KR100434422B1 - 고주파 세라믹 콤팩트, 그 이용 및 그 제조방법 - Google Patents

고주파 세라믹 콤팩트, 그 이용 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고주파 세라믹 콤팩트는 금속 원소로서 Al, Ti 및 Mn을 포함하고, 실질적으로 X선 회절 분석(X-ray diffraction analysis)에 의해 결정되는 Al2TiO5결정상을 함유하지 않으며, 약 1,310℃ 이하에서 소결에 의해 얻어진다. 바람직한 고주파 세라믹 콤팩트는 화학식 (100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO 에 의해 표현되고, 10 ㎓에서 10,000 이상의 Q값을 갖는다. 이때, x 및 y는 몰%이고, 3.0 ≤x≤9.0, 및 0.1≤y≤1.0 의 조건을 만족한다. 이들 고주파 세라믹 콤팩트들은 20 이하의 비유전율을 갖고, 10 ㎓에서 10,000 이상의 Q값을 가지며, 선택적으로 약 0 ppm/℃ 부근에서 공진 주파수 온도 계수를 제어할 수 있다.

Description

고주파 세라믹 콤팩트, 그 이용 및 그 제조 방법 { High frequency ceramic compact, use thereof and method of producing the same }
본 발명은 마이크로파 영역, 밀리미터파 영역 및 다른 고주파 영역에서 이용되는 고주파 세라믹 콤팩트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이에 더하여, 본 발명은, 예를 들어, 이동 전화기, 개인용 라디오, 위성 수신기, 근거리 무선망 및 밀리미터파 레이다에 장착되는 유전체 안테나, 유전체 공진기용 지지대, 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 시스템에 관한 것이다.
세라믹 콤팩트들은 전통적으로 예를 들어, 마이크로파 영역, 밀리미터파 영역 및 다른 고주파 영역에 이용되는 유전체 공진기들 및 회로 보드에 넓게 사용된다.
그와 같은 고주파 세라믹 콤팩트들은 반드시 (1) 낮은 유전 손실, 즉 높은 Q값 및 (2) 열적 안정 공진 주파수, 즉 0 ppm/℃ 부근에서 선택적으로 제어될 수 있는 공진 주파수 온도 계수()를 갖는다.
결과적 장치를 소형화하기 위해서는, 세라믹의 높은 비유전율()이 바람직하며, 왜냐하면 유전체 내의 전자기파의 파장이로 짧아지기 때문이다. 그러나, 장치가 고주파에서 사용될 때 크기 면에서 과도하게 축소된 유전체 장치는 실현가능성이 저하되기 때문에, 낮은 비유전율을 갖는 물질의 제공이 또한 요구되어 왔다.
전형적인 고주파 세라믹 콤팩트들의 이러한 형태는 예를 들어, 일본 특허공개공보 제3-34164호에 기술된 Ba(Sn,Mg,Ta)O3계 세라믹 및 일본 특허공개공보 제6-103603호 및 제8-69715호에 기술된 MgO-SiO2-Al2O3계 세라믹을 포함한다.
Ba(Sn,Mg,Ta)O3계 세라믹 콤팩트는 공진 주파수 온도 계수()를 0 ppm/℃ 부근에서 제어할 수 있고, 10 ㎓에서 20,000 내지 30,000의 높은 Q값을 갖는다. 그러나, 세라믹 콤팩트는 24의 높은 비유전율()을 가지며, 마이크로파 영역 또는 밀리미터파 영역에서 사용될 때 결과적 장치가 크기 면에서 과도하게 축소되어 그로 인하여 실현가능성이 저하된다.
반대로, MgO-SiO2-Al2O3계 세라믹 콤팩트들 및 알루미나 세라믹들은 7 내지 10의 낮은 비유전율()을 가지며, 10 ㎓에서 6,000 내지 29,000의 높은 Q값을 갖는다. 그러나, 이들 세라믹들은 -30 내지 - 50 ppm/℃의 공진 주파수 온도 계수()의 높은 절대값을 가지며, 마이크로파 영역 또는 밀리미터파 영역 내에서사용되는 유전체 물질로서의 응용에 제한된다.
