본 발명의 한 양태에 의하면, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만이며, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하인 티탄산바륨계 분말을 소성하여 얻어진 유전체 세라믹이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 페로브스카이트 구조의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만이며, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하인 티탄산바륨계 분말을 준비하는 공정과, 이 티탄산바륨계 분말을 소성하는 공정을 포함하는 유전체 세라믹의 제조 방법이 제공된다.
상술한 OH기의 양은 시료를 열중량 분석하고, 150℃이상의 온도에서의 감량값에 의거하여 구한 것이다.
바람직하게는, 상술한 티탄산바륨계 분말은 최대 입자 직경이 0.3μm이하, 평균 입자 직경이 0.05∼0.15μm로 된다.
또한, 더욱 바람직하게는, 상술한 티탄산바륨계 분말의 각 입자는, 결정성이 낮은 부분과 결정성이 높은 부분을 포함하며, 결정성이 낮은 부분의 직경이 분말 입자 직경의 0.5배 이상인 것이 바람직하다. 도 2에 나타낸 티탄산바륨계 분말의 투과형 전자 현미경 사진 및 도 3에 나타내는 그 설명도로부터 알 수 있는 바와 같이, 여기서 말하는 '결정성이 낮은 부분'(21)이란, 보이드(22) 등의 격자 결함(lattice defects)을 많이 포함하는 영역을 말하며, 반면, '결정성이 높은 부분'(23)이란, 이와 같은 격자 결함을 포함하지 않는 영역을 말한다.
또한, (소성된 유전체 세라믹의 평균 입자 직경)/(준비되는 티탄산바륨계 분말의 평균 입자 직경)의 비를 R로 하였을 때, R은 0.90∼1.2의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 유전체 세라믹을 구성하는 입자들은, 조성 및 결정계가 다른 코어 -셀 구조를 가질 수가 있으며, 또는 코어 및 셀 사이에서 균일한 조성 및 결정계를 나타내는 균일한 구조를 가질 수가 있다.
여기서 말하는 '결정계'란, 페로브스카이트 결정의 결정계를 말하며, 즉 페로브스카이트 구조에 있어서의 c축/a축 비가 1인 입방정계(立方晶系;cubic system)이거나, 또는 c축/a축의 비가 1이상인 정방정계(正方晶系;tetragonal system)인 것이다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 복수의 유전체 세라믹층과, 인접하는 유전체 세라믹층 사이의 특정의 계면을 따라서 형성된 내부 도체를 포함하는 적층체를 구비하는 적층 세라믹 전자 부품이 제공된다.
더욱 상세하게는, 본 발명에서는 적층 세라믹 전자 부품에 구비된 유전체 세라믹층이, 페로브스카이트 구조의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만이며, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하인 페로브스카이트 구조를 갖는 티탄산바륨계 분말을 소성하여 얻어진 유전체 세라믹에 의해 구성된다.
상술한 적층 세라믹 전자 부품에 있어서, 내부 도체는 바람직하게는 니켈 또는 니켈 합금과 같은 비금속을 포함한다.
또한, 적층 세라믹 전자 부품은 적층체의 측면상의 서로 다른 위치에 형성되는 복수의 외부 전극을 더 포함할 수가 있다. 이 경우에는, 내부 도체는 외부 전극들중의 한 쪽에 전기적으로 접속되도록, 상기 각 내부 도체의 한 단부를 측면에 노출시킨 상태로 형성되어 있다. 이와 같은 구성은, 전형적으로는 적층 세라믹 커패시터에 적용된다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 페로브스카이트 구조의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만이며, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하인 티탄산바륨계 분말을 준비하는 공정과, 티탄산바륨계 분말을 포함하는 복수의 세라믹 그린 시트와, 세라믹 그린 시트 사이의 특정의 계면을 따라서 형성된 내부 도체를 적층한 적층체를 제작하는 공정과, 티탄산바륨계 분말을 소성함으로써 유전체 세라믹을 제공하는 공정을 포함하는 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점은, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
(발명의 실시 형태)
본 발명에 있어서 사용되는 티탄산바륨계 분말은, 일반식: (Ba1-xXx)m(Ti1-yYy)O3로 표현되는 조성을 갖는다. 이 조성은 특히 한정되는 것은 아니다. X는 Ca, 희토류 원소의 단일 종(single species) 및 그들의 2종 이상의 조합을 포함할 수가 있다. 또한, Y는 Zr 또는 Mn 등의 단체, 및 그들의 2종 이상의 조합을 포함할 수가 있다. m은 티탄산바륨계 분말의 조성에도 의하지만, 비환원성의 유전체 세라믹을 얻기 위해서는, 일반적으로 1.000∼1.035의 범위인 것이 바람직하다.
