KR100488769B1 - 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물 - Google Patents
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Abstract
일반식 MWO4로 표시되며, 여기서 M은 Zn 또는 Ca인 마이크로파 유전체 조성물과 여기에 B2O3, V2O5, KF, LiF 중 적어도 1종의 첨가물이 첨가된 마이크로파 유전체 조성물이 개시된다. 이 유전체 조성물은 상용 유리 및 결정화 유리계 LTCC 조성에 비해 유전특성이 우수하고 제조공정이 간단하여 제조공정상 경제적일 뿐아니라 소결온도가 낮아 저융점전극의 사용이 가능하여 전극과의 적층구조에 의한 유전체 디바이스의 소형화에 적합하다.
Description
본 발명은 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들어, 마이크로파 대역에서 작동되는 마이크로파 디바이스에 필요한 인덕터(inductor) 및 캐패시터(capacitor)의 구현에 사용가능한 저온소결용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.
이동통신 단말기 부품의 경우 라이프 사이클(life cycle)이 매우 짧고, 셋(Set)의 지속적인 소형화 추세에 따라, 부품의 초소형화도 함께 급속히 진행되고 있다. 셋(Set)업체는 이에 대응하기 위하여 향후 신규 제품에 대해서 모듈(module)화 제품 채택을 적극 추진하고 있다. 일례로, 전 세계 휴대폰의 65%이상을 차지하는 GSM의 경우, 2003년도에 출시하는 모델부터는 FEM(Front-End Module)을 채택한 셋(Set)의 설계를 본격적으로 진행하고 있다. FEM은 저온소결용 세라믹유전체(LTCC : Low Temperature Cofired Ceramic)기판에 디플렉서-LPF-스위치(Diplexer-LPF-Switch)를 탑재한 형태로 LTCC 기술을 바탕으로 기판의 집적화와 수동부품의 모듈화를 동시에 구현하고 있으며, 향후 타 부품들도 L/C/R 수동 3요소의 내장 및 능동소자의 탑재가 구현된 FEM과 같은 "다중 칩 모듈(MCM : Multi-Chip Module)"을 거쳐, 여러 개의 회로단이 하나로 통합된 형태의 "복합기능 세라믹모듈(MFCM : Multi-functional Ceramic Module)"로 발전해 나갈 것으로 보인다.
마이크로파 통신용 디바이스에 있어서 저항의 경우는 RuO2, Ag/Pd 등을 이용하고 커패시터의 경우는 LTCC 재료 자체의 유전상수를 이용하거나 BaTiO3 등 고유전율 재료를 이용하여 실현하고 있으며 인덕터의 경우는 모듈내부 도체를 형성시키는 도체를 이용하여 구현하고 있다. L/C/R 수동소자를 내부에 실장하는 경우는 기존에 SMD(Surface Mounted Device) 형태로 실장하는 경우에 비교해 여러 가지 이점이 있다. SMD는 솔더링(soldering)을 통해 PCB 기판에 부착시키는데 이때 솔더링의 결함이나 솔더 포인트(solder point)에서 발생되는 기생효과(parasitic effects), 그리고 솔더 포인트에서의 방사에 의한 노이즈 발생, 그리고 부품조립 공정의 복잡화에 따른 원가 상승요인이 수동소자를 모듈내부에 전극과 동시소성을 하여 적층형으로 구현함으로써 제거될 수 있다.
유전체 세라믹 조성물에 대한 연구는 최초로 TiO2가 개발된 이래 많은 티탄산계 재료에 대한 연구가 수행되어 왔다. 그 결과 현재 사용되고 있는 마이크로파 유전체 조성들은 Ba2Ti9O20, (Zr,Sn)TiO4, BaO-Re2O
3-TiO2(Re : Rare earth), BaO-Nd2O3-TiO2계(BNT계)등 많은 TiO2계와, 최근에는 Ba(Mg1/3
Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Ta2/3)O3등과 같은 복합페로브스카이트 구조를 갖는 유전체들이 많이 발견되었으며, 또한 CaTiO3-NdAlO3, CaTiO3 - La(Zn1/2Ti1/2)O3등과 같이 두종류이상의 페로브스카이트 구조를 갖는 고용체를 이용하여 새로운 유전체 재료를 개발하려는 노력이 시도되고 있다.
