KR100307886B1 - 고주파용 유전체 조성물 - Google Patents
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Abstract
조성식 Ca[(Li1/3Nb2/3)(1-x)TiX]O3(x는 0≤x≤0.5)로 표시되는 고주파용 유전체 세라믹스 조성물이 제공된다. 이 조성물은 높은 품질계수와 유전율을 가지며, 공진 주파수의 온도 계수(TCF)가 안정하면서 조성의 변화에 따라 TCF를 0 ppm/℃까지 조절이 가능하여 고주파용 유전체 세라믹스 부품의 재료로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 소결 온도가 낮고, 소결 시간도 짧아 양산시 생산 단가 절감에 유리한 재료이다.
Description
본 발명은 높은 품질계수(Q값)와 유전율을 가지며, 또한 공진 주파수의 온도계수가 안정하고, 소결 온도가 낮은 고주파용 유전체 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
최근, 무선 전화기, 자동차 전화기 등의 이동 통신, 위성 방송, 위성 통신 등 주파수 대역이 300 ㎒ 내지 300 ㎓인 마이크로파를 이용한 통신 시스템이 현저하게 발전하고 있으며, 이러한 뉴미디어의 실용화를 위해 공진기, 대역 통과 (또는 저지) 필터, 듀플렉서 및 마이크로파 집적회로(MIC) 등에 고주파용 유전체 세라믹스의 응용이 크게 증대되고 있다.
이러한 고주파용 유전체가 통신 시스템에 사용되기 위해서는, (1) 유전체 내에서 마이크로파의 파장이 유전율의 1/2 제곱에 반비례하므로, 부품의 소형화를 위해서는 유전율이 높아야 하고, (2) 유전 손실은 주파수에 비례하여 증가하므로, Q값 (즉, 유전 손실의 역수)이 높아야 하며, (3) 유전체 공진기의 공진 주파수의 온도 계수가 작아야 한다 [워싱(W. Wersing)의 Electronic Ceramics (B.C.H. Steele 편저), 제67 페이지, 미합중국 뉴욕주 소재 Elsevier Sci. Pub. Co. 발행 (1991) 참조].
또한, 통신 시스템에 사용되는 고주파용 유전체는 경시 변화가 작고, 열전도율이 커야 하며, 기계적 강도가 양호하고 소결 온도가 낮아야 한다.
지금까지 개발된 유전율 30 내지 40 정도의 대표적인 유전체로는 Ba2Ti9O20계 [오브라이언(H.M.O'Bryan) 등의 J. Am. Ceram. Soc., 57[10], 제450-453 페이지 (1974) 참조]와 (Zr, Sn)TiO4계 [와키노(K.Wakino) 등의 J. Am. Ceram. Soc., 67[4] 제278-281 페이지 (1984) 참조]를 들 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 유전체는 Q·f0값이 각각 32000과 49000 ㎓로 다소 높은 편이나, 소결 온도가 1400℃ 내외로 높아 부품 생산시 생산 단가가 높아지므로, 이를 절감하기 위해서는 소결 온도가 낮은 유전체 재료가 요구되고 있다.
일반적으로, 유전율이 큰 재료는 유전체 내부의 쌍극자와의 결함 등으로 인하여 유전 손실과 공진 주파수의 온도 계수가 증가하게 되는데, 고주파용 유전체는 우선적으로 공진 주파수의 온도 계수가 안정하여야 마이크로파를 이용한 통신 시스템 등에 응용이 가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 유전율이 30 이상이며, 유전 손실이 적고, 소결온도가 낮으며, 공진 주파수의 온도 계수를 유효 범위 내에서 조절할 수 있는 고주파용 유전체 세라믹스 조성물을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파용 유전체 세라믹스 조성물의 조성 변화에 따른 공진 주파수의 온도 계수 변화를 나타내는 그래프도.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
상기 본 발명의 목적은 다음 화학식 (1)로 표시되는 조성을 갖는 고주파용 유전체 세라믹스 조성물을 제공함으로써 달성된다.
식 중, x는 0≤x≤0.5 이다.
상기 본 발명의 고주파용 유전체 세라믹스 조성물은 페로브스카이트형 고용체로서, 유전율이 약 30 내지 56이고, Qxf0(㎓)가 18600 내지 40000이다. 공진 주파수의 온도 계수(TCF)의 범위는 -21 내지 +83 ppm/℃로 조성의 변화에 따라 TCF를 0 ppm/℃로 조절할 수 있으며 따라서, 고주파용 유전체 세라믹스 부품의 재료로서 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 고주파용 유전체 세라믹스 조성물은 Ti의 양에 따라 그 특성이 변화한다. 즉, 유전율은 Ti의 함량이 증가함에 따라 30 내지 56의 범위에서 서서히 증가하는 반면, Qxf0(㎓)는 40000 내지 18600의 범위내에서 서서히 감소한다. 공진 주파수의 온도 계수는 제1도에서 보는 바와 같이 -에서 +로 점진적으로 변화된다. 특히, Ti의 함량이 0.05 mol인 부근에서는 1150℃ 에서 3시간 소결시킬 경우, 유전율이 32.3이고, Qxf0가 29800 이상이며, 공진주파수의 온도 계수가 0 ppm/℃인 우수한 마이크로파용 유전체 세라믹스를 제조할 수 있다.
