KR100261550B1 - 마이크로파용 유전체 재료 - Google Patents

Abstract

유전율 45-55 대에서 유전 손실이 적으며, 공진 주파수의 온도 계수가 양호하고, 온도 계수의 조절이 용이한 고주파용 세라믹 조성물로서, 다음 화학식 1로 표시되는 마이크로파용 유전체 재료를 제공한다:

화학식 1

(1-y){(1-x)CaTiO₃+ xLa(Zn_1/2Ti_1/2)O₃} + yBaWO₄

(식 중, 0.46 ≤ x ≤ 0.52, 0 ≤ y ≤ 0.03).

Description

마이크로파용 유전체 재료

본 발명은 유전 손실이 적고 공진 주파수의 온도 계수가 양호한 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.

최근 정보화 사회의 발달과 더불어 무선 전화기, 자동차 전화기 등의 이동 통신 및 위선 방송, 위성 통신 등에 마이크로파(주파수 대역: 300 MHz부터 30 GHz)를 이용한 통신 시스템이 현저하게 발전하고 있으며, 이러한 뉴미디어의 실용화에 사용되는 공진기, 대역 통과(또는, 저지) 필터 및 마이크로파 집적 회로(MIC: Microwave Intergrate Circuit) 등에 고주파용 세라믹 유전체 응용이 크게 증대되고 있다.

이러한 고주파 세라믹 유전체 재료는 사용 주파수에 대응하여 높은 비유전율을 갖고, Q 값(유전 손실의 역수)이 커야 하며, 유전체 공진기의 공진 주파수의 온도 의존성이 작아야 한다. 또한, 부수적으로는 물리화학적으로 안정하며 경시 변화율이 작아야 하고, 기계적 강도 및 열전도율이 크고 열팽창 계수가 작아야 한다.

지금까지 이러한 조건을 만족하는 세라믹스의 개발을 위해 많은 연구가 진행되었는데, 대표적인 마이크로파용 유전체 재료로는, 유전율이 20-30 대로 높은 Q 값(Q×f_o=200000)을 나타내는 복합 페로브스카이트형 고용체(예컨대, Ba(M²⁺ _1/3M⁵⁺ _2/3)O₃계: M²⁺=Mg, Zn; M⁵⁺=Ta, Nb), 유전율이 30-40 이며, 중간 정도의 Q 값(Q×f_o=50000)을 갖는 단순 고용체(예컨대, (Zr,Sn)TiO₄), 및 유전율이 90-100 정도로 높으나 비교적 낮은 Q 값(Q×f_o=6000)을 보이는 혼합상 재료(예컨대, (Ba,Pb)O-Nb₂O₃-TiO₂계, (Pb,Ca)ZrO₃) 등이 있다.

그러나, 아직까지 유전율 40-50 대에서 유전 손실이 적고 온도 특성이 우수한 재료의 개발은 미흡한 상태에 있다.

따라서, 본 발명에서는 유전율 45-55 정도의 값을 갖고, Q×f_o값이 30000 이상이며, 온도 계수를 0±15 ppm/℃에서 자유로이 조절할 수 있는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물을 제공하는 데 그 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명에 의한 유전체 재료의 조성 범위를 보여주는 조성 상태도이고,

도 2는 본 발명에 의한 유전체 공진기의 조성 변화(각각, x,y를 변화시킴)에 따른 공진 주파수의 온도 계수 특성을 나타낸 것이다.

본 발명은 다음 화학식 1을 갖는 고주파용 유전체 재료로 이루어진다:

(1-y){(1-x)CaTiO₃+ xLa(Zn_1/2Ti_1/2)O₃} + yBaWO₄

(식 중, 0.46 ≤ x ≤ 0.52, 0 ≤ y ≤ 0.03).

상기 화학식 1로 표시되는, 본 발명에 의한 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물은 CaTiO₃와 La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃를 주성분으로 하는 페로브스카이트형 고용체에 BaWO₄가 2차상으로 존재하는 혼합상을 갖는 재료로서, 각 성분 사이의 범위는 도 1의 조성 상태도에 나타낸 바와 같다. 상기한 바와 같은 범위로 x와 y를 설정하여 각 성분의 조성을 한정시킨 이유는, 이러한 조성으로부터 생성된 마이크로파용 유전체 재료가 유전율 45-55 정도의 값을 갖고, Q×f_o값이 30000 이상이며, 0±15 ppm/℃에서 온도 계수를 자유로이 조절할 수 있기 때문이다.