유리하게 사용되는 티탄산바륨계 분말은, c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만인 페로브스카이트 구조를 갖는다. 또한, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하이며, 최대 입자 직경이 0.3μm이하이고, 평균 입자 직경이 0.05∼0.15μm이다. 이와 같은 티탄산바륨계 분말은 수열합성법, 가수분해법, 혹은 졸-겔 법 등의 습식 합성법에 의해 제조된 티탄산바륨계 분말을 열처리하여 얻을 수가 있다.
합성에 관해서는, 티탄산바륨계 분말을 구성하는 각종 원소의 탄산물, 산화물 등을 혼합하여 열처리하고, 합성시키는 고상법(solid phase method)을 사용할 수도 있다.
상술한 열처리에 있어서는, c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만인 값이 되도록, 적당한 입자 성장을 위한 열처리 조건이 설정된다. 예를 들면, 공기중에서 열처리되거나, 또는 질소 기류 중 혹은 H2O 기류 중에서 열처리 온도와 시간을 조정함으로써 열처리된다. 고상법의 경우에는, 합성후의 합성 분말의 해쇄(解碎; disintegration)조건에 따라서 c축/a축의 비가 저하하므로, 그 해쇄 조건을 조정하여야만 한다.
또한, 상술한 열처리후에 있어서, 도 2 및 도 3에 나타낸 티탄산바륨계 분말의 각 입자에 있어서, 결정성이 낮은 부분(21)의 직경비, 즉 분말 입자 직경에 대한 결정성이 낮은 부분(21)의 직경의 비가 0.5이상이 되도록 설정된다. 이와 같은 직경비는 예를 들면 열처리시의 승온 속도를 5℃/분 이상으로 함으로써 얻을 수가 있다.
이와 같이 준비된 티탄산바륨계 분말의 평균 입자 직경과 소성된 유전체 세라믹의 평균 입자 직경간의 관계, 즉 (소성된 유전체 세라믹의 평균 입자 직경)/(준비된 티탄산바륨계 분말의 평균 입자 직경)의 비를 R로 하였을 때, 이 R은 0.90∼1.2인 것이 바람직하다. 환언하면, 세라믹 소결시에 현저한 입자 성장이 생기지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 티탄산바륨계 분말에는, 예를 들면 Mn 및/또는 Mg성분, Si를 주성분으로 하는 소결 보조제 등이 첨가된다. 이들 첨가물은 일반적으로는 산화물 분말 혹은 탄화물 분말의 형태로 티탄산바륨계 분말에 혼합할 수가 있다. 혹은 이들 첨가물 성분을 포함하는 용액을 티탄산바륨계 분말의 표면에 도포하고, 열처리하는 방법을 사용할 수도 있다.
이와 같은 티탄산바륨계 분말을 소성함으로써 유전체 세라믹이 얻어지는데, 이 유전체 세라믹은 적층 세라믹 전자 부품, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같은 적층 세라믹 커패시터(1)에서 사용된다.
도 1을 참조하여, 적층 세라믹 커패시터(1)는, 복수의 적층된 유전체 세라믹층(2)을 갖는 적층체(3)와, 이 적층체(3)의 제 1 및 제 2 측면(4, 5)상에 각각 형성되는 제 1 및 제 2 외부 전극(6, 7)을 포함한다. 적층 세라믹 커패시터(1)는, 전체적으로 직방체 형상의 칩 타입의 전자 부품을 구성한다.
적층체(3)의 내부에는, 내부 도체로서 제 1 내부 전극(8)과 제 2 내부 전극(9)이 번갈아 배치된다. 제 1 내부 전극(8)은, 제 1 외부 전극(6)에 전기적으로 접속되도록, 각 제 1 내부 전극(8)의 한 단부를 적층체(3)의 제 1 측면(4)에 노출시킨 상태로 유전체 세라믹층(2)사이의 특정의 복수의 계면을 따라서 각각 형성되며, 제 2 내부 전극(9)은, 제 2 외부 전극(7)에 전기적으로 접속되도록, 각 제 2 내부 전극(9)의 한 단부를 적층체(3)의 제 2 측면(5)에 노출시킨 상태로 유전체 세라믹층(2)사이의 특정의 계면을 따라서 각각 형성된다.
이와 같은 적층 세라믹 커패시터(1)에 있어서, 그 적층체(3)에 구비되는 유전체 세라믹층(2)이 상술한 바와 같은 유전체 세라믹을 포함한다.
이 적층 세라믹 커패시터(1)를 제조하기 위하여, 티탄산바륨 등의 주성분과, 특성 및 소결성을 향상시키기 위한 첨가재를 포함하는 출발 원료가 준비된다. 이들 재료는 소정량 칭량하여 습식 혼합하여 혼합 분말을 형성한다.