알루미나 세라믹 콤팩트들의 공진 주파수 온도 계수()를 제어하는 가능한 해법은 양의 공진 주파수 온도 계수()를 갖는 이산화티탄(TiO2)과의 조합이다. 그러나, 원료 물질의 이러한 방식은 반드시 1,350℃ 이상의 온도에서 소성에 의해 소결되어야 하고, 그와 같이 높은 온도에서의 소성은 산화티탄알루미늄(Al2TiO5)으로의 변형을 초래하며 그에 따라 Q값 및 다른 특성들을 악화시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점들을 해결하는 것, 고주파 특성 및 온도 특성에서 우수하고, 약 20 이하의 비유전율()과 10 ㎓에서 약 10,000 이상의 Q값을 가지며 그리고 선택적으로 0 ppm/℃ 부근에서 공진 주파수 온도 계수()를 제어할 수 있는 고주파 세라믹 콤팩트를 제공하는 것 그리고 고주파 세라믹 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각 전기 특성이 우수한 유전체 안테나, 유전체 공진기용 지지대, 유전체 공진기, 유전체 필터 또는 유전체 듀플렉서, 및 소형의 고성능 통신 시스템을 전술한 세라믹 콤팩트를 이용하여 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유전체 안테나의 일 실시형태의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 유전체 공진기용 지지대의 일 실시형태를 보여주는 유전체 공진기 시스템의 개략 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 유전체 공진기의 일 실시형태의 사시도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 절단한 유전체 공진기의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 유전체 필터의 일 실시형태의 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 유전체 듀플렉서의 일 실시형태의 사시도, 및
도 7은 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 실시형태의 블록도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 유전체 안테나 2 : 안테나 기판
3 : 입출력 전극 4 : 에미팅 전극
5 : 접지 전극 11, 21 : 유전체 공진기
12 : 금속 케이스 13 : 지지대
14, 22 : 유전체 세라믹 15 : 입력 단자
16 : 출력 단자 23a : 내부도체
23b : 외부도체 24, 46, 48 : 유전체 필터
25, 50 : 외부 결합 수단 26, 32 : 유전체 듀플렉서
27, 40 : 입력 연결 수단 28, 42 : 출력 연결 수단
29, 44 : 안테나 연결 수단 30 : 통신 시스템
34 : 송신 회로 36 : 수신 회로
38 : 안테나
구체적으로, 본 발명은 일 측면에서 금속 원소로 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 망간(Mn)을 포함하고 실질적으로 Al2TiO5결정상을 함유하지 않는 고주파 세라믹을 제공한다.
고주파 세라믹 콤팩트는 약 1,310℃를 초과하지 않는 온도에서 소성에 의해 얻어지는 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 10 ㎓에서 10,000 이상의 Q값을 갖고 금속 원소로 Al, Ti 및 Mn을 포함하고, 다음의 화학식에 의해 표현되는 고주파 세라믹 콤팩트를 제공한다 :
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO ,
이때, x 및 y는 몰%이고, 3.0 ≤x≤9.0, 및 0.1≤y≤1.0 의 조건을 만족한다.
구체적으로, 화학 조성식 내의 x 및 y는 바람직하게는 3.0 ≤x≤7.0, 및 0.1≤y≤0.25 의 조건을 만족한다. 바람직하게는, 실질적으로 Al2TiO5결정상을 함유하지 않는다.
화학 조성식은 소결 후의 고주파 세라믹 콤팩트의 화학 조성식이다. 고주파 세라믹 콤팩트에 대한 원료 물질들로서, 약 4 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 알루미나 분말과, 약 3 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 이산화티탄이 각각 AlO3/2성분에 대한 원료 물질과 TiO2성분의 원료 물질로 사용되는 것이 바람직하다. 약 4 내지 5 ㎡/g의 비표면적을 갖는 알루미나 분말이 AlO3/2성분에 대한 원료 물질로 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 다음 화학식 (100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO 에 의해 표현되고, 이때 x 및 y가 몰%이며, 3.0 ≤x≤9.0, 및 0.1≤y≤1.0 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트의 제조 방법을 제공하며, 제조 방법은
Al을 함유하는 원료 물질, Ti을 함유하는 원료 물질 및 Mn을 함유하는 원료 물질을 혼합하는 단계;
결과적 혼합물을 성형하여 그린 콤팩트로 산출하는 단계; 및
약 1,310℃ 이하의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 소성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전술한 방법에서, 약 4 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 알루미나 분말이 Al을 함유하는 원료 물질로서 사용되고, 약 3 ㎡/g의 비표면적을 갖는 이산화티탄이 Ti을 함유하는 원료 물질로서 사용되는 것이 바람직하다. 알루미나 분말은 바람직하게는 약 4 내지 5 ㎡/g의 비표면적을 갖는다. 따라서, 소성 온도는 약 1,300℃ 이하인 것이 바람직하다.
