KR100471933B1 - 고 품질계수를 갖는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 - Google Patents
고 품질계수를 갖는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 큰 품질계수(Q값)와 유전율을 가지며 또한 공진 주파수의 온도계수가 우수한, (1-x)(Mg1/3Ta2/3)O2-xZrO2 (0 ≤x ≤0.2)로 표시되는 고주파용 유전체 세라믹 조성물을 제공한다. 본 발명의 고주파용 유전체 세라믹 조성물은 저온에서의 짧은 시간 동안의 소결에 의해서도 큰 품질계수 값을 쉽게 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 큰 품질계수(Q값)와 유전율을 가지며 또한 공진 주파수의 온도계수가 우수한 고주파용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.
최근, 무선 전화기, 자동차 전화기 등의 이동 통신, 위성 방송, 위성 통신 등에 주파수 대역이 300 MHz 내지 300 GHz인 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 증가하고 있다.
유전체 내에서 마이크로파의 파장은 유전율의 1/2승과 주파수에 반비례하므로 부품의 소형화를 위해서는 유전율과 사용 주파수가 커야 한다. 일반적으로 유전율(εr)과 품질계수(Q) 값은 반비례 관계에 있으며, 2 GHz 이상의 고주파에서는 부품의 크기가 충분히 작아져, 큰 유전율보다는 큰 품질계수를 갖는 유전체 소재, 즉 우수한 선택성과 대역폭을 갖는 소재가 요구된다.
현재 800 MHz 대역의 셀룰러용 필터류에는 유전율 90 영역, 1.9 GHz 대역의 PCS용 필터류에는 유전율 38 영역의 유전체 소재가 이용되고 있다. 향후 WLL 및 IMT 2000, UMTS 등에서 사용 주파수가 더욱 고주파화됨에 따라 큰 품질계수값을 갖고 유전율이 20 영역인 소재가 이용될 것이며 현재 각종 공진기, 기지국용 필터, 안테나 등에 활발히 이용되고 있다.
지금까지 개발된 큰 품질계수를 갖는 대표적인 유전체로는, MgTiO3-CaTiO3 계를 들 수 있는데, 이러한 유형의 유전체는 Q ·fo 값이 56,000 GHz, 유전율이 21, 공진주파수의 온도계수가 0 ppm/℃이며 소결온도는 1,400℃ 내외이다 [K.Wakino, Ferroelectrics, 91, 69(1989)]. 56,000 GHz의 Q ·fo값은 현재 일부 이동통신용 부품으로 적용이 가능하나, 향후 3-4 GHz의 제 3세대 이동통신용 소재로 사용하기에는 주파수의 선택도에 다소 문제가 있으므로 더욱 큰 Q 값을 갖는 소재가 요구된다.
또다른 큰 품질계수를 갖는 유전체로는 Ba(Zn,Ta)O3 계로서 Q ·fo 값이 150,000 GHz, 유전율이 30, 공진주파수의 온도계수가 1 ppm/℃이며, 소결온도는 1,600℃ 내외이다 [S. B. Desu, J. Am. Ceram. Soc., 68, 546(1985)]. 이 조성물은 우수한 품질계수 값을 가지고 있으나 소결온도가 매우 높고, 이러한 고 품질계수를 얻기 위해서는 고온에서 장시간(≥10 시간) 열처리를 하여 B 자리의 규칙화를 달성해야 하는 문제점을 안고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 100,000 GHz 이상의 큰 Q ·fo 값을 가지며, 고온에서 장시간 열처리하여 B 자리의 규칙화를 달성할 필요없이 큰 품질계수 값을 얻을 수 있고, 또한 큰 유전율, 안정한 공진주파수의 온도계수를 갖는 마이크로파용 유전체 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명은 고온에서 장시간의 열처리 없이도 큰 품질계수 (작은 유전손실)를 가지며, 큰 유전율, 안정한 공진주파수의 온도계수를 갖는 마이크로파용 유전체 조성물에 관한 것이다.
위와 같은 본 발명의 목적은 다음과 같은 조성식을 갖는 유전체 세라믹 조성물을 제공함으로써 달성된다.
(1-x)(Mg1/3Ta2/3)O2-xZrO2
상기 식에서, x의 범위는 0 ≤x ≤0.2 이다.
본 발명에 따른 유전체 조성물은 유전율이 21.4 내지 28.9이고, Q ·fo가 65,000 내지 180,400 GHz이며, 공진 주파수의 온도 계수(TCF)의 범위가 -58.5 내지 +53.1 ppm/℃로 조성의 변화에 따라 TCF를 0 ppm/℃로 조절이 가능하여 고주파용 유전체 세라믹스 부품에 사용되는 재료로서 이용할 수 있다.
본 발명의 유전체 세라믹 조성물의 특성은 (Mg1/3Ta2/3)O2와 ZrO2
의 조성비에 따라서 변화된다.
