KR100279732B1

KR100279732B1 - 마이크로파소자용자성체세라믹조성물,이를이용한마이크로파소자용자성체세라믹및그의제조방법

Info

Publication number: KR100279732B1
Application number: KR1019970069528A
Authority: KR
Inventors: 박정래; 김태홍; 한진우; 이상석; 최태구
Original assignee: 이계철; 한국전기통신공사; 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2001-02-01
Also published as: KR19990050409A

Abstract

본 발명은 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물, 이를 이용한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 산화이트륨, 산화철, 산화알루미늄을 주성분으로 하고 여기에 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물 그리고 산화구리와 산화붕소의 화합물 중에서 한가지를 선택하여 부성분으로 첨가하며, 하기 화학식 1으로 표시함으로써, 상온에서 100~1,800 G의 포화자화와 0.2 %/℃ 이내의 포화자화 온도계수 및 60 0e 이하의 페리자성공명반치폭을 갖는 적당한 포화자화와 평탄한 온도안정성 및 손실특성이 우수한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹을 얻을 수 있고, 소결조제의 첨가로인해 적정소결온도를 낮추어줄 수 있으므로 본 발명의 자성체 세라믹을 마이크로파대 아이솔레이터, 서큘레이터 및 S/N 인핸서 등의 마이크로파 대역용 부품에 효과적으로 사용될 수 있고, 고가의 산화이트륨과 산화철에 저가의 산화알루미늄, 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물을 원료로 사용하므로, 경제적으로 고품위의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹을 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

(화학식 1 : Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂(여기서, 0≤x≤1.5, 0<B₂O₃≤5(wt%), 0<Bi₂O₃≤5(wt%), 0<ZnO≤5(wt%), 0<CuO≤5(wt%), 0<ZnB₂O₄≤5(wt%), 0<CuB₂O₄≤5(wt%)이다).

Description

마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물, 이를 이용한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 및 그의 제조방법

본 발명은 민생용 및 산업용 전자기기에 사용되는 마이크로파 대역 부품용 소재에 관한 것으로, 특히 포화자화의 제어가 용이하고 낮은 강자성공명선폭과 양호한 큐리온도를 지닌 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물, 이를 이용한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 자동차전화, 휴대전화, 코드리스전화, 위성방송수신기 등의 통신수단이 범용화됨에 따라, 마이크로파 회로, 집적회로의 발전 등에 의해, 아이솔레이터, 서큘레이터, S/N 인핸서(S/N enhancer) 등의 마이크로파 대역용 소자에 자성체 세라믹이 널리 사용되고 있는 추세에 있다.

이러한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹은 주로 아이솔레이터 및 서큘레이터에 이용되고 있는데, 상기한 종래의 대표적인 마이크로파 소자용 자성체 세라믹으로는 YIG(Y₃Fe₅O₁₂), Ni-Zn계 페라이트, Mn-Mg계 페라이트, Li계 페라이트 등이 있다.

한편, 상기한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹이 아이솔레이터, 서큘레이터 등과 같은 마이크로파 대역용 부품에 적용가능하기 위해서는 100∼1,800 G까지 조절가능한 적당한 포화자화를 지녀야 하고, 마이크로파 대역에서 강자성공명선폭이 60 Oe 이하 정도로 작아야 하며, 포화자화의 온도계수도 0.2%/℃ 이하 정도로 작아야 하는 요구특성을 만족시켜야만 한는데, 이때, 포화자화의 온도계수가 크면 평탄한 온도안정성을 얻기가 힘들고, 강자성공명선폭이 크면 마이크로파 대역에서 우수한 손실특성을 얻을 수 없게 된다.

그러나, 상기 종래의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 중에서 YIG계의 경우는 적당한 포화자화를 지니며 강자성공명선폭이 작은 반면에, 포화자화의 온도계수가 0.3∼0.4 %/℃로 비교적 큰 값을 가지고 있으며, 또한, 상기 Ni-Zn계 페라이트와 Mn-Mg계 페라이트는 포화자화가 크고 온도계수는 비교적 작으나, 강자성공명선폭이 160 Oe이상으로 크다는 문제점을 지니고 있으며, 아울러, 상기한 Li계 페라이트도 적당한 포화자화를 지니고 온도계수도 작으나, 강자성공명선폭이 300 Oe 이상으로 매우 크다는 문제점을 지니고 있었다.