그러나 BNT계는 다른 마이크로파용 유전체에 비해 유전율은 높으나 Q값(Quality-factor; Q x fo)이 2000 정도로 작다는 단점이 있으며, 공진주파수가 1GHz 이하로 제한되는 문제점이 있다. 그리고 Nd2O3 는 희토류 금속으로 다른 원소에 비해 고가의 원소라는 단점이 있다.
한편, (Zr, Sn)TiO4계는 높은 Q값과 안정된 온도특성으로 가장 널리 상용화된 재료로 유전율의 범위는 30∼40, Q값은 4GHz에서 8000정도이며 공진주파수 온도계수는 -30∼+30ppm/℃범위에 있다. 그러나 이 계는 일반적인 고상반응을 통해 제조하는 경우 하소온도가 1100℃이상이며 소결조제의 첨가없이는 1600℃이하에서는 소결이 힘든 난소결성 물질로 알려져 있다. 따라서 소결온도를 낮추기 위하여 NiO, CuO, Co2O3, ZnO등의 소결조제를 사용하나 소결조제의 첨가가 조성물 자체의 물성을 저하시킨다고 알려져 있다. 따라서 가장 경제적인 고상법 대신에 솔-겔(Sol-Gel)이나 알코옥사이드법, 공침법등과 같은 액상법을 이용한 분말합성이 시도되고 있다. 그러나 이러한 방법은 공정이 복잡할뿐 아니라 제조단가의 상승을 초래한다고 하는 문제점을 가지고 있다.
Ba(Mg1/3Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Ta2/3)O3등으로 대표되는 복합페로브스카이트계 유전체 역시 소결온도가 1600℃가 넘는 난소결성 물질로 소결이 어려운 단점을 가지고 있어 소결온도를 낮추기 위하여 첨가되는 원소나 화합물(BaZrO3, MnO, B2O3등)까지 감안하면 6∼8가지 이상의 성분이 포함되어지므로 공정인자를 제어하기 어려울뿐만 아니라 소결온도도 1500℃이하로 낮추기 어려운 문제점을 안고 있다.
고주파회로 및 디지털 회로의 신호 및 데이터 처리를 신속히 하기 위해서는 전송선로의 신호지연이 없어야 한다. 이러한 신호의 지연은 아래의 식에서 보는 바와 같이 LTCC 재료의 유전율에 비례하기 때문에 신호지연을 고려할 때는 유전율이 낮은 재료를 사용할수록 유리하다.
또한 LTCC를 이용 인덕터를 구현함에 있어서도 유전율이 큰 경우 기생 커패시턴스값이 커지게 되어 응용주파수가 낮아지는 결과를 초래하기 때문에 신호지연과 응용주파수를 고려시에는 LTCC 소재의 유전율은 낮은 것이 유리하다. 이러한 이유에서 지금까지 개발된 LTCC 소재는 주로 글라스-세라믹(glass-ceramic)이나 글라스(glass)에 세라믹 필러(filler)를 넣은 형태로 개발되었고 유전율은 신호처리속도를 고려하여 낮은 유전율 소재가 개발되었다.
유전율과 더불어 요구되어지는 LTCC 소재 특성의 하나는 사용소재와 전극의 낮은 손실특성이며 이러한 손실은 이동통신기기의 전원의 전력소비를 최소화하기 위해서 가능한 낮은 손실값을 가져야한다. 마이크로스트립라인이나 스트립라인 형태에서 기판의 손실은 사용주파수, 상대유전율 또는 실효유전율 그리고 재료의 손실항(tanδ) 등에 의해 결정된다. 예를 들어 스트립라인의 경우 유전체에 의한 감쇠는 아래의 식으로 표현된다.