예를 들어, 1,450℃에서 3시간 소결시에 ZrO2의 몰 분율이 1 몰%에서 20 몰%로 증가함에 따라 유전율은 27.9에서 21.4로 서서히 감소하고, Q ·fo의 값은 ZrO2가 0 몰%일 때 65,000인 반면, 1 몰%일 때 166,600 GHz로 급격한 증가를 나타낸 후 20 몰%까지 130,000 GHz로 서서히 감소한다. 또한, 공진주파수의 온도계수는 ZrO2의 몰 분율이 증가함에 따라 50.6에서 -56.0 ppm/℃로 선형적으로 감소하여 공진주파수의 온도계수를 조절할 수 있다.
1,500℃에서 3시간 소결시에는, ZrO2의 몰 분율이 1 몰%에서 8 몰%로 증가함에 따라 유전율은 28.9에서 24.1로 서서히 감소하고, Q ·fo의 값은 ZrO2가 0 몰%일 때 95,400인 반면, 1 몰%일 때 180,400 GHz로 급격한 증가를 나타낸 후 8 몰%까지 124,700 GHz로 서서히 감소한다. 또한, 공진주파수의 온도계수는 ZrO2의 몰 분율이 증가함에 따라 50.1에서 -21.7 ppm/℃로 선형적으로 감소하여 공진주파수의 온도계수를 쉽게 조절할 수 있다.
특히, ZrO2의 함량이 6.5 몰%이고 1,450 ℃에서 3 시간 소결시 유전율이 25.7이고 Q ·fo가 143,000 GHz이며 공진주파수의 온도계수가 0 ppm/℃인 우수한 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
하기 표 1의 조성비로 순도 98 %의 MgO, 99 %의 Ta2O5와 ZrO2를 혼합하여 1,200 ℃의 온도에서 4 시간 정도 하소하여 분쇄한 후, 성형 첨가제로서 PVA 수용액을 첨가하여 직경 10 mm, 두께 5 내지 6 mm의 원기둥형 시편으로 가압 성형하였다. 성형된 시편은 유기 바인더를 제거하기 위해 600 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열처리한 후 대기 중에서 1450 및 1500 ℃의 온도에서 3 시간 동안 각각 소결하였다.
소결된 시편의 양면을 연마지(SiC paper)로 잘 연마한 후, 도파관 속에 넣고 유전체 공진기법으로 유전율, Q 값 및 공진 주파수의 온도 계수를 측정하였다. 이때, 측정 주파수는 8.5 내지 9.8 GHz이고, 측정 온도 범위는 20 내지 80 ℃이었다. 각 시편의 마이크로파 유전 특성은 표 1과 같다.
시료번호 | 조성 (몰)x | 소결온도(℃)/시간(hr) | 유전율(εr) | Q ·fo (GHz) | τf (ppm/℃) |
1 | 0.000 | 1450℃/3hr | 26.3 | 65000 | 53.1 |
2 | 0.010 | 27.9 | 166600 | 50.6 | |
3 | 0.050 | 26.8 | 144300 | 26.9 | |
4 | 0.060 | 26.2 | 143500 | 7.0 | |
5 | 0.065 | 25.7 | 143000 | 0 | |
6 | 0.070 | 25.1 | 140800 | -8.6 | |
7 | 0.080 | 24.1 | 140000 | -22.3 | |
8 | 0.100 | 22.3 | 133100 | -56.0 | |
9 | 0.200 | 21.4 | 130000 | -58.5 | |
10 | 0.000 | 1500℃/3hr | 27.1 | 95400 | 51.0 |
11 | 0.010 | 28.9 | 180400 | 50.1 | |
12 | 0.050 | 27.6 | 148000 | 25.4 | |
13 | 0.060 | 26.5 | 137700 | 6.3 | |
14 | 0.065 | 25.9 | 135000 | 0 | |
15 | 0.070 | 25.1 | 130200 | -7.2 | |
16 | 0.080 | 24.1 | 124700 | -21.7 |
본 발명에 따르면, 기존의 방법에서 B 자리의 규칙화를 위해 실시하여야 하는 고온 (≥1,550℃)에서의 장시간의 열처리를 실시하지 않고 보다 저온에서 짧은 시간 동안 소결함으로써 큰 품질계수 값 (≥140,000 GHz)을 쉽게 얻을 수 있으며, 부품 적용이 가능한 유전율과, 안정한 공진주파수의 온도계수를 갖는 우수한 특성의 마이크로파 유전체 조성물을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 마이크로파 유전체 조성물은 현재 상용화되어 있는 800 MHz 내지 1.9 GHz 대역의 셀룰러 및 PCS의 공진기, 기지국용 필터, 안테나 및 기판 등의 이용과, 향후 2 GHz 대역의 IMT2000 및 3-4 GHz 대역의 UMTS 등의 공진기, 기지국용 필터, 안테나 및 기판에 요구되는 특성을 가지고 있어 이에 대한 활용이 기대된다.
Claims (1)
- 하기 조성식으로 표시되는 고주파용 유전체 조성물.(1-x)(Mg1/3Ta2/3)O2-xZrO2상기 식에서, x의 범위는, 0 ≤x ≤0.2 이다.
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