다음 실시예를 통해 본 발명을 좀더 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다.

실시예

고순도 화학 연구소의 CaCO₃(99.9%), TiO₂(99.9%), La₂O₃(99.9%), ZnO(99.9%), BaCO₃(99.9%), WO₃(99.9%)를 CaTiO₃와 La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃, BaWO₄조성에 맞게 칭량한 후에, 알코올과 지르코니아볼을 매체로 하여 12 시간 동안 습식 혼합하여 건조시킨 후, CaTiO₃와 BaWO₄(99.9%)는 1100 ℃에서 3 시간 동안, La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃는 1200 ℃에서 3 시간 동안 하소하였다.

하소된 CaTiO₃, La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃및 BaWO₄분말을 적절한 몰비로 칭량하여, 20 시간 동안 습식 혼합 및 분쇄하였으며, 분쇄 완료 30 분 전에 바인더로서 5% PVA 수용액을 중량비로 8% 첨가하였다. 분쇄된 분말을 건조시켜 체거름한 후에 직경이 15 mm인 금속제 주형(mould)에서 1 ton/cm²의 압력으로 가압하여 두께가 6 mm 정도인 시편을 성형하였다. 성형된 시편은 박스형 전기로를 이용하여 1450∼1550 ℃의 온도 범위에서 소결하였다. 이때, 유기 성분을 제거하기 위해 650 ℃에서 1 시간 동안 유지하였으며 승온 속도 및 냉각 속도는 300 ℃/hr이였다.

유전율은 두 장의 은판 사이에서 TE₁₁공진 모드를 이용한 Hakki-Coleman 방법으로 측정하였으며, 같은 지름을 갖고 높이가 3 배인 유전체 2 개를 만들어 TE₁₁과 TE₀₁₃그리고 은판의 표면 저항을 측정하여 Q 값을 계산하였다. 또한, 25 ℃와 65 ℃에서의 공진 주파수 변화를 측정하여 공진 주파수의 온도 계수(T_f)를 구하였다. 각 조성별 시편의 마이크로파 유전 특성은 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

다음 표 1로부터, La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃의 양이 x가 0.46-0.52인 범위에서 y 값이 커짐에 따라, 즉, BaWO₄계의 첨가량이 증가함에 따라 공진 주파수의 온도 계수가 감소하는 것을 볼 있으며, Q×f_o값도 증가하는 것을 볼 수 있다.

(1-y){(1-x)CaTiO₃+ xLa(Zn_1/2Ti_1/2)O₃} + yBaWO₄계 세라믹의 고주파 유전 특성

x	y	유전율	Q×fo(GHz)	Tf(ppm/℃)
0.46	0	50.7	29100	+13
	0.005	52.8	30216	+12.4
	0.01	53.6	31257	+11.7
	0.02	52.7	30089	+10.6
	0.03	51.6	29816	+8.5
0.48	0	49.5	30412	+6
	0.005	51.5	31250	+5.5
	0.01	52.0	33125	+4.3
	0.02	50.9	30056	+3
	0.03	50.35	29386	+1.2
0.5	0	48.2	32905	-1
	0.005	49.7	34219	-1.6
	0.01	49.9	35336	-2.3
	0.02	50.3	34517	-3.2
	0.03	48.7	34012	-4.6
0.52	0	47.3	34885	-6
	0.005	48.0	36650	-6.5
	0.01	48.3	35987	-7.3
	0.02	48.2	35473	-8.9
	0.03	47.8	33125	-9.5

이상과 같이, 본 발명에 따라 CaTiO₃+ La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃계 고용체에서 BaWO₄의 함량을 소량 조절함으로써, 유전율을 45-55 정도의 값을 갖고 Q×f_o값이 30000 이상이며 온도 계수를 0±15 ppm/℃에서 자유로이 조절할 수 있는 마이크로파용 유전체 세라믹 재료를 제조할 수 있다.

Claims (1)

1. 다음 화학식 1을 갖는 고주파용 유전체 재료:

   화학식 1

   (1-y){(1-x)CaTiO₃+ xLa(Zn_1/2Ti_1/2)O₃} + yBaWO₄

   (식 중, 0.46 ≤ x ≤ 0.52, 0 ≤ y ≤ 0.03).