KR100339097B1 - 마이크로파용 유전체 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 유전체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 품질계수(Q값)와 유전율을 가지며 공진 주파수의 온도계수가 안정한 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 조성식 CaTi_{1 ×}(Al_1/2Nb_1/2)_×O₃로표시되고 ×의 범위가 0.3≤×≤0.7인 마이크로파용 유전체 조성물을 제공한다. 이 조성물은 유전율이 36.7 내지 67.8 이고 QxF₀(GHz)가 18600 내지 32500 이며, 공진 주파수의 온도계수(τ_ｆ)의 범위가 -61 내지 +138 ppm/℃로서 조성의 변화에 따라 τ_ｆ를 0ppm/℃로 조절이 가능하여 마이크로파용 유전체 세라믹스 부품의 재료로서 사용될 수 있는 우수한 특성을 갖는 마이크로파용 유전체 조성물이다.

Description

마이크로파용 유전체 조성물 및 그 제조방법{Compositions of Microwave Dielectrics and Production Method thereof}

본 발명은 마이크로파 유전체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 품질계수(Q값)와 유전율을 가지며 공진 주파수의 온도계수가 안정한 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 무선전화기, 자동차 전화기 등의 이동 통신, 위성 방송, 위성 통신 등에 주파수 대역이 300㎒ 내지 300㎓인 마이크로파를 이용한 통신 시스템이 현저하게 발전하고 있으며, 이러한 뉴미디어의 실용화를 위해 각종 주파수 대역의 공진기(Dielectric Resonator: DR), 대역통과(또는 저지) 필터(Band Pass Filter;BPF), 듀플렉스(Duplexer) 및 마이크로파 집적회로(Microwave Integrate Circuit;MIC) 등에 마이크로파용 유전체 세라믹스의 응용이 크게 증대되고 있다. 유전체 내에서 마이크로파의 파장은 유전율의 1/2승과 주파수에 반비례하므로 부품의 소형화를 위해서는 유전율과 사용 주파수가 커야 한다. 현재까지 개발된 고주파 유전체 소재로는, Ba(M⁺² _1/3,M⁺⁵ _2/3)O₃(M⁺²=Mg, Zn; M⁺⁵=Ta, Nb)계 및 (Zr,SN)TiO₄계를들 수 있는데, 이러한 유형의 유전체는 유전율이 40 이하이지만 유전손실이 작다. 또다른 예로는 (Ba,Pb)O-Nd₂O₃-TiO₂계 등을 들 수 있는데, 이러한 유전체에 유전율은 70이상으로 크지만 유전손실은 비교적 큰(Qㆍf₀(㎓) ＜10000)것으로 알려져 있다.［Ref 1: J. Am. Ceram. Soc., Vol. 67, No. 4(1984)278-181］. 그러나 유전율이 50,60 정도로 이들의 중간 값을 가지며 유전손실이 비교적 작은 유전체 조성에 대한 연구는 유전체 공진기용 소재로서 이용이 필요함에도 불구하고 아직 미흡한 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 유전율이 50 내외이며 유전 손실이 작은(큰 품질계수, Q) 마이크로파용 유전체 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공진 주파수의 온도계수를 조절할 수 있는 마이크로파용 유전체 조성물을 제공하는 것이다.

위와 같은 본 발명의 목적은 다음과 같은 조성식을 갖는 유전체 세라믹 조성물을 제공함으로써 달성된다.

CaTi₁ｘ(Al_1/2Nb_1/2)ｘO₃

위 식 중 ｘ의 범위는 0.3≤ｘ≤0.7 이다.

본 발명은 또한 CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃, 및 Nb₂O₅를 600℃의 온도에서 10시간 정도 건조시킨 후 이들을 소정의 조성비로 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합 분말을대기 중에서 1250℃의 온도에서 4시간 정도 하소하여 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄물에 성형 첨가제로 5%PVA 수용액을 10wt% 첨가하여 직경 10㎜, 두께 5 내지 6㎜의 원기둥형 시편으로 가압 성형하는 성형단계와, 상기 성형물을 유기 바인더를 제거하기 위해 600℃의 온도에서 1시간 동안 열처리한 후 대기 중에서 1400~1500℃의 온도에서 5시간 동안 소결하는 소결단계 및 상기 소결물의 양면을 연마지(SiC paper)로 잘 연마하는 연마단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

CaTiO₃의 경우 유전율은 170 정도로 매우 높지만, 공진 주파수의 온도계수가 +180 ppm/℃로 매우 큰 문제점이 있다. ［Ref 2: J. Am. Ceram. Soc., Vol.56,(1973)352-3541. 한편, Ca(Al_1/2Nb_1/2)O₃의 경우에는 유전율은 25로 낮으며 공진 주파수의 온도계수가 -87ppm/℃로 매우 작은 것으로 보고 되어져 있다.［Ref. 3: Jpn. J. Appl. Phys.,Vol.33,(1994)5463-5465).