이어서, 상술한 혼합 분말에 유기 바인더 및 용매를 첨가함으로써, 슬러리가 조제되며, 이 슬러리를 이용하여 유전체 세라믹층(2)이 될 세라믹 그린 시트가 제작된다.
이어서, 특정의 세라믹 그린 시트상에, 내부 전극(8) 및 (9)가 될 도전성 페이스트막이 형성된다. 이 도전성 페이스트막은, 예를 들면 니켈 또는 동 등의 비금속, 또는 그 합금을 포함하며, 스크린 인쇄법, 증착법 또는 도금법 등과 같은 방법에 의하여 형성된다.
이어서, 상술한 바와 같이 도전성 페이스트막을 형성한 세라믹 그린 시트를 포함하는 복수의 세라믹 그린 시트가 적층되며, 프레스된 후, 필요에 따라서 절단된다. 이와 같이 하여, 복수의 세라믹 그린 시트, 및 세라믹 그린 시트 사이의 특정의 계면을 따라서 각각 형성된 복수의 내부 전극(8) 및 (9)를 적층한 것으로서, 내부 전극(8) 및 (9)의 각각의 한 단부를 측면(4) 또는 (5)에 노출시키고 있는 그린 적층체(3)가 제작된다.
이어서, 이 적층체(3)는 환원성 분위기하에서 소성되며, 티탄산바륨계 분말은 유전체 세라믹으로 된다. 이 때, 상술한 입자 직경 비 R은 0.90≤R≤1.2의 범위내에 있도록 제어된다.
이어서, 소성된 적층체(3)에 있어서의 제 1 및 제 2 내부 전극(8) 및 (9)의 노출된 각 단부에 각각 전기적으로 접속되도록 하여, 적층체(3)의 제 1 및 제 2 측면(4) 및 (5)상에, 각각 제 1 및 제 2 외부 전극(6) 및 (7)이 형성된다.
외부 전극(6) 및 (7)을 제조하기 위한 재료의 조성은, 특히 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는, 내부 전극(8) 및 (9)와 동일한 재료를 사용할 수가 있다. 또한 예를 들면, 외부 전극은 Ag, Pd, Ag-Pd, Cu 또는 Cu합금 등의 도전성 금속 분말을 포함하는 소결층, 또는 상기 도전성 금속 분말과, B2O3-Li2O-SiO2-BaO계 또는 B2O3-SiO2-BaO계, Li2O-SiO2-BaO계, B2O3-SiO2-ZnO계 등의 유리 프릿을 배합한 소결층에 의하여 구성될 수가 있다. 이와 같은 외부 전극(6) 및 (7)을 제조하기 위한 재료의 조성은 적층 세라믹 커패시터(1)의 용도, 사용 장소 등을 고려하여 적절히 선택된다.
게다가, 외부 전극(6) 및 (7)은, 상술한 바와 같이, 그 재료가 되는 금속 분말 페이스트를 소성된 적층체(3)상에 도포하여 베이킹함으로써 형성될 수가 있다. 외부 전극은 소성 전의 적층체(3)상에 페이스트를 도포하고, 적층체(3)의 소성과 동시에 베이킹함으로써 형성할 수도 있다.
외부 전극(6) 및 (7)은 필요에 따라서 Ni, Cu, Ni-Cu합금 등으로 이루어지는 도금층(10) 및 (11)에 의하여 각각 피복될 수 있다. 게다가, 이들 도금층(10) 및 (11)상에, 솔더, 주석 등으로 이루어지는 제 2 도금층(12) 및 (13)이 각각 피복될 수도 있다.
이어서, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠다. 본 발명의 범위내에 있어서의 실시 가능한 형태는, 이와 같은 실시예에만 한정되는 것은 아니라는 것은 물론이다.
(실시예)
본 실시예에서 제작하고자 하는 적층 세라믹 커패시터는, 도 1에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 적층 세라믹 커패시터(1)이다.
먼저, 표 1에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는 티탄산바륨계 원료를 가수분해법에 의해 조제하였다. 게다가, 칼슘함유량이 10몰로 많은 티탄산바륨계 원료에 대해서는, 가수분해법에 의하여 제작한 티탄산바륨과, 수열합성법에 의하여 제작한 티탄산칼슘 원료를 혼합하여 조제하였다(표 1의 H 및 I 참조). 얻어진 원료 분말은 입자 직경이 50∼70nm이며, 페로브스카이트 구조의 격자 중에 많은 OH기를 포함하는 입방정 구조를 갖는다. 이들 원료를, 공기 분위기하에서 여러 가지 조건으로 열처리함으로써, 표 1에 나타낸 바와 같이, 여러가지의 'c/a'값(c축/a축), 평균 입자 직경, 최대 입자 직경, OH기의 양 및 직경 비를 갖는 티탄산바륨계 분말 A∼N을 얻었다. 이들 열처리에 의하여 생성된 분말의 응집은 열처리후에 있어서 해쇄되었다.