( 본 발명의 바람직한 실시형태들 )
본 발명에 따른 유전체 세라믹들은 구체적으로 고주파 전자 부품들에 유용하게 사용된다. 본 발명의 유전체 세라믹들을 이용한 고주파 전자 부품들의 실시형태들은 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 상세하게 서술될 것이다.
유전체 안테나
도 1은 본 발명에 따른 유전체 안테나의 일 실시형태의 사시도이다. 유전체 안테나(1)는 직육면체 안테나 기판(2)으로 구성된다. 입출력 전극(3)은 안테나 기판(2)의 일측단 위에 형성되고, 선형 에미팅 전극(4)은 안테나 기판(2)의 상면 중앙에 형성되어 안테나 기판(2)의 타측단으로 뻗는다. 에미팅 전극(4)은 입출력 전극(3)으로부터 소정의 간격을 두고 배열된다. 이에 더하여, 접지 전극(5)은 안테나 기판(2)의 하면의 거의 전표면을 덮도록 형성되고, 에미팅 전극(4)에 전기적으로 연결된다. 전술한 구성을 갖는 유전체 안테나(1)에서, 안테나 기판(2)은 본 발명의 고주파 세라믹 콤팩트로 구성된다.
스트립라인형 에미팅 전극을 갖는 유전체 안테나가 도 1에 도시되어 있으나, 본 발명의 유전체 안테나 내의 에미팅 전극이 이 형식으로 제한되지는 않으며, 본 발명의 고주파 세라믹은 또한 다른 형식들의 유전체 안테나들에 적용될 수 있다.
유전체 공진기용 지지대
도 2는 TE 01δ모드 유전체 공진기 시스템의 개략 단면도이고, 본 발명에 따른 유전체 공진기용 지지대의 일 실시형태를 보여준다.
유전체 공진기 시스템(11)은 금속 케이스(12), 및 금속 케이스(12) 내측 공간에 위치한 지지대(13)에 의해 지지되는 원주 유전체 공진기(14)를 포함한다. 입력 단자(15) 및 출력 단자(16)는 금속 케이스(12)에 의해 지지 고정된다.
유전체 공진기 시스템(11)에서, 유전체 공진기(14)를 지지하는 지지대(13)는 본 발명의 고주파 세라믹 콤팩트로 구성된다.
유전체 공진기
도 3은 본 발명에 따른 유전체 공진기의 일 실시형태의 개략 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절단한 유전체 공진기(21)의 단면도이다.
유전체 공진기(21)는 관통홀(31)을 갖는 프리즘 유전체 세라믹(22)으로 구성된다. 내부 도체(23a)는 관통홀(31) 내부에 형성되고 외부 도체(23b)는 유전체 공진기 주위에 형성된다. 유전체 공진기(21)는 예를 들어 외부 결합 수단과 같은 입출력 단자를 구비한 유전체 세라믹 몸체(22)의 전자기 결합에 의해 유전체 공진기로서 기능한다.
유전체 공진기(21)를 구성하는 유전체 세라믹 몸체(22)는 본 발명의 고주파 세라믹 콤팩트로 구성된다.
TEM 모드를 전파하는 프리즘 유전체 공진기가 도 3에 도시되어 있으나, 본 발명은 이 모드를 전파하는 유전체 공진기로 한정되지는 않는다. 당연히, 본 발명의 고주파 세라믹은 TEM 모드(transverse electromagnetic mode), TM 모드 (transverse magnetic mode) 및 TE 모드(transverse electric mode)와 같은 다른 공진 모드들을 전파하는 유전체 공진기들에 적용될 수 있다.
유전체 필터
도 5는 본 발명에 따른 유전체 필터의 일 실시형태의 개략 사시도이다.
유전체 필터(24)는 유전체 공진기 및 유전체 공진기 위에 형성된 입출력 단자와 같은 외부 결합 수단(25)을 포함한다. 유전체 공진기는 관통홀(31)을 갖는 유전체 세라믹 몸체(22), 관통홀(31) 내부에 형성된 내부 도체(23a) 및 유전체 세라믹 몸체(22)의 표면 위에 형성된 외부 도체(23b)를 포함한다.
