KR0145120B1 - 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물 - Google Patents
저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물Info
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Abstract
본 발명은 1130℃이하에서 소결 가능하고, 미국 EIA에서 정한 Y5V 규격특성을 만족시키는 동시에 높은 유전율을 갖고, 절연 저항과 절연 파괴 전압도 높은 저온 소결용 고유전율계 적층 세라믹 콘덴서 제조용 유전체 조성물에 관한 것이다.
최근의 제품의 소형화와 고용량화에 대응하기 위하여 정전 용량을 높히기 위해 높은 유전율을 갖는 유전체를 사용하고 유전체 두께를 얇게 하며, 고신뢰성의 적층 세라믹 콘덴서를 제조하기 위해서 소결후 유전체의 결정립이 미세하고 치밀하며 높은 절연저항과 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체의 개발이 필수적이다.
본 발명의 세라믹 유전체 조성물을 적층 세라믹 콘덴서에 이용하면 유전체 층의 두께를 얇게할 수 있어 원가 절감의 효과가 클 뿐 아니라, 소형화 및 고용량화에 대응할 수 있는 고신뢰성의 제품을 생산할 수 있다.
Description
제1도는 적층 세라믹 콘덴서의 개략도이다.
제2도는 EIA의 적층 세라믹 콘덴서에 대한 Y5V 온도 특성규격을 나타내는 유전율의 온도 특성 범위와 본 발명의 실시예 2에 따른 유전율의 온도 특성을 도시한 도면
*도면의 주요부분에 대하 부호의 설명
1 : 유전체 2 : 내부전극
3 : 외부전극 A : Y5V 규격에서 정한 유전율의 온도특성 범위
B : 실시예 2에 따른 조성물의 유전율의 온도특성(temperature characteristice ; T.C)
본 발명은 민생용 및 산업용 전자 기기등에 사용되는 대표적인 부품의 하나인 적층 세라믹 콘덴서 제조용 유전체 조성물에 관한 것으로, 특히 1130℃이하에서 소결 가능하고, 미국 EIA(Electronic Industrial Association)에서 정한 Y5V 규격특성(-30℃∼+85℃의 온도 범위에서 25℃에서의 유전율을 기준으로 하여 온도 변화에 따른 유전율의 변화율이 +22%∼-82% 이내)을 만족시키는 동시에 11000∼13000정도의 높은 유전율을 갖는 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물에 관한 것이다.
여기에서 유전체(Dielectric Substance)란 정전기장을 가할 때 전기분극(電氣分極)은 생기나 직류전류는 생기지 않는 물질을 말한다.
최근 적층 세라믹 콘덴서는 각종 전자 기기의 소형, 경량화의 추세에 따라 표면 실장이 가능하고 부품 자체의 소형화와 단위 체적당 높은 정전용량을 나타내는 특성에 기인하여, 캠코더, 하드디스크 드라이브 등의 각종 전자 제품의 수동 소자로 광범위하게 사용되고 있으며, 앞으로도 그 이용 범위는 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다. 표면 실장이란 기판의 면과 부품의 면을 면과 면의 대응방식으로 접속하는 방법을 말한다.
이와같은 적층 세라믹 콘덴서의 내부 구조는 제1도에 나타나 있듯이 세라믹 유전체(1)의 내부에 교차적으로 내부 전극(2)이 형성되고, 그 내부 전극(2)의 일단이 외부로 노출된 세라믹 유전체(1)의 양 측면에 외부 전극(3)이 형성되도록 이루어진다.
이러한 내부 구조에 있어서 적층 세라믹 콘덴서를 사용할 때 중요한 선택 기준이 되는 정전 용량(electrostatic capacitance)은 유전체의 고유값인 유전율(Dielectric Constant), 내부 전극의 유효한 대향 면적과 적층수에 비례하고, 유전체층의 두께에는 반비례하게 된다. 정전 용량은 콘덴서에서 전하를 축적할 수 있는 능력을 나타내며 단위는 파라드(farad, F) 이다.