BaTiO3계분말 |
(Ba1-xCax)mTiO3 |
c/a |
평균 입자직경(μm) |
최대 입자직경(μm) |
OH기의 양() |
직경비 |
x |
m |
A* |
0.00 |
1.005 |
1.001 |
0.08 |
0.20 |
2.24 |
0.9 |
B |
0.00 |
1.010 |
1.002 |
0.10 |
0.20 |
1.40 |
0.8 |
C |
0.00 |
1.010 |
1.002 |
0.14 |
0.27 |
1.05 |
0.5 |
D |
0.00 |
1.015 |
1.002 |
0.13 |
0.28 |
1.23 |
0.6 |
E* |
0.00 |
1.015 |
1.002 |
0.14 |
0.38 |
0.82 |
0.6 |
F* |
0.00 |
1.015 |
1.004 |
0.25 |
0.35 |
0.60 |
0.3 |
G |
0.05 |
1.010 |
1.000 |
0.07 |
0.20 |
1.75 |
0.9 |
H |
0.10 |
1.010 |
1.002 |
0.14 |
0.27 |
0.96 |
0.5 |
I* |
0.10 |
1.010 |
1.004 |
0.25 |
0.38 |
0.65 |
0.3 |
J* |
0.10 |
1.010 |
1.002 |
0.13 |
0.25 |
0.92 |
0.4 |
표 1에 나타낸 'c/a'값은 티탄산바륨계 분말의 X선 회절에 의하여 구하였다. 즉, X선 회절에 의해 얻어진 결과를 리트벨드(rietveld) 분석하여 X선 프로파일 피팅을 행함으로써 정밀화하여 격자 정수를 구하였다. 또한, 평균 입자 직경 및 최대 입자 직경은, 티탄산바륨계 분말을 주사형 전자 현미경으로 관찰함으로써 구하였다. 또한, OH기의 양은 티탄산바륨계 분말의 열중량 분석을 행하고, 150℃이상의 온도에서의 감량값으로부터 구하였다.
또한, 표 1에 나타낸 직경비는, 분말 입자 직경에 대한 결정성이 낮은 부분의 직경의 비이며, 분말을 박막형상으로 절단가공하고, 투과형 전자 현미경으로 관찰함으로써 구하였다. 분말을 박막 형상으로 절단가공하는 경우, 분말을 절단하는 장소에 따라서, 분말 입자 직경 및 분말내에 존재하는 결정성이 낮은 부분의 직경이 다르다. 특히, 결정성이 낮은 부분이 항상 분말 입자의 중심에 위치하는 것은 아니므로, 박막형상의 시료를 얻기 위한 절단의 장소에 따라서, 그 크기가 다르게 관찰되게 된다. 따라서, 관찰시에는, 주사형 전자 현미경으로 확인된 입자 직경에 유사한 입자 직경을 갖는 입자를 선택한다. 직경비는 이러한 입자를 10개 이상 관찰하여, 평균 직경비를 산출함으로써 구하였다.
표 1에 나타낸 'BaTiO3계 분말' 란에 있어서, 분말 A∼F는 원료 (Ba1-xCax)mTiO3에 있어서의 'x'가 0.00이므로, 분말 A∼F는 Ca를 포함하지 않으며, 다른 한편, 분말 G∼J는 'x'가 0.05 또는 0.10이며, Ca를 함유하고 있다.
또한, 표 1에 나타낸 티탄산바륨계 분말에 첨가되어질 첨가물로서, 표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는 것을 준비하였다. 더욱 상세하게는, 표 2에 나타낸 시료 번호 1∼10에 대해서는, 상술한 시료 A∼F중의 어느 하나의 형태인 BaTiO3에 첨가되어질 첨가물로서, RE(RE는 Gd, Dy, Ho 및 Er중의 어느 하나), Mg 및 Mn이 준비되었다. 또한 Si를 주성분으로 함유하는 소결 보조제도 준비되었다. 다른 한편, 표 3에 나타낸 시료 번호 11∼19에 대해서는, 상술한 시료 G∼J중의 어느 하나인 (Ba1-xCax)mTiO3에 첨가되어질 첨가물로서, Mg 및 Mn이 준비되었다. 또한, (Si,Ti)-Ba를 주성분으로 함유하는 소결 보조제도 준비되었다.