본 발명은 유전체 세라믹 조성물은 CaTiO₃와 Ca(Al_1/2Nb_1/2)O₃를 주성분으로 하는 페로브스카이트형 고용체로서 그 특성은 Ca(Al_1/2Nb_1/2)O₃의 양에 따라서 변화된다. Ca(Al_1/2Nb_1/2)O₃의 함량이 증가함에 따라 유전율은 67.8 내지 36.7의 범위에서 서서히 감소하지만 Qㆍf₀값은 18600에서 32500 ㎓로 점진적으로 증가하며, 공진 주파수의 온도계수는 +138에서 -61 ppm/℃로 변화되어 조성의 변화에 따라 공진 주파수의 온도계수를 0 ppm/℃로 조절이 가능하다. 특히, Ca(Al_1/2Nb_1/2)O₃의 함량이 0.48mol에서는 유전율이 49.1이고 Qㆍf₀값이 26300이며, 공진 주파수의 온도계수가0 ppm/℃인 우수한 마이크로파용 유전체 세라믹을 제조할 수 있다.

본 발명에 의한 유전체 세라믹 조성물은 출발 물질로서 예를 들어 CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃, 및 NB₂O₅를 사용하여 일반적으로 알려진 세라믹스 제조 공정으로 제조할 수 있다. 구체적으로 설명하면, CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃, 및 Nb₂O₅를 사용 전에 600℃의 온도에서 10시간 정도 건조시킨 후 이들 시료를 일정 조성비로 혼합한 분말을 1200~1300℃의 온도에서 2~4시간 동안 하소하고 분쇄한 후, 성형 첨가제로 5%PVA 수용액을 10wt% 첨가하여 직경 10 ㎜, 두께 5내지 6㎜의 원기둥형 시편으로 가압 성형하며 유기 바인더를 제거하기 위해 600 ℃의 온도에서 1시간 동안 열처리한 후 대기 중에서 1400~1500℃의 온도에서 1내지 5시간 동안 소결시킴에 의해 제조할 수 있다.

소결 시편의 유전율, Q값 및 공진 주파수의 온도계수 등의 유전 특성은 공지된 유전체 공진기 법으로 측정할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 일 실시예를 더욱 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 본 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃, 및 Nb₂O₅를 사용 전에 600℃의 온도에서 10시간 정도 건조시킨 후 이들 시료를 표 1에 나타낸 조성비로 혼합하고, 혼합 분말을 대기 중에서 1250℃의 온도에서 4시간 정도 하소하여 분쇄한 후 성형 첨가제로 5%PVA 수용액을 10wt% 첨가하여 직경 10㎜, 두께 5 내지 6㎜의 원기둥형 시편으로 가압 성형하였으며, 성형된 시편은 유기 바인더를 제거하기 위해 600℃의 온도에서 1시간 동안 열처리한 후 대기 중에서 1400~1500℃의 온도에서 5시간 동안 소결하였다.

소결 시편의 양면을 연마지(SiC paper)로 잘 연마한 후, 도파관 속에 넣고 유전체 공진기법으로 유전율, Q값 및 공진 주파수의 온도계수를 측정하였다. 이때, 측정 주파수는 6내지 8㎓이고, 측정 온도 범위는 -15내지 85℃이었다. 각 시편의 마이크로파 유전 특성은 표 1과 같다.

<표 1> CaTi₁ｘ(Al_1/2Nb_1/2)ｘO₃의 마이크로파 유전특성

시료번호	조성(몰)ｘ	소결온도(℃)	유전율(εγ)	Q­f0(GHz)	τf(ppm/℃)
Ref. 4	0	1450	170	3600	+800
1	0.3		67.8	18600	+138
2	0.4		55.6	21800	+47
3	0.46		50.7	24700	+10
4	0.47		49.8	26000	+7
5	0.48		49.1	26300	0
6	0.5		48.1	28000	-5
7	0.51		47.2	28300	-10
8	0.6		41.1	30000	-44
9	0.7		36.7	32500	-61
Ref. 5	1.0		25	7500	-87

［Ref. 4: J. Am. Ceram. Soc., Vol. 56,(1973)352-354.

［Ref. 5: Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33,(1994)5463-5465).

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 공진 주파수의 온도계수가 불안정하여 실용화 할 수 없었던 종래의 유전체 조성물과는 달리 공진 주파수의 온도계수를 0으로 조절할 수 있고 유전율이 36이상이며, 유전손실이 작은 우수한 마이크로파용 유전체 조성물을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 하기 조성식으로 나타내어지는 마이크로파용 유전체 조성물.

   CaTi₁ｘ(Al_1/2Nb_1/2)ｘO₃

   위 식 중 ｘ의 범위는 0.3≤ｘ≤0.7 이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 x의 값이 0.48이고 유전율이 49.1이며 Qㆍf₀의 값이 26300이고, 공진 주파수의 온도계수가 0 ppm/℃인 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 조성물.
3. CaCO₃, TiO₂, Al₂O₃및 Nb₂O₅를 600℃의 온도에서 10시간 정도 건조시킨 후 이들을 소정의 조성비로 혼합하는 혼합단계와,

   상기 혼합 분말을 대기 중에서 1250℃의 온도에서 4시간 정도 하소하여 분쇄하는 분쇄단계와,

   상기 분쇄물에 성형 첨가제로 5%PVA 수용액을 10wt% 첨가하여 직경 10㎜, 두께 5 내지 6㎜의 원기둥형 시편으로 가압 성형하는 성형단계와,

   상기 성형물을 유기 바인더를 제거하기 위해 600℃의 온도에서 1시간 동안 열처리한 후 대기 중에서 1400~1500℃의 온도에서 5시간 동안 소결하는 소결단계 및,

   상기 소결물의 양면을 연마지(SiC paper)로 잘 연마하는 연마단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 조성물의 제조방법.