따라서, 상기 종래기술에 따른 마이크로파 소자용 자성체 세라믹을 마이크로파 대역용 부품에 실제적으로 적용하기에는 실용상 문제점이 있을 뿐 아니라, 자성체 세라믹 제조시 산화이트륨, 산화철 등과 같은 고가의 원료를 사용하기 때문에 경제성이 떨어진다는 문제점을 지니고 있었다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 제어가 용이하며 적당한 포화자화를 지니고 마이크로파 대역에서 작은 강자성공명선폭을 지니며 포화자화의 온도계수도 작을 뿐 아니라, 안정된 구성원소의 조성비를 지님은 물론, 적정소결온도를 1250℃이하로 낮추어 줌으로써 경제적으로 자성체 세라믹을 제조할 수 있는, 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제어가 용이하며 적당한 포화자화를 지니고 마이크로파 대역에서 작은 강자성공명선폭을 지니며 포화자화의 온도계수도 작아 마이크로파 대역용 부품에 실제적으로 적용이 가능한 자성체 세라믹 조성물을 이용한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물은, 산화이트륨(Y₂O₃), 산화철(Fe₂O₃), 산화알루미늄(Al₂O₃)을 주성분으로 하고, 산화붕소(B₂O₃), 산화비스무스(Bi₂O₃), 산화구리와 산화붕소의 화합물(CuB₂O₄), 산화아연과 산화붕소의 화합물(ZnB₂O₄)을 부성분으로 하며, 여기에 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물 그리고 산화구리와 산화붕소의 화합물 중에서 한가지를 선택하여 부성분으로 첨가하여 하기 화학식 1로 표시하는 것을 특징으로 한다.

Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂

여기서, 0≤x≤1.5, 0<B₂O₃≤5(wt%), 0<Bi₂O₃≤5(wt%), 0<ZnO≤5(wt%), 0<CuO≤5(wt%), 0<ZnB₂O₄≤5(wt%), 0<CuB₂O₄≤5(wt%)이다.

본 발명은 상기 화학식 1에 따라 산화이트륨, 산화철, 산화알루미늄을 혼합하여 하소한 후 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물 중에서 한가지를 선택하여 부성분으로 첨가한 후 성형 소결하여 제조한 것이다.

본 발명에 따른 마이크로파 소자용 자성체 세라믹은, 상기 화학식 1에 따라, 산화이트륨, 산화철,산화알루미늄을 혼합한 후, 성형 및 소결하여 제조된 것으로, 소결조제의 첨가로 인하여 1250℃이하로 소결온도를 낮춤으로써, 상온에서 100∼1,800 G의 포화자화와 0.2 %/℃ 이하의 포화자화 온도계수 및 60 Oe 이하의 강자성공명선폭을 지닌 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 마이크로파 소자용 자성체 세라믹의 제조방법은, 상기 화학식 1에 따라, 산화이트륨, 산화철, 산화알루미늄을 혼합하는 단계와, 상기 혼합물을 건조시킨 후 1,100∼1,200℃에서 1∼3시간 동안 하소를 수행하는 단계와, 상기 하소 수행 단계에서 하소를 거친 분말에 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물을 각각 하나씩 선택적으로 첨가하고 결합제를 가하여 혼합하고 소정 형상으로 성형하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 성형품을 공기분위기 하에서 1,200∼1,400℃에서 소성하는 단계를 포함한다.

상기한 본 발명의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물에 있어서, 산화철에 대한 산화알루미늄의 치환량이 증가하면 마이크로파 소자용 자성체 세라믹에 대한 포화자화는 감소하나, 치환량이 1.5몰 이상인 경우에는 포화자화의 감소와 더불어, 강자성공명선폭이 급격히 증가되어 실용화가 곤란한 단점이 있다.