시료번호 |
BaTiO3+ αRE + βMg + γMn |
Si함유소결 보조제(몰부) |
BaTiO3의종류 |
α(몰부) |
β(몰부) |
γ(몰부) |
Gd |
Dy |
Ho |
Er |
1 |
A |
|
0.03 |
|
|
0.030 |
0.005 |
3 |
2 |
B |
|
0.03 |
|
|
0.010 |
0.005 |
5 |
3 |
B |
|
0.03 |
|
|
0.020 |
0.005 |
4 |
4 |
B |
0.03 |
|
|
|
0.020 |
0.005 |
3 |
5 |
B |
|
|
0.03 |
|
0.020 |
0.005 |
4 |
6 |
B |
|
0.03 |
|
|
0.020 |
0.005 |
3 |
7 |
C |
|
0.02 |
|
|
0.020 |
0.020 |
4 |
8 |
D |
|
|
|
0.02 |
0.020 |
0.005 |
3 |
9 |
E |
|
0.02 |
|
|
0.020 |
0.005 |
3 |
10 |
F |
|
0.02 |
|
|
0.020 |
0.005 |
3 |
시료번호 |
(Ba1-xCax)TiO3+βMg+γMn |
(Si, Ti)-Ba 함유소결 보조제(몰부) |
BaTiO3의종류 |
β(몰부) |
γ(몰부) |
11 |
G |
0.01 |
0.005 |
6 |
12 |
G |
0.02 |
0.005 |
4 |
13 |
H |
0.02 |
0.005 |
6 |
14 |
H |
0.02 |
0.005 |
4 |
15 |
H |
0.02 |
0.005 |
4 |
16 |
H |
0.02 |
0.005 |
3 |
17 |
I |
0.02 |
0.003 |
4 |
18 |
I |
0.02 |
0.003 |
4 |
19 |
J |
0.02 |
0.005 |
4 |
표 2 및 표 3에 나타낸 각 첨가물은 유기 용매에 가용인 알콕시드 화합물로 전환하여, 유기 용매 중에 분산시킨 티탄산바륨계 분말에 첨가하였다. 더욱 상세하게는, 시료 번호 1∼10에 있어서는, 표 2에 나타낸 바와 같은 'BaTiO3+αRe+βMg+γMn'에 있어서, 몰부에 의거한 'α', 'β', 'γ' 및 'Si함유 소결 보조제'가 되도록, 각 첨가물을 티탄산바륨계 분말에 첨가하였다. 다른 한편, 시료 번호 11∼19에 있어서는, 표 3에 나타낸 바와 같은 '(Ba1-xCax)TiO3+βMg+γMn'에 있어서, 몰부에 의거한 'α, 'β', 'γ' 및 '(Si, Ti)-Ba함유 소결 보조제'가 되도록, 각 첨가물을 티탄산바륨계 분말에 첨가하였다.
게다가, 상술한 각 첨가물을 유기 용매에 용해하기 위하여, 알콕시드로 전환할 수가 있으며, 아세틸아세토네이트 또는 금속 비누로 전환할 수도 있다.
얻어진 슬러리는, 유기 용매를 증발하여 건조하고 다시 열처리를 함으로써, 유기 성분을 제거하였다.
이어서, 각 첨가물이 첨가된 티탄산바륨계 분말의 각 시료에, 폴리비닐부티랄계 바인더 및 에탄올 등의 유기 용매를 첨가하여, 볼 밀에 의하여 습식 혼합하고, 세라믹 슬러리를 조제하였다. 얻어진 슬러리를 독터 블레이드(doctor blade)법에 의하여 시트로 성형함으로써, 두께 1.0μm의 직사각형의 그린 시트를 얻었다. 그리고, 얻어진 세라믹 그린 시트상에, Ni를 주 성분으로 함유하는 도전성 페이스트를 인쇄하고, 내부 전극을 구성하기 위한 도전성 페이스트막을 형성하였다.
이어서, 이와 같이 하여 얻어진 세라믹 그린 시트를, 시트상의 상술한 도전성 페이스트막인 인출 단부가 번갈아 배열되도록 적층함으로써, 적층체를 얻었다. 얻어진 적층체를, N2분위기중에서 350℃의 온도로 가열하고, 바인더를 연소시킨 후, 산소 분압 10-9∼10-12MPa의 H2-N2-H2O 가스로 이루어지는 환원성 분위기중에서 표 4에 나타낸 온도로 2시간 동안 소성하였다.
소성된 적층체의 대향하는 측면에, B2O3-Li2O-SiO2-BaO계의 유리 프릿을 함유하는 은 페이스트를 도포하고, 이어서 질소 분위기중에서 600℃의 온도에서 베이킹하고, 내부 전극과 전기적으로 접속된 외부 전극을 형성하였다.
얻어진 적층 세라믹 커패시터의 외형 칫수는, 폭이 5.0mm, 길이가 5.7mm, 두께가 2.4mm이며, 내부 전극 사이에 개재되는 유전체 세라믹층의 두께는 0.6μm이었다. 또한, 유효 유전체 세라믹층의 총수는 5이며, 1층당의 대향 전극의 면적은 16.3×10-6m2이었다.
이들 얻어진 시료에 대하여 다음과 같이 전기적 특성을 측정하였다.