본 발명의 고주파용 유전체 세라믹스 조성물은, 출발 물질로서 CaCO3, Li2CO3, Nb2O5및 TiO2를 사용전에 약 600℃의 온도에서 약 10시간 정도 건조시킨 후, 이들 시료를 본 발명의 고주파용 유전체 세라믹스 조성물을 제공하는 일정 조성비로 혼합한 분말을 약 700∼900℃의 온도에서 약 2시간 동안 하소하여 분쇄한 후, 성형 첨가제(유기 바인더)로서, 예를들면 5% PVA 수용액을 첨가하여 가압 성형하고, 약 600℃의 온도에서 약 1시간 동안 열처리하여 유기 바인더를 제거한 후, 대기중에서 약 1000∼1300℃의 온도에서 약 1 내지 5시간 동안 소결시킴으로써 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로써 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예에서 소결 시편의 유전율, Q값 및 공진 주파수의 온도 계수 등의 유전 특성은 공지된 유전체 공진기법으로 측정하였다.
<실시예>
순도 99%의 CaCO3, 99.99%의 Li2CO3와, 99.9%의 Nb2O5및 TiO2를 사용전에 약 600℃의 온도에서 약 10시간 정도 건조시킨 후, 이들 시료를 표 1에 나타낸 조성비로 혼합하고, 혼합 분말을 대기 중에서 약 850 ℃의 온도에서 약 2시간 정도 하소하여 분쇄한 후 성형 첨가제로 5% PVA 수용액을 첨가하여 직경 10 ㎜, 두께 약 5내지 6 ㎜의 원기둥형 시편으로 가압 성형하고, 성형된 시편을 약 600℃의 온도에서 약 1시간 동안 열처리하여 유기 바인더를 제거한 후, 대기중에서 약 1150℃의 온도에서 약 1 내지 5 시간 동안 소결하였다.
소결 시편의 양면을 잘 연마한 후, 도파관 속에 넣고 유전체 공진기법으로 유전율, Q값 및 공진 주파수의 온도 계수를 측정하였다. 이때, 측정 주파수는 7.0 내지 9.8 ㎓이고, 측정 온도 범위는 -15 내지 85℃였다. 각 시편의 마이크로파 유전 특성은 하기 표 1과 같다.
| 시료번호 | 조성(몰)x | 소결 온도(℃) | 소결 시간(hr) | 유전율(εγ) | Qxfo(㎓) | TCF(ppm/℃) |
| 1 | 0 | 1150 | 3 | 30 | 40000 | -21.0 |
| 2 | 0.03 | 1150 | 3 | 31 | 31200 | -9.3 |
| 3 | 0.05 | 1150 | 3 | 32 | 29800 | 0 |
| 4 | 0.08 | 1150 | 3 | 34 | 27000 | +1.8 |
| 5 | 0.1 | 1150 | 3 | 38 | 26900 | +4.6 |
| 6 | 0.16 | 1150 | 3 | 41 | 24400 | +7.8 |
| 7 | 0.2 | 1150 | 3 | 44 | 22800 | +9.7 |
| 8 | 0.3 | 1150 | 3 | 50 | 20800 | +23 |
| 9 | 0.4 | 1150 | 3 | 53 | 20200 | +55.3 |
| 10 | 0.5 | 1150 | 3 | 56 | 18600 | +83.0 |
본 발명의 고주파용 유전체 세라믹스 조성물은 높은 품질 계수(Q값)와 유전율을 가지며, 공진주파수의 온도 계수가 안정하여 마이크로파용 통신 시스템 등에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 고주파용 유전체 세라믹스 조성물은 제조시 소결 온도가 낮아 생산 단가를 낮출 수 있다.
Claims (2)
- 하기 화학식 (1)의 조성을 갖는 고주파용 유전체 세라믹스 조성물.<화학식 1>Ca[(Li1/3Nb2/3)(1-x)TiX]O3식 중, X는 0≤x≤0.5이다.
- 제1항에 있어서, x가 0.03≤x≤0.2이고, 공진주파수의 온도계수가 ±10 이내인 고주파용 유전체 세라믹스 조성물.
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