또한, 상기한 본 발명의 조성물에 있어서, 산화비스무스, 산화아연, 산화아연과 산화붕소의 화합물의 첨가량이 증가하면 마이크로파 소자용 자성체 세라믹에 대한 포화자화와 강자성공명선폭이 감소하고 적정소결온도가 1300℃이하로 낮아지나, 그 첨가량이 5 wt%이상인 경우에는, 액상소결에 의해 과잉소결되어 자성체를 형성하지 못하므로 실용화가 곤란한 단점이 있고, 상기 본 발명의 조성물에 있어서, 산화붕소, 산화구리, 산화구리와 산화붕소의 화합물의 첨가량이 증가함에 따라 포화자화와 강자성공명선폭이 감소되고 포화자화의 온도계수가 낮아짐은 물론, 적정 소결온도가 1250℃이하로 낮아지나, 5 wt% 이상 치환되는 경우에는 과잉소결과 더불어, 강자성공명선폭이 증가한다는 문제점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물, 이를 이용한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 및 그의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 주어진 것으로, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서 자명할 것이다.

(실시예)

산화이트륨, 산화철을 하기 표 1, 표 2, 표 3에 나타낸 조성비와 같이 평량하여 탈이온수와 함께 혼합하였다. 이때, 혼합은 볼밀링(ball-milling) 방법을 이용하였으며, 지르코니아 볼과 플라스틱 단지를 사용하였다.

상기 혼합이 이루어진 후 혼합물을 건조시키고, 건조된 분말을 1,100∼1,200℃에서 2시간 동안 하소를 수행하여, 하소가 이루어진 분말에 하기 표 1, 표 2, 표 3에 나타낸 조성비와 같이 결합조제로 사용되는 부조성을 평량하여 혼합하였고, 결합제(binder)로 사용되는 폴리비닐알콜을 적정량 첨가하여 지르코니아 유발 내에서 혼합하였으며, 혼합된 재료를 금형과 유압 프레스를 사용하여 직경 10mm 이상, 높이 3mm 이하의 디스크형 시편으로 성형하였다. 이때, 성형압력은 1.0ton/㎠ 이상이었다.

그리고 성형된 시편을 이용하여 구형 시편을 제조한 후, 지르코니아 셋터(setter) 위에 적재하고, 공기분위기 하에서 1,200℃ 이상의 고온에서 전기로를 이용하여 소결하였다.

물성평가

상기 실시예에서 얻어진 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 시편을 진동시편자력계(vibrating sample magnetometer)를 사용하여 포화자화 및 온도변화에 따른 포화자화를 측정하였으며, 공동 공진기 섭동방법으로 약 10 GHz에서 자기장을 가하면서 강자성공명선폭을 측정하였다.

또한, 포화자화의 온도계수는 하기 식에 따라 20℃의 온도에 대한 포화자화를 기준으로 20℃∼120℃의 온도범위에 대하여 구하였다.

상기 수학식 1에서, α는 포화자화의 온도계수, 4πMs(120℃)는 120℃에서의 포화자화, 4πMs(20℃)는 20℃에서의 포화자화, ΔT는 측정온도차(이 경우에는, 120℃-20℃ = 100℃)를 나타낸다.

상기 과정에 따라 측정한 본 발명의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹에 대한 포화자화, 강자성공명선폭 및 포화자화 온도계수를 하기 표 1, 표 2, 표 3에 나타내었다.

상기 표 1, 표 2, 표 3의 결과에서 보듯이, 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성중 산화철에 대한 산화알루미늄의 치환량이 증가함에 따라 부조성의 첨가량이 증가되었으며, 포화자화는 감소하였고, 마이크로파대 강자성공명선폭이 감소하다가 증가함을 알 수 있었다. 즉, 산화비스무스, 산화아연, 산화아연과 산화붕소의 화합물의 첨가량이 증가하면, 마이크로파 소자용 자성체 세라믹에 대한 포화자화는 감소하고 마이크로파대 강자성공명선폭이 감소하다가 증가하였으며, 또한, 적정소결온도가 1300℃이하로 낮아지나, 그 첨가량이 5 wt%이상인 경우에는 액상소결에 의해 과잉소결되어 자성체를 형성하지 못하였다.