정전 용량(C) 및 유전 손실(tanδ)은 자동 브리지식 측정기를 사용하여 JIS규격 5102에 따라서 측정하고, 얻어진 정전 용량으로부터 유전율(ε)을 산출하였다.
또한, 절연 저항(R)을 측정하기 위하여, 절연 저항계를 사용하고, 6V의 직류 전압을 2분간 인가하여, 25℃에서의 절연 저항(R)을 구하고, 비저항을 산출하였다.
온도 변화에 대한 정전 용량의 변화율에 대해서는, 20℃에서의 정전 용량을 기준으로 한 -25℃∼+85℃의 범위에서의 변화율(△C/C20)과, 25℃에서의 정전 용량을 기준으로 한 -55℃∼+125℃의 범위에서의 변화율(△C/C25)을 나타내었다.
또한, 고온 부하 시험에 있어서는, 온도 150℃에서 직류 전압을 6V 인가하여, 그 절연 저항의 경시 변화를 측정하였다. 고온 부하 시험은, 각 시료의 절연 저항값(R)이 105Ω이하로 되었을 때를 고장이라고 하고, 평균 수명 시간을 평가하였다.
게다가, 절연 파괴 전압은, 승압 속도 100V/초로 DC전압을 인가함으로써 측정하였다.
또한, 얻어진 적층 세라믹 커패시터에 포함되는 유전체 세라믹의 평균 입자 직경을 적층체의 측면 연마면을 화학적으로 에칭하고, 주사형 전자 현미경으로 관찰함으로써 구하였다. 이 결과 및 상술한 표 1에 나타낸 출발 원료의 평균 입자 직경으로 부터 (유전체 세라믹의 평균 입자 직경)/(출발 원료의 평균 입자 직경)의 입자 직경 비 R을 구하였다.
이상의 각 결과가 표 4에 나타내어져 있다.
시료번호 |
소성온도(℃) |
입자직경비R |
유전율 |
유전손실 tanδ() |
용량 변화율△CDC3kV/mm() |
온도 변화에 대한용량 변화율 |
비저항ρlogρ(Ω·cm) |
절연파괴전압DC(kV/mm) |
평균수명(h) |
△C/C20+85℃() |
△C/C25+125℃() |
1* |
1050 |
1.55 |
1260 |
2.3 |
-14.6 |
-10.6 |
-27.0 |
13.1 |
76 |
0.4 |
2* |
1100 |
1.76 |
1280 |
3.4 |
-22.1 |
-14.6 |
-30.5 |
13.1 |
81 |
0.5 |
3 |
1100 |
1.04 |
960 |
3.6 |
- 3.4 |
- 8.8 |
-12.4 |
13.2 |
88 |
65 |
4 |
1150 |
1.08 |
860 |
2.8 |
- 3.2 |
- 9.8 |
-14.7 |
13.2 |
94 |
96 |
5 |
1050 |
1.05 |
910 |
2.9 |
- 3.3 |
- 9.7 |
-14.8 |
13.2 |
91 |
88 |
6* |
1050 |
0.80 |
630 |
3.3 |
- 2.4 |
-12.6 |
-26.7 |
13.2 |
88 |
91 |
7 |
1150 |
1.16 |
1130 |
3.6 |
- 4.6 |
- 9.7 |
-14.8 |
13.0 |
91 |
75 |
8 |
1100 |
1.10 |
1040 |
3.4 |
- 3.8 |
- 8.8 |
-12.8 |
13.2 |
88 |
63 |
9* |
1150 |
1.08 |
1060 |
3.3 |
- 3.6 |
- 9.4 |
-14.5 |
13.1 |
81 |
4.5 |
10* |
1175 |
1.04 |
1670 |
2.3 |
-10.9 |
- 9.4 |
-14.4 |
13.2 |
64 |
2.1 |
11* |
1100 |
1.84 |
1120 |
3.8 |
-10.7 |
2.4 |
8.7 |
13.2 |
68 |
1.6 |
12 |
1100 |
1.05 |
740 |
2.6 |
1.3 |
- 1.4 |
- 4.6 |
13.2 |
72 |
66 |
13* |
1150 |
1.63 |
1210 |
5.7 |
-11.4 |
3.4 |
9.7 |
13.1 |
64 |
2.5 |
14 |
1150 |
0.97 |
760 |
2.3 |
- 2.4 |
- 4.5 |
- 4.5 |
13.2 |
96 |
68 |
15 |
1175 |
1.05 |
870 |
2.1 |
- 1.5 |
- 4.2 |
- 5.8 |
13.2 |
88 |
64 |
16* |
1150 |
0.88 |
230 |
1.9 |
2.4 |
-11.4 |
-17.9 |
13.2 |
87 |
96 |
17* |
1250 |
1.05 |
1080 |
4.6 |
- 8.4 |
- 4.2 |
- 8.5 |
13.2 |
75 |
13 |
18* |
1200 |
0.75 |
330 |
2.5 |
1.5 |
-11.3 |
-16.4 |
13.2 |
83 |
67 |
19* |
1175 |
1.04 |
1030 |
2.8 |
- 8.6 |
- 2.2 |
- 2.5 |
13.2 |
85 |
72 |
본 발명에 관한 유전체 세라믹은, 페로브스카이트 구조의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만이며, 결정 격자 중의 OH기의 양이 2.0중량이하인 페로브스카이트 구조를 갖는 티탄산바륨계 분말을 소성하여 얻어지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 원료로서의 티탄산계 분말은, 최대 입자 직경이 0.3μm이하, 평균 입자 직경이 0.05∼0.15μm이다. 또한, 바람직하게는 상술한 티탄산바륨계 분말의 개개의 입자는, 결정성이 낮은 부분과 결정성이 높은 부분을 포함하며, 결정성이 낮은 부분의 직경이 분말 입자의 0.5이상이며, 또한 (유전체 세라믹의 평균 입자 직경)/(티탄산바륨계 분말의 평균 입자 직경)의 비 R은, 0.90∼1.2의 범위내에 있으며, 이에 따라서 세라믹 소결시에 현저한 입자 성장이 생기지 않는다.
