的に説明されていない本開示の他の実施の形態があるであろう。明細書および図面は、限定的ではなく、むしろ説明的であると解釈すべきである。本開示の目的、精神および範囲に、特定の状況、材料、物質の組成、方法、または過程を適用するために、改変を行ってもよい。そのような改変の全ては、付随の特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。ここに開示された方法は、特定の順序で行われる特定の操作に関して記載されているが、これらの操作は、本開示の教示から逸脱せずに、同等の方法を形成するために、組み合わせても、細かく分けても、または並べ替えてもよいことが理解されよう。したがって、この中に具体的に示されていない限り、それらの操作の順序および組分けは、本開示の制限ではない。   Although the present disclosure has been described and described with respect to particular embodiments thereof, the description and description is not intended to be limiting. Those skilled in the art should appreciate that various changes may be made and equivalents may be substituted without departing from the true spirit and scope of the present disclosure as defined by the appended claims. . The illustrations will not necessarily be drawn to scale. Due to manufacturing processes and tolerances, there may be differences between the present disclosure and the technical interpretation in actual devices. There will be other embodiments of the present disclosure that are not specifically described. The specification and drawings should be construed as illustrative rather than restrictive. Modifications may be made to adapt a particular situation, material, composition of matter, method, or process, to the objective, spirit and scope of the present disclosure. All such modifications are intended to be within the scope of the appended claims. Although the methods disclosed herein have been described with respect to particular operations performed in a particular order, these operations may be combined in order to form equivalent methods without departing from the teachings of the present disclosure. It will be understood that they may also be subdivided or rearranged. Therefore, unless specifically indicated herein, the order and grouping of those operations is not a limitation of the present disclosure.

11 半導体セラミック相
12 誘電セラミック相
11 Semiconductor ceramic phase 12 Dielectric ceramic phase

Claims (12)

誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値より約0.05%から約20%小さく、該半導体セラミック相の材料が、ペロブスカイト材料および還元TiO(ルチル)からなる群より選択される、セラミック焼結体。 A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. A ceramic sintered body that is about 0.05% to about 20% below a threshold, and wherein the material of the semiconductive ceramic phase is selected from the group consisting of perovskite materials and reduced TiO 2 (rutile). 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が前記パーコレーション閾値の約0.999倍から約0.33倍であり、該半導体セラミック相の材料が、ペロブスカイト材料および還元TiO (ルチル)からなる群より選択される、セラミック焼結体。 A ceramic sintered body containing a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and the volume fraction of the semiconductor ceramic phase is Ri from about 0.999 to about 0.33 Baidea threshold, the material of the semiconductor ceramic phase is selected from the group consisting of perovskite materials and reducing TiO 2 (rutile), the sintered ceramic body. 前記誘電セラミック相の材料が、CaZrTi27(ジルコノライト)、CaZrO3、SrZrO3、BaZrO3、TiO2(ルチル)、ZrO2、およびその固溶体からなる群より選択される、請求項1または2記載のセラミック焼結体。 The dielectric ceramic phase materials, CaZrTi 2 O 7 (Jirukonoraito), CaZrO 3, SrZrO 3, BaZrO 3, TiO 2 ( rutile), is selected from the group consisting of ZrO 2, and a solid solution thereof, according to claim 1 or 2 The ceramic sintered body according to the above. 前記ペロブスカイト材料が、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、チタン酸ニッケル(NiTiO3)、チタン酸マンガン(MnTiO3)、チタン酸コバルト(CoTiO3)、チタン酸銅(CuTiO3)、チタン酸マグネシウム(MgTiO3)、およびそれらの複合体からなる群より選択される、請求項1または2記載のセラミック焼結体。 The perovskite material is strontium titanate (SrTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), nickel titanate (NiTiO 3 ), manganese titanate (MnTiO 3 ), cobalt titanate (CoTiO 3 ) 3), copper titanate (CuTiO 3), magnesium titanate (MgTiO 3), and is selected from the group consisting of complexes thereof, according to claim 1 or 2, wherein the ceramic sintered body. 前記半導体セラミック相に添加剤がドープされている、請求項1または2記載のセラミック焼結体。 The ceramic sintered body according to claim 1 , wherein the semiconductor ceramic phase is doped with an additive. 前記誘電セラミック相に添加剤がドープされている、請求項1または2記載のセラミック焼結体。The ceramic sintered body according to claim 1, wherein the dielectric ceramic phase is doped with an additive. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値より約0.05%から約20%小さく該半導体セラミック相に添加材がドープされており、該添加剤が、Y、NbおよびLaからなる群より選択されるドナー型添加剤である、セラミック焼結体。 A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. About 0.05% to about 20% less than a threshold , wherein the semiconductor ceramic phase is doped with an additive, wherein the additive is a donor-type additive selected from the group consisting of Y, Nb and La. Ceramic sintered body. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値の約0.999倍から約0.33倍であり、該半導体セラミック相に添加材がドープされており、該添加剤が、Y、NbおよびLaからなる群より選択されるドナー型添加剤である、セラミック焼結体。A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. About 0.999 to about 0.33 times the threshold, wherein the semiconductor ceramic phase is doped with an additive, wherein the additive is selected from the group consisting of Y, Nb and La. Is a ceramic sintered body. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値より約0.05%から約20%小さく、該誘電セラミック相に添加材がドープされており、該添加剤が、V、Nb、Cr、マンガン化合物、マグネシウム化合物、ケイ酸塩化合物、およびアルミナ化合物からなる群より選択されるアクセプタ型添加剤である、セラミック焼結体。 A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. About 0.05% to about 20% less than a threshold, wherein the dielectric ceramic phase is doped with an additive, wherein the additive comprises V, Nb, Cr, a manganese compound, a magnesium compound, a silicate compound, and an alumina. A ceramic sintered body, which is an acceptor-type additive selected from the group consisting of compounds. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値の約0.999倍から約0.33倍であり、該誘電セラミック相に添加材がドープされており、該添加剤が、V、Nb、Cr、マンガン化合物、マグネシウム化合物、ケイ酸塩化合物、およびアルミナ化合物からなる群より選択されるアクセプタ型添加剤である、セラミック焼結体。A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. About 0.999 times to about 0.33 times the threshold value, wherein the dielectric ceramic phase is doped with an additive, and the additive comprises V, Nb, Cr, a manganese compound, a magnesium compound, a silicate compound. , And an acceptor-type additive selected from the group consisting of alumina compounds. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値より約0.05%から約20%小さい、セラミック焼結体を含む、受動素子。 A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. A passive element comprising a ceramic sintered body that is about 0.05% to about 20% below a threshold. 誘電セラミック相中に分散した半導体セラミック相を含むセラミック焼結体であって、該半導体セラミック相および該誘電セラミック相が一緒にパーコレーション複合体を形成し、該半導体セラミック相の体積分率が、パーコレーション閾値の約0.999倍から約0.33倍である、セラミック焼結体を含む、受動素子。A ceramic sintered body including a semiconductor ceramic phase dispersed in a dielectric ceramic phase, wherein the semiconductor ceramic phase and the dielectric ceramic phase together form a percolation composite, and a volume fraction of the semiconductor ceramic phase is percolation. A passive element comprising a ceramic sintered body that is about 0.999 to about 0.33 times the threshold.
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