블록 유전체 필터가 도 5에 도시되어 있으나, 본 발명의 유전체 필터는 또한 별개의 유전체 필터가 될 수 있다.
유전체 듀플렉서
도 6은 본 발명에 따른 유전체 듀플렉서의 일 실시형태의 개략 사시도이다.
유전체 듀플렉서(26)는 두 개의 유전체 필터들, 두 개의 유전체 필터들 중 하나에 연결된 입력 연결 수단(27), 두 개의 유전체 필터들 중 다른 하나에 연결된 출력 연결 수단(28) 및 두 개의 유전체 필터들에 공통으로 연결된 안테나 연결 수단(29)을 포함한다. 두 개의 유전체 필터들 각각은 유전체 공진기를 포함하며, 유전체 공진기는 관통홀(31)을 갖는 유전체 세라믹 몸체(22), 관통홀(31) 내부에 형성된 내부 도체(23a) 및 유전체 세라믹(22)의 표면 위에 형성된 외부 도체(23b)를 포함한다.
블록 유전체 듀플렉서가 도 6에 도시되어 있으나, 본 발명의 유전체 듀플렉서는 또한 별개의 유전체 듀플렉서가 될 수 있다.
통신 시스템
도 7은 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 실시형태의 블록도이다.
통신 시스템(30)은 유전체 듀플렉서(32), 송신 회로(34), 수신 회로(36) 및 안테나(38)를 포함한다. 송신 회로(34)는 유전체 듀플렉서(32)의 입력 연결 수단 (40)에 연결되고, 수신 회로(36)는 유전체 듀플렉서(32)의 출력 연결 수단(42)에 연결된다. 유전체 듀플렉서(32)는 두 개의 유전체 필터들(46, 48)을 포함한다. 각 유전체 필터들(46, 48)은 본 발명의 유전체 공진기 및 유전체 공진기에 연결된외부 결합 수단으로 구성된다. 이 실시형태에서, 예를 들어 각 외부 연결 수단 (50)이 유전체 공진기(21)의 입력 및 출력 단자들에 개별적으로 연결됨에 의해 유전체 필터들이 형성된다. 하나의 유전체 필터(46)는 입력 연결 수단(40) 및 다른 유전체 필터(48) 사이에 연결되고, 다른 유전체 필터(48)는 유전체 필터(46) 및 출력 연결 수단(42) 사이에 연결된다.
본 발명의 고주파 세라믹들의 응용은 유전체 안테나 및 유전체 공진기들과 같은 전술한 장치들로 제한되지 않으며, 마이크로파 영역 또는 밀리미터파 영역에 사용되는 회로 보드와 같은 고주파 장치들을 폭넓게 포함한다.
( 실시예들 )
본 발명은 본 발명의 범위를 제한하지 않는 이하의 실시예들을 참고하여 더욱 상세하게 서술될 것이다.
실시예 1
처음에, 99.9% 이상의 순도와 4㎡/g의 비표면적을 갖는 고순도의 알루미나 (Al2O3) 분말, 99.8% 이상의 순도와 3㎡/g의 비표면적을 갖는 이산화티탄(TiO2) 분말 및 탄산망간(MnCO3)이 시작 물질들로서 준비된다.
이들 물질들은 그 후 함께 혼합되어 표 1에 지시된 소결 후의 조성비를 갖는 세라믹들로 산출된다.
혼합된 분말은 16 시간 동안 볼밀(ball mill) 내에서 적정한 양의 바인더와 함께 습식-분쇄되고, 건조되고, 1,000 내지 2,000 ㎏/㎠의 압력에서 디스크 형태로압축-성형되며, 이 디스크는 대기 중에서 표 1에 지시된 온도에서 소성되어 그에 따라 세라믹 디스크(소결된 세라믹 콤팩트)를 산출한다. 얻어진 세라믹은 10 ㎜의 직경과 5 ㎜의 두께로 갈라져 그에 따라 테스트 시료를 산출한다.
이 연결에서, 성형 작업은 압축 성형 기술과 마찬가지로, 요구되는 형태를 산출할 수 있는 시트 성형, 냉간정수압 압축(CIP; cold-isostatic pressing), 습식 성형, 가압주물(pressure slip casting) 및 기타 다른 기술들에 의해 수행될 수 있다.