그리고, 본 발명의 조성물 중 산화붕소, 산화구리, 산화구리와 산화붕소의 화합물의 첨가량이 증가함에 따라 포화자화와 강자성공명선폭이 감소되고 포화자화의 온도계수가 낮아짐은 물론, 적정 소결온도가 1250℃이하로 낮아지나, 5 wt% 이상 치환되는 경우에는 과잉소결과 더불어, 마이크로파대 강자성공명선폭이 증가하였다.이때, 부조성의 적정 조성비는 첨가량에 따라 변화될 수 있으며, 0.1∼5 wt% 범위에서 특성치가 적정값을 나타내었다.

한편, 동일한 조성에서는 소결온도가 높아지면 소결체의 포화자화가 약간 높아지고, 소결시간이 길어지면 마이크로파대 강자성공명선폭이 약간 낮아짐을 확인할 수 있었다.

상기한 본 발명에 따르면, 상온에서 100∼1,800 G의 포화자화와 0.2 %/℃ 이내의 포화자화 온도계수 및 60 Oe 이하의 페리자성공명반치폭을 갖는, 적당한 포화자화와 평탄한 온도안정성 및 손실특성이 우수한 마이크로파 소자용 자성체 세라믹을 얻을 수 있고, 소결조제의 첨가로 인해 적정소결온도를 낮추어줄 수 있으므로 본 발명의 자성체 세라믹은 마이크로파대 아이솔레이터, 서큘레이터 및 S/N 인핸서 등의 마이크로파 대역용 부품에 효과적으로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 고가의 산화이트륨과 산화철에 저가의 산화알루미늄, 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물을 원료로 사용하므로, 경제적으로 고품위의 마이크로파 소자용 자성체 세라믹을 제공할 수 있다.

Claims

산화이트륨, 산화철, 산화알루미늄을 주성분으로 하고 여기에 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물 그리고 산화구리와 산화붕소의 화합물 중에서 한가지를 선택하여 부성분으로 첨가하며,하며, 하기 화학식 1으로 표시하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 소자용 자성체 세라믹 조성물:

(화학식 1)

Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂

이때, 0≤x≤1.5, 0<B₂O₃≤5(wt%), 0<Bi₂O₃≤5(wt%), 0<ZnO≤5(wt%), 0<CuO≤5(wt%), 0<ZnB₂O₄≤5(wt%), 0<CuB₂O₄≤5(wt%)이다.
하기 화학식 1에 따라, 산화이트륨, 산화철, 산화알루미늄을 혼합하여 하소한 후, 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물 중에서 한가지를 선택하여 부성분으로 첨가하고 성형 및 소결하여 제조된 것을 특징으로 하는 마이크로파 소자용 자성체 세라믹:

(화학식 1)

Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂

이때, 0≤x≤1.5, 0<B₂O₃≤5(wt%), 0<Bi₂O₃≤5(wt%), 0<ZnO≤5(wt%), 0<CuO≤5(wt%), 0<ZnB₂O₄≤5(wt%), 0<CuB₂O₄≤5(wt%)이다.
제 2 항에 있어서, 상기 자성체 세라믹은

상기한 자성체 세라믹은, 상온에서 100∼1,800 G의 포화자화와 0.2 %/℃ 이하의 포화자화 온도계수 및 60 Oe 이하의 강자성 공명 선폭을 지닌 것을 특징으로 하는 마이크로파 소자용 자성체 세라믹.
하기 화학식 1에 따라, 산화이트륨,산화철,산화알루미늄을 혼합하는 단계와;

상기 혼합물을 건조시킨 후 1,100∼1,200℃에서 1∼3시간 동안 하소를 수행하는 단계와;

상기 하소수행 단계에서 하소를 거친 분말에 산화붕소, 산화비스무스, 산화아연, 산화구리, 산화아연과 산화붕소의 화합물, 산화구리와 산화붕소의 화합물을 부성분으로 각각 하나씩 선택적으로 첨가하고 결합제를 가해 혼합하여 소정 형상으로 성형하는 단계와;

상기 소정 형상의 성형 단계에서 얻어진 성형품을 공기분위기 하에서 1,200∼1,400℃에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 소자용 자성체 세라믹의 제조방법:

(화학식 1)

Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂

이때, 0≤x≤1.5, 0<B₂O₃≤5(wt%), 0<Bi₂O₃≤5(wt%), 0<ZnO≤5(wt%), 0<CuO≤5(wt%), 0<ZnB₂O₄≤5(wt%), 0<CuB₂O₄≤5(wt%)이다.