최근의 제품의 소형화와 고용량화에 대응하기 위하여 규정된 크기의 적층 세라믹 콘덴서에 있어서 정전 용량을 높히기 위해서는 높은 유전율을 갖는 유전체의 사용과 유전체 두께를 얇게 할 필요성이 대두되고 있다.
또한 적층 세라믹 콘덴서는 유전체와 내부 전극이 동시에 소성되기 때문에 내부 전극으로 사용되는 금속은 유전체가 소결되는 온도에서도 녹지 않아야 되기 때문에 유전체의 소성 온도보다 높은 녹는점을 가져야 되며, 또한 소성 과정 중에서 산화가 되지 않아야만 한다.
한편 일반적으로 사용되는 고유전율계 유전체는 BaTiO3를 주성분으로 하여 구성하는데 이들은 통상 1280℃ 이상에서 소결되기 때문에 내부 전극으로는 고가인 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)이나 팔라듐 함량이 최소한 70% 이상인 팔라듐과 은의 합금을 사용해야 하기 때문에 특히 내부 전극이 많이 소요되고 고용량 제품에 있어서는 제품 원가가 매우 높아지게 된다.
제품의 고용량화와 원가 절감의 요구에 부응하기 위해서는 고유전율을 갖으면서도 저온에서 소결이 가능하여 내부 전극 재료로 고가인 백금이나 팔라듐을 사용하지 않아도 되는 유전체 조성의 개발이 필수적인 요소가 된다.
그러나 종래의 세라믹 유전체 조성물은 BaTiO3를 주성분으로 하여 CaZrO3, CaSnO3등이 첨가된 조성물을 사용하였으나 이러한 조성물은 비교적 높은 유전율을 갖는 반면에 결정립의 입경이 10∼20㎛ 정도로 크게 되어 절연 파괴 전압이 낮아지고 소성온도가 1300℃ 이상이므로 1130℃ 이하에서는 소성이 불가능하였다.
또한 대한민국 특허공보 제 94-5088호, 제 94-6426호에서는 BaTiO3에 CeO2및 Nd2O3등과 같은 희토류 산화물과 TiO2등을 첨가하여 결정립의 입경을 2∼3㎛ 정도로 작게 하고 절연 저항도 1013Ωcm 이상이며 절연 파괴 전압도 향상된 유전체 조성물을 제공하였으나 유전율이 10000 이하로 낮을 뿐만 아니라 소성 온도 또한 최하 1250℃ 이상이었다.
한편 대한민국 특허공보 제 94-6425호와 제 94-7225호에서는 BaTiO3에 CaSnO3또는 BaZrO3를 주성분으로 하여 CuO 와 CeO2와 같은 희토류 금속 산화물과 MnO2와 같은 전이금속 산화물을 첨가함으로서 1150℃에서 소성이 가능한 조성물을 제공하였으나, 상기 조성물은 유전율이 11000 이하로 낮고 유전 손실이 1.0% 이상으로 높을 뿐만 아니라 절연 저항도 1012Ωcm 이하로 낮아 고유전율의 저온 소결용 유전체로 사용되기에는 미흡한 점이 있었다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점들을 해결하여 1130℃ 이하에서 소결이 가능하면서도 유전율이 11000∼13000 정도로 높고, 또한 절연 저항과 절연 파괴 전압도 높은 Y5V 특성규격을 만족하는 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는
1) 복합 산화물 형태의 BaTiO381.70∼85.80몰%, BaZrO38.30∼10.30몰% 및 SrTiO34.00∼10.00몰%로 이루어지는 기본 조성 96.95∼98.65중량%,
2) 산화물 형태의 CuO 70.0∼75.0몰%, Li2B4O714.0∼18.0몰% 및 Bi2O310.0∼13.0몰%로 이루어지는 소결 융제 1.0∼2.5중량%,
3) Nd2O30.20∼0.80중량% 및
4) MnO20.15∼0.30 중량%로 세라믹 유전체 조성물을 구성하였다. 여기에서 중량%은 세라믹 조성물 전체 중량을 기준으로 한 것이다.