위에서 준비된 시료들 각각에 대하여 양단 단락 유전체 공진기를 이용하는 방법에 의해 10 내지 14 ㎓의 파장을 측정할 때의 Q값과, 비유전율()이 측정된다. 측정된 Q값은 'Q ×f = 상수'인 법칙을 따라 10 ㎓에서의 Q값으로 전환된다. 개별적으로, 공진 주파수 온도 계수(, 25 내지 55 ℃)는 TEO 1δ모드 공진 주파수의 온도 변화로부터 계산된다. 시료들 3, 9, 16, 31 및 37 각각의 결정상은 1.5418 Å의 파장 λ에서 Cu-Kα선을 구비한 X선 회절 분석에 의해 결정된다.
이들 결과들이 다음의 표 1에 나타나 있다.
조성물 : (100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO
시료번호 AlO3/2(100-x-y) TiO2x MnOy 소결온도(℃) 비유전율 Q값(10㎓) 공진주파수 온도계수(ppm/℃) 결정상
1 100.00 0.00 0 1,550 10.0 11,920 -53.0 -
2 98.00 2.00 0 1,310 8.6 1,000 - -
3 95.5 4.5 0 1,400 11.4 9,500 -16.9 Al2O3,TiO2,Al2TiO5
4 95.50 4.50 0 1,310 9.6 1,500 - -
5 90.00 10.00 0 1,310 13.2 1,140 - -
6 97.90 2.00 0.10 1,310 11.3 13,500 -31.2 -
7 96.90 3.00 0.10 1,310 12.0 21,300 -20.0 -
8 95.90 4.00 0.10 1,310 12.3 22,500 -11.2 -
9 95.40 4.50 0.10 1,310 12.5 24,400 -6.5 Al2O3,TiO2
10 92.90 7.00 0.10 1,310 13.5 19,500 17.8 -
11 90.90 9.00 0.10 1,310 14.4 14,000 35.1 -
12 89.90 10.00 0.10 1,310 15.6 12,500 52.5 -
13 97.75 2.00 0.25 1,290 10.9 14,300 -32.1 -
14 96.75 3.00 0.25 1,290 11.5 21,600 -16.8 -
15 95.75 4.00 0.25 1,290 12.1 20,500 -6.5 -
16 95.25 4.50 0.25 1,290 12.4 18,900 -4.8 -
17 92.75 7.00 0.25 1,290 13.9 17,200 24.4 -
18 90.75 9.00 0.25 1,290 15.1 13,600 38.0 -
19 89.75 10.00 0.25 1,290 15.7 12,100 55.3 -
20 97.60 2.00 0.40 1,270 10.8 14,500 -33.7 -
21 96.60 3.00 0.40 1,270 11.4 14,800 -23.2 -
22 95.60 4.00 0.40 1,270 12.1 14,300 -12.7 -
23 95.10 4.50 0.40 1,270 12.4 14,100 -7.5 -
24 92.60 7.00 0.40 1,270 14.1 12,800 18.8 -
25 90.60 9.00 0.40 1,270 15.4 11,900 39.8 -
26 89.60 10.00 0.40 1,270 15.9 10,300 50.3 -
27 97.50 2.00 0.50 1,250 10.7 9,900 -39.0 -
28 96.50 3.00 0.50 1,250 11.3 14,500 -27.8 -
29 95.50 4.00 0.50 1,250 11.9 14,100 -16.6 -
30 95.00 4.50 0.50 1,250 12.2 13,900 -11.0 -
31 92.50 7.00 0.50 1,250 13.7 12,900 17.0 Al2O3,TiO2
32 90.50 9.00 0.50 1,250 14.9 11,100 39.4 -
33 89.50 10.00 0.50 1,250 15.5 8,700 50.6 -
34 97.00 2.00 1.00 1,200 10.5 11,900 -47.9 -
35 96.00 3.00 1.00 1,200 11.1 11,000 -27.2 -
36 95.00 4.00 1.00 1,200 10.8 10,800 -26.5 -
37 94.50 4.50 1.00 1,200 11.8 11,500 -21.1 Al2O3,TiO2
38 92.00 7.00 1.00 1,200 12.1 10,900 5.7 -
39 90.00 9.00 1.00 1,200 13.6 10,100 37.9 -
40 89.00 10.00 1.00 1,200 15.6 7,920 53.3 -
41 95.70 2.00 2.30 1,200 10.8 8,400 -40.2 -
42 93.20 4.50 2.30 1,200 12.3 7,500 -12.3 -
43 87.70 10.00 2.30 1,200 15.6 6,920 54.2 -
표 1은 시료들 7 내지 11, 14 내지 18, 21 내지 25, 28 내지 32 및 35 내지 39의 고주파 세라믹들이 마이크로파 영역에서 낮은 비유전율()을 갖는 반면 높은 Q값이 나타나는 것을 보여준다.