표 4에 있어서 *표시를 한 시료 번호, 및 표 1에 있어서 *표시를 한 분말은, 본 발명 혹은 상술한 바람직한 범위로부터 벗어난 것이다.
먼저, 표 1에 나타낸 원료 분말 A∼F 중의 어느 하나를 사용하여 얻어진, 표 4에 나타낸 시료 번호 1∼10에 관하여, 소성된 세라믹을 투과형 전자 현미경으로 분석한 바, 세라믹 입자의 입계 근방에는, Gd, Dy, Ho 또는 Er과 같은 희토류 원소(RE)가 확산하여 셀부를 형성하고, 세라믹 입자의 중심부에는, 코어부가 형성된다는 것, 즉 소성된 세라믹은 개개의 입자내에서 코어 및 셀이 상이한 조성 및 결정계를 갖는 코어-셀 구조를 나타내고 있다는 것이 확인되었다.
표 1에 나타낸 원료 분말 A와 같이, OH기의 양이 2.0중량를 넘는 분말을 사용한 경우, 표 4의 시료 번호 1의 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 반응성이 너무 좋아지기 때문에, 소결된 세라믹의 입자 직경이 커지며, 유전율의 온도 특성이 커지고, 또한 평균 수명이 짧아지므로, 바람직하지 않다.
표 1에 나타낸 원료 분말 E와 같이, 최대 입자 직경이 0.3μm를 넘는 분말을 사용한 경우, 표 4의 시료 번호 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 커패시터의 평균 수명이 짧아질 수가 있으며, 또한 본 실시예와 같이 유전체 세라믹층의 두께를 1μm이하로 박층으로 한 경우에는, 신뢰성이 나빠질 수도 있다.
표 1에 나타낸 원료 분말 F와 같이, 평균 입자 직경이 0.15μm를 넘고 또한 최대 입자 지경이 0.3μm를 넘는 원료 분말을 사용한 경우에는, 표 4의 시료 번호 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유전체 세라믹층이 박층일 때, 신뢰성이 나빠질 수 있으며, 또한 32kV/mm에서의 정전 용량의 변화가 과도해 질 수가 있다.
게다가, 표 1에 나타낸 원료 분말 B와 같이, 원료 분말의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만, OH기의 양이 2.0중량이하, 최대 입자 직경이 0.3μm이하, 및 평균 입자 직경이 0.05∼0.15μm의 범위내에 있더라도, 표 4의 시료 번호 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 직경비 R이 1.2를 넘는 경우에는, 유전율의 온도 변화가 과도해질 수가 있으며, 신뢰성도 낮아질 수가 있다.
또한, 마찬가지로, 표 1에 나타낸 원료 분말 B를 사용한 경우에 있어서, 표 4의 시료 번호 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 재료의 조합시에 강한 분쇄를 진행하여 소결체의 입자 직경이 원료의 입자 직경에 비하여 작아지도록 하여, 입자 직경 비 R을 0.90미만으로 한 경우에는, 유전율은 낮아지고, 정전 용량의 온도 특성이 나빠질 수도 있다.
이에 비하여, 표 4의 시료 번호 3, 4, 5, 7 및 8에서는, 유전체 세라믹층의 두께가 0.6μm로 얇은데도 불구하고, 온도에 대한 정전 용량의 변화율이 -25℃∼+85℃의 범위내에서 JIS규격에 규정하는 B특성을 만족하며, -55℃∼+125℃에서의 범위내에서 EIA규격에 규정하는 X7R 특성을 만족한다. 게다가, 상기 시료들은 고온 부하 시험에서 발생하는 고장이 될 때까지 60시간 이상을 견딜 수 있으며, 또한 1200℃이하의 온도에서 소성 가능하다. 또한, 직류 전압 인가시의 정전 용량 의 변화도 5이하로 작고, 따라서 높은 정격 전압을 확보할 수 있다.