본 발명의 상기 유전체 조성물 구성에 있어서
1) 기본 조성에 포함되는 BaZrO3와 SrTiO3는 BaTiO3의 격자에 치환되어 고용체를 형성함으로서 약 125℃에 위치하게 되는 BaTiO3의 큐리 온도(Curie Temperature)를 상온으로 이동시키는 이동제(shifter)로서의 역할과 큐리 온도에서의 유전율을 높히는 역할을 한다.
2) CuO, Li2B4O7및 Bi2O3로 이루어지는 소결 융제는 유전체의 소결 온도 이하에서 액상을 형성함으로서 1130℃ 이하에서 소성을 가능하게 해주며, 결정립의 크기를 작고 균일하게 성장시키는 보조역할을 한다.
3) 희토류 금속 산화물인 Nd2O3는 결정립의 성장을 억제하여 결정립을 작고 균일하게 성장시키며, 온도에 따른 유전율의 편차를 작게 해주는 역할을 수행한다.
4) 전이 금속 산화물인 MnO2형태로 첨가되는 Mn은 다양한 원자가를 갖을 수 있기 때문에 주성분인 BaTiO3와 BaTiO3와 반응하는 각 첨가물들의 전체적인 원자가를 보상하여 중성화 작용을 함으로서 유전 손실을 감소시키고 절연 저항을 증가시키는 역할과 발색 작용을 나타낸다.
이상의 각 첨가물들의 조성물 구성에 있어서,
1) 기본 조성이 상기 범위 이하에서는 유전율이 낮고 큐리 온도가 +쪽에 위치하여 유전 손실이 높아지며, 상기 범위 이상에서는 반대로 유전율은 높아지나 큐리 온도가 너무 -쪽에 위치하여 온도 특성이 규격을 벗어나게 된다.
2) 소결 융제는 상기 조성 범위 이하에서는 1130℃ 이하에서 소성을 불가능하게 하며, 조성 범위 이상에서는 소성이 너무 진행되어 결정립의 입경이 커지고 유전율이 낮아지게 된다.
3) Nd2O3는 0.2중량% 이하에서는 결정립의 입경의 크기를 줄이는 역할을 나타내지 못하고 또한 온도 특성을 규격내로 유지하기 어려우며, 0.8중량%이상에서는 유전율을 크게 감소시킨다.
4) MnO2은 0.15중량% 이하에서는 유전 손실과 절연 저항이 개선이 효과적이지 못하며, 0.35중량% 이상에서는 유전율의 감소가 크게 되고 절연 저항이 오히려 감소하게 된다.
이상 상술한 본 발명에 따른 세라믹 유전체 조성물은 1130℃ 이하에서 소성이 가능하면서도 결정립의 입경이 3∼5㎛로 작고 치밀한 소결 상태를 나타낼 뿐만 아니라 유전율이 11000∼13000 정도로 유전 손실이 1.0% 이하로 낮으며, 절연 저항과 절연 파괴 전압이 높고 Y5V 온도 특성 규격을 만족하게 된다.
따라서 본 발명의 세라믹 유전체 조성물을 적층 세라믹 콘덴서의 제조에 이용하면 고유전율과 저온 소결이 가능하기 때문에 원가 절감의 효과가 지대하고, 절연 저항과 절연 파괴 전압이 높기 때문에 소형화 및 고용량화에 대응할 수 있는 고신회성의 제품 생산이 가능해지는 효과를 나타낼 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 제조 방법 및 그 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 실시예 만으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1∼6]
유전체 분말 제조에 있어서는 먼저 상기 2)의 소결 융제와 상기 3)의 Nd2O3및 상기 4)의 MnO2를 표 1에 기재된 조성물이 되도록 평량한 뒤 불순물의 혼입을 방지하기 위하여 나일론 재질의 포트에서 지르코니아 볼을 이용하여 탈 이온수와 함께 볼 밀링 방법으로 약 12시간 동안 습식, 혼합하여 1차 유전체 분말을 제조한다.
1차 유전체 분말은 120℃ 정도에서 건조한 후 다시 1)의 기본 조성과 같이 표 1에 기재된 조성물이 되도록 평량한 뒤 상기한 1차 유전체 분말 제조방법과 같은 방법으로 2차 유전체 분말을 제조한다.