화학 조성식 (100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO 에 의해 표현되고, 이때 x 및 y가 몰%인 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹에서 x 및 y의 값들은 표 1을 참고하여 검토된다.
표 1에 지시된 바와 같이, 화학 조성식 내의 x는 약 3.0 내지 9.0의 범위 내인 것이 바람직하다. 만약 x가 약 3.0 보다 작거나(시료들 6, 13, 20, 27, 34 및 41) 약 9.0 보다 크다면(시료들 12, 19, 26 및 33), 공진 주파수 온도 계수()는 -30 ppm/℃ 보다 작아지거나 또는 +50 ppm/℃ 보다 커지며, 공진 주파수의 안정 온도 계수는 의미를 갖도록 얻어질 수 없다.
표 1은 또한 화학 조성식 내의 y가 약 0.1 내지 1.0의 범위 내인 것이 바람직함을 보여준다. 만약 y가 약 0.1 보다 작다면(시료 4), 그 결과적 조성물은 약 1,310℃ 이하의 온도에서 충분히 소결될 수 없고 그 결과적 소결 콤팩트는 낮은 Q값을 갖기 쉽다. 만약 y가 약 1.0 보다 크다면(시료 42), 그 결과적 조성물은 약 1,310℃ 이하의 온도에서 소결될 수 있으나 그 결과적 소결 콤팩트는 낮은 Q값을 갖기 쉽다.
이에 더하여, 화학 조성식 내의 x 및 y 모두가 다음의 조건들 3.0 ≤x≤9.0, 및 0.1≤y≤1.0을 만족할 때, 그 결과적 소결 콤팩트는 0±30 ppm/℃의 범위 내에서 공진 주파수 온도 계수()의 만족할만한 온도 특성을 나타낼 수 있고, 10 ㎓에서 15,000 이상의 Q값의 우수한 고주파 특성을 가질 수 있다.
시료 3의 세라믹 및 시료들 9, 16, 31 및 37의 세라믹들 사이의 비교를 통해 명백하듯이, 본 발명의 고주파 세라믹들은 실질적으로 Al2TiO5결정상이 함유되지 않고 높은 Q값을 가질 수 있다.
실시예 2
처음에, 고순도의 알루미나(Al2O3) 분말, 이산화티탄(TiO2) 분말 및 탄산망간 (MnCO3)이 시작 물질들로서 준비된다. 알루미나 분말로서, 각각 99.9% 이상의 순도와 3㎡/g, 4㎡/g 및 13㎡/g의 비표면적을 갖는 것들이 사용된다. 이산화티탄 분말로서, 각각 99.8% 이상의 순도와 1㎡/g, 3㎡/g, 7㎡/g 및 30㎡/g의 비표면적을 갖는 것들이 사용된다.
다음으로, 이들 물질들은 함께 혼합되어 표 2에 지시된 소결 후의 조성비를 갖는 세라믹들로 산출된다.
표 2에 지시된 온도로 소성 온도가 설정된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 일련의 시료들이 준비된다. 준비된 시료들의 비유전율(), Q값 및 공진 주파수 온도 계수()들이 실시예 1과 동일한 방법으로 결정된다. 그 결과가 이하의 표 2에 나타난다.