이어서, 표 1에 나타낸 원료 분말 G∼J 중의 어느 하나를 사용하여 얻어진, 표 4에 나타낸 시료 번호 11∼19의 소성 세라믹에 관하여, 투과형 전자 현미경으로 분석한 바, 시료 번호 1∼17과 관련된 개개의 세라믹 입자 내에서 발견된 바와 같이 불균일한 조성 및 불균일한 결정계는 관찰되지 않았다.
표 1에 나타낸 원료 분말 G 및 H는, 원료 분말의 c축/a축의 비가 1.000이상 및 1.003미만, OH기의 양이 2.0중량이하, 최대 입자 직경이 0.3μm이하, 및 평균 입자 직경이 0.05∼0.15μm인 범위내에 있는 것이지만, 표 4의 시료 번호 11 및 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소결체에서의 입자 직경이 커지며, 입자 직경 비 R이 1.2를 넘는 경우에는, 신뢰성이 떨어지며, 또한 3kV/mm에서의 정전 용량의 변화도 커질 수가 있다.
또한, 마찬가지로 표 1에 나타낸 원료 분말 H를 사용한 경우에 있어서, 표 4의 시료 번호 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 재료 조합시에 강한 분쇄를 진행하여 소결체의 입자 직경이 원료의 입자 직경에 비하여 작아지도록 하여, 입자 직경 비 R을 0.90미만으로 한 경우에는, 정전 용량의 온도 변화가 크며, 또한 비유전율이 작아질 수가 있다.
표 1에 나타낸 원료 분말 I와 같이, 평균 입자 직경이 0.15μm를 넘고, 또한 최대 입자 직경이 0.3μm를 넘는 경우에는, 표 4의 시료 번호 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 입자 직경 비 R이 0.90∼1.2의 범위내에 있더라도 신뢰성은 낮아지는 수가 있다.
또한, 마찬가지로 표 1에 나타낸 원료 분말 I을 사용한 경우에 있어서, 표 4의 시료 번호 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 시료의 조합시에 강한 분쇄를 진행하여 소결체의 입자 직경이 원료의 입자 직경에 비하여 적어지도록 하여, 입자 직경 비 R을 0.90미만으로 한 경우에는, 정전 용량의 온도 변화가 크고, 또한 비유전율도 적어질 수가 있다.
또한, 티탄산바륨계 분말의 개개의 입자에 있어서, 결정성이 낮은 부분의 직경이 분말 입자 직경의 0.5배 이하의 직경을 갖는, 표 1에 나타낸 원료 분말 J를 사용한 경우, 결정성이 높은 부분이 분말의 많은 영역을 차지하기 때문에, 표 4의 시료 번호 19로부터 알 수 있는 바와 같이, 유전성이 강해지며, 3kV/mm에서의 정전 용량이 증가하는 수가 있다.
이에 비하여, 표 4의 시료 12, 14 및 15에서는, 유전체 세라믹층의 두께가 0.6μm로 얇음에도 불구하고, 온도에 대한 정전 용량의 변화율이 -25℃∼+85℃의 범위내에서 JIS 규격에 규정하는 B특성을 만족하고, -55℃∼+125℃에서의 범위내에서 EIA 규격에 규정하는 X7R특성을 만족한다. 게다가, 상기 시료들은 고온 부하 시험에서 발생하는 고장이 될 때까지 60시간 이상을 견딜 수 있으며, 또한 1200℃이하의 온도에서 소성가능하다. 또한, 직류 전압 인가시의 정전 용량의 변화도 5이하로 작고, 따라서 높은 정격 전압을 확보할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 유전체 세라믹의 복수의 입자가 개개의 입자내에서 균일한 조성 및 균일한 결정계를 가지는 것, 즉 상기 입자가 코어-셀 구조를 가지지 않는 것이더라도, 소결시의 입자 성장을 제어함으로써, 예를 들면 시료 번호 12, 14 및 15와 같이, 유전율의 온도 특성이 우수하며, 또한 신뢰성도 높은 유전체 세라믹을 얻을 수가 있다.
게다가, 상술한 실시예는 적층 세라믹 전자 부품이 적층 세라믹 커패시터인 경우에 대한 것이었으나, 거의 동일한 제조 방법에 의하여 제조되는 다층 세라믹 기판 등의 다른 적층 세라믹 전자 부품에 경우에 있어서도, 동일한 효과가 얻어진다는 것이 확인되었다.