균일하게 혼합된 상기 2차 유전체 분말은 다시 약 120℃에서 건조한 후 성형체 시편을 제조하기 위하여 여기에 폴리비닐알콜 5% 수용액을 유전체 분말에 대하여 약 5중량% 정도로 첨가하여 조립화한 다음 일축 가압 성형기를 이용하여 직경 10mm의 원판형 성형체를 제작한다. 이때 성형체 시편의 두께는 1.0∼1.2mm 정도가 되게 하고 성형 밀도는 약 3.6g/㎤가 되게 한다.
성형된 시편은 안정화된 지르코니아 세터에 올려놓고 1100∼1130℃ 온도 범위에서 약 2시간 동안 공기분위기의 전기로에서 소결을 행한다.
소결된 시편의 양면을 인쇄 도포 방법으로 온 전극을 7mm 직경의 원형으로 도포, 건조한 후 800℃에서 10분 동안 열처리하게 되면 전기적 특성을 측정할 수 있는 최종 시편이 만들어지게 된다.
전기적 특성의 측정에 있어서 유전율과 유전 손실은 휴렛 팩커드사의 용량계(모델명 : HP 4278A Capacitance Meter)를 이용하여 25℃, 1㎑, 0.5V의 측정 조건으로 측정하고, 유전율의 온도 특성은 상기 용량계와 -30∼+85℃까지 온도조절이 가능한 항온조를 조합하여 측정하였으며, 절연 저항은 휴렛 팩커드사의 고저항측정기(모델명 : HP 4339A High Resistance Meter)를 이용하여 100V의 직류 전압을 1분 동안 인가한 후 측정하였다.
또한 절연 파괴 전압은 자체 제작한 절연 파괴 전압 측정기를 이용하여 공기중에서 측정시 발생하는 공기중으로 전류가 흐르는 것(over flash)를 방지하기 위하여 절연유 속에서 측정을 실시하였다.
이상과 같은 방법으로 측정한 전기적 특성의 결과치를 표 2에 나타내었다.
[비교예 1∼4]
각 성분들을 표 1에 기재된 것과 같은 본 발명의 범주를 벗어난 양으로 혼합, 제조한 것을 제외하고는 실시예 1∼6에 기재된 것과 동일한 방법으로 시편을 제작하였으며, 또한 동일한 방법으로 전기적 특성를 측정하여 그 결과치를 표 2에 나타내었다.
상술한 실시예 및 비교예로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따른 세라믹 유전체 조성물은 1130℃ 이하에서 소결이 가능하고, 결정립의 입경이 3∼5㎛로 작고 치밀한 소결 상태를 나타내고 있으며, 유전율은 11000∼13000정도로 매우 높고, 유전 손실은 1.0% 이하이며, 절연 저항은 10Ωcm 이상이고 절연 파괴 전압은 13KV/mm 이상인 동시에 Y5V 온도 특성 규격을 만족하고 있었다.
Claims (1)
1) BaTiO381.70∼85.80몰%, BaZrO38.30∼10.30몰% 및 SrTiO34.00∼10.00몰%로 이루어진 조성물 96.95∼98.65중량%와; 2) CuO 70.0∼75.0몰%, Li2B4O714.0∼18.0몰% 및 Bi2O310.0∼13.0몰%로 이루어진 소결 융제 조성물 1.0∼2.5중량%와; 3) Nd2O30.20∼0.8중량% 및; 4) MnO20.15∼0.30중량%로 구성됨을 특징으로 하는 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950052733A KR0145120B1 (ko) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950052733A KR0145120B1 (ko) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR970042424A KR970042424A (ko) | 1997-07-24 |
| KR0145120B1 true KR0145120B1 (ko) | 1998-07-15 |
Family
ID=19441900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019950052733A KR0145120B1 (ko) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 저온 소결용 고유전율계 세라믹 유전체 조성물 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0145120B1 (ko) |
-
1995
- 1995-12-20 KR KR1019950052733A patent/KR0145120B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR970042424A (ko) | 1997-07-24 |
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