조성물 : (100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO
시료번호 AlO3/2(100-x-y) TiO2x MnOy TiO2의비표면적 MnO의비표면적 소성온도(℃) 비유전율() Q값(10㎓) 공진주파수 온도계수(ppm/℃)
44 94.50 5.25 0.25 3 1 1,310 12.5 10,500 6.7
45 94.50 5.25 0.25 4 1 1,310 12.7 13,100 5.2
46 94.50 5.25 0.25 4 3 1,290 12.8 17,600 4.8
47 94.50 5.25 0.25 4 7 1,290 12.8 17,700 4.4
48 94.50 5.25 0.25 4 30 1,270 12.4 21,000 1.5
49 94.50 5.25 0.25 13 3 1,270 12.7 18,500 2.7
50 94.50 5.25 0.25 13 7 1,270 12.7 18,900 1.5
51 94.50 5.25 0.25 13 30 1,250 12.6 15,600 0.2
52 94.65 5.25 0.10 13 30 1,270 12.9 22,000 3.5
53 94.25 5.25 0.50 13 30 1,210 12.6 15,200 -1.0
54 96.75 3.00 0.25 13 30 1,250 11.3 18,300 -15.5
55 92.75 7.00 0.25 13 30 1,250 13.6 15,100 21.2
표 2는 낮은 온도에서 소결성을 향상시키기 위하여, 알루미나 및 이산화티탄 분말들의 알갱이 크기가 작을수록 바람직함을 보여준다. 구체적으로, 조성물들은 약 4 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 알루미나 분말과 3 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 이산화티탄 분말을 이용함에 따라 1,300℃ 보다 낮은 온도에서 소성될 수 있다.
예를 들어, 시료 51의 세라믹 및 시료들 44 및 45의 세라믹들 사이의 비교를 통해 명백하듯이, 13 ㎡/g의 비표면적을 갖는 알루미나 분말과 30 ㎡/g의 비표면적을 갖는 이산화티탄 분말의 이용은, 4 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는 알루미나 분말과 3 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는 이산화티탄 분말의 이용에 비교될 때, 특성 저하 없이 약 60 내지 80℃의 소성 온도를 감소시킬 수 있다.
그러나, 과도하게 작은 알갱이 크기의 물질 분말들, 특히 알루미나 분말이 사용될 때, 분말의 비용이 증가되거나 또는 분말의 부피 비용을 증가시키게 되어 그에 따라 생산성을 저하시킨다. 그와 같이 과도하게 작은 알갱이 크기들은 그에따라 항상 상업적으로 유용하지는 않다. 따라서, 실시, 비용 및 생산성에 있어서의 포괄적인 고려는 알루미나 분말이 약 4 내지 5 ㎡/g 의 비표면적을 갖고, 이산화티탄 분말이 약 3 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 것이 바람직함을 보여준다.
산화 알루미늄, 산화 티탄 및 탄산 망간은 전술한 실시예들에서 원료 물질로서 이용된다. 그러나, 본 발명에서 이용되기 위한 시작 물질들은 소성에 의해 산화물을 형성함이 적절하게 이용될 수 있는 탄산염, 질산염 및 수산화물과 같은 화합물들 및 산화 알루미늄, 산화 티탄 및 탄산 망간들로 구체적으로 제한되지 않는다.
본 발명의 고주파 세라믹들은 전술한 특성들을 저하시키지 않는 범위 내에서 미량의 첨가제들을 더 포함한다. 예를 들어, 약 1.0 중량%의 양으로 SiO2, B2O3, V2O5또는 WO3의 결합체는 특성 저하를 억제하면서 약 10 내지 20 ℃ 정도 소성 온도를 줄일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 고주파 세라믹들은 산화물 항에서 약 0.1 중량%의 Na, K, Fe, Cu, Ga, Cl, Ca 및 Zr와 같은 필수적 불순물들을 더 포함한다.
다른 실시형태들 및 변형들은 관련 기술분야의 숙련자들에 의해 명백할 것이며, 이 발명은 위에서 기술된 구체적인 사항으로 제한되지는 않는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 고주파 세라믹은 금속 원소로서 Al, Ti 및 Mn을 포함하고 실질적으로 X선 회절 분석에 의해 결정되는 Al2TiO5결정상을 함유하지않으며, 그에 따라 20 이하의 비유전율()을 갖고, 10 ㎓에서 10,000 이상의 Q값을 가지며, 선택적으로 약 0 ppm/℃ 부근에서 공진 주파수 온도 계수()를 제어할 수 있어 그에 따라 만족할만한 고주파 특성 및 온도 특성을 산출한다.
이에 더하여, 화학 조성식에 의해 표현되는 고주파 세라믹에서 Ti 성분 및 Mn 성분의 양을 구체화함으로써, 0±30 ppm/℃ 범위 내의 만족할만한 공진 주파수 온도 계수() 특성 및 10 ㎓에서 15,000 이상의 Q값이 얻어질 수 있다.
본 발명의 고주파 세라믹의 Al 물질과 Ti 물질로서 각각 4 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 알루미나 분말 및 3 ㎡/g 이상의 비표면적을 갖는 이산화티탄 분말의 이용은 생산성의 저하 없이 물질 비용의 증가를 억제할 수 있고 낮은 온도에서의 소결성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 전술한 조성물을 갖는 유전체 세라믹의 이용은 각각 만족할 만한 전기적 특성을 갖는 유전체 안테나, 예컨대 유전체 공진기용 지지대, 유전체 공진기, 유전체 필터 및 유전체 듀플렉서를 산출할 수 있고, 작은 크기의 고성능 통신 시스템을 산출할 수 있다.

Claims (20)

10 ㎓에서 적어도 약 10,000의 Q값을 갖고, 금속 원소로서 Al, Ti 및 Mn을 포함하고, 화학식
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO
에 의해 표현되며,
이때 x 및 y는 몰%이고,
3.0 ≤x≤7.0, 및
0.1≤y≤0.25 인 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트.
고주파 유전체 세라믹 콤팩트를 포함하는 유전체 세라믹 몸체를 포함하는 유전체 안테나에 있어서, 상기 콤팩트는 화학식
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO
에 의해 표현되며,
이때 x 및 y는 몰%이고,
3.0 ≤x≤9.0, 및
0.1≤y≤1.0 인 것을 특징으로 하는 유전체 안테나.
입출력 단자를 구비한 유전체 세라믹의 전자기 결합에 의해 활성화되는 유전체 공진기 내의 유전체 세라믹을 지지하는 유전체 지지대에 있어서, 상기 지지대는 제 2 항의 고주파 세라믹 콤팩트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 지지대.
입출력 단자에 전자기 결합된 유전체 세라믹 몸체를 포함하는 유전체 공진기에 있어서, 상기 유전체 세라믹 몸체는 제 2 항의 고주파 세라믹 콤팩트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
제 1 항에 있어서, 실질적으로 Al2TiO5결정상을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트.
삭제
화학식
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO
에 의해 표현되고,
이때 x 및 y는 몰%이고,
3.0 ≤x≤7.0, 및
0.1≤y≤0.25 이며,
Al을 함유하는 원료 물질, Ti을 함유하는 원료 물질 및 Mn을 함유하는 원료 물질의 혼합물을 제공하는 단계;
상기 결과적 혼합물을 성형하여 그린 콤팩트로 형성하는 단계; 및
약 1,310℃ 이하의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 소성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 Al을 함유하는 원료 물질은 적어도 약 4 ㎡/g의 비표면적을 갖는 알루미나 분말이고, 상기 Ti을 함유하는 원료 물질은 적어도 약 3 ㎡/g의 비표면적을 갖는 이산화티탄 분말인 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 Al을 함유하는 원료 물질은 적어도 약 4 내지 5 ㎡/g의 비표면적을 갖는 알루미나 분말인 것을 특징으로 하는 고주파 세라믹 콤팩트 제조 방법.
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제 4 항에 따른 유전체 공진기 및 그에 연결된 외부 커플러를 포함하는 유전체 필터인 것을 특징으로 하는 전자 소자.
제 1 및 제 2 유전체 필터들, 상기 제 1 유전체 필터에 연결되는 제 1 입출력 커넥터, 상기 제 2 유전체 필터에 연결되는 제 2 입출력 커넥터 및 상기 제 1 및 제 2 유전체 필터들 모두에 연결되는 안테나 커넥터를 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 유전체 필터들 중 적어도 하나는 제 14 항에 따른 유전체 필터인 것을 특징으로 하는 유전체 듀플렉서인 것을 특징으로 하는 전자 소자.
제 15 항의 유전체 듀플렉서;
상기 유전체 듀플렉서의 상기 제 1 입출력 커넥터에 연결되는 송신 회로;
상기 송신 회로의 상기 제 2 입출력 커넥터에 연결되는 수신 회로; 및
상기 유전체 듀플렉서의 안테나 커넥터에 연결되는 안테나;
를 포함하는 통신 시스템을 포함하는 전자 소자.
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