기판재료의 손실항 tanδ는 무부하, Q의 역수의 관계가 있고 보통 재료의 내적요인(결정구조)와 외적요인(입계, 이차상, 기공, 결함 등)에 의해 크게 좌우되며 이러한 변수의 조절에 따라 마이크로파 대역에서 손실이 적은 유전체의 개발이 필요하며 또한 마이크로파 대역에서 손실이 적은 Ag 및 Cu전극과의 동시소성이 가능한 저온소결용 소재의 개발이 필요하다.
현재 개발된 LTCC 조성중에서 유리상을 기본으로 하는 글라스-세라믹(glass-ceramic)계 또는 글라스-필러(glass-filler)계 조성들은 유전율이 낮은 장점이 있으나 손실항이 큰 단점과 함께 공정상 유리제조 및 분쇄공정에 따라 제조단가가 높다는 단점이 있고 반면에 높은 Q값을 갖는 결정계 조성들은 이미 많이 개발되었지만 소결온도가 높은 HTCC(High Temperature Cofired Ceramic)재료가 대부분이거나 소결온도가 낮은 LTCC 조성인 경우 낮은 품질계수값을 갖는 경우가 대부분이다. 따라서 전력소비의 최소화를 위한 높은 품질계수를 가지면서 신호처리속도가 빠르도록 낮은 유전율계 재료의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 인식한 바탕에서 높은 Q값을 가지면서도 Ag 및 Cu 전극과의 동시소성이 가능한 유전체 세라믹 조성물에 대하여 예의 연구한 결과, MWO4(M = Ca 및 Zn)계가 Q값은 복합페로브스카이트 구조화합물과 거의 비슷한 수준을 유지하면서도 낮은 유전율과 낮은 소결온도를 갖는다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 유전특성이 기존의 상용 LTCC 소재에 비해 우수하고 제조공정이 간단하여 제조공정상 경제적일뿐 아니라 저융점의 전극이 사용가능한 마이크로파 유전체 세라믹 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
이와 같은 목적을 위하여 본 발명에 따르면, 일반식 MWO4로 표시되며, 여기서 M은 Zn 또는 Ca인 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 유전체 세라믹조성물에 유전특성의 저하를 최소화하면서 소결온도를 저하시킬 목적으로 LiF, KF, V2O5, 및 B2O3
가 첨가제로서 동시 혹은 각각으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물이 제공된다.
본 발명에서 첨가되는 첨가제의 함량은 첨가제의 종류에 따라 적당한 중량% 범위가 필요한데, 이 중량%범위 밖의 함량이 첨가되는 경우는 예를 들어 중량%범위 이하의 함량의 경우는 소결온도의 저하를 기대할 수 없고 필요 중량% 범위 이상의 첨가에서는 모상과의 반응, 용융, 수분흡수 등의 이유로 유전특성이 저하될 우려가 있다.
B2O3는 ZnWO4 및 CaWO4에 대한 용해도가 매우 낮아 반응성 액상소결을 기대할 수 없어 본 발명에서 보인 다른 첨가제와는 달리 비교적 많은 첨가량이 필요하다. 즉 중량비로 10%미만의 첨가에서는 소결온도의 저하를 가져올 수 없고, 첨가량이 40%를 초과하는 경우에는 B2O3 자체의 낮은 품질계수와 공기중 수분과의 반응으로 급격한 품질계수의 저하를 가져온다. 따라서 B2O3 첨가량은 중량%로 10∼40%가 적당하다.
V2O5는 단독으로 첨가되는 경우에는 소결온도의 저하를 가져오지만 V2O
5 자체의 낮은 품질계수로 인해 품질계수값이 매우 낮게되는 단점이 있다. 따라서 V2O5는 단독으로 첨가하지 않고 B2O3와 동시에 소량을 첨가하는 것이 바람직하다. V2
O5의 첨가량은 0.1∼0.2 중량%가 적당하다.
LiF와 KF는 단독으로 소량첨가에 의해서 ZnWO4 및 CaWO4의 우수한 품질계수를 유지하면서 소결온도를 낮추어 Ag 및 Cu와의 동시소성을 가능하게 하는 첨가물이다. KF의 첨가량은 중량비로 0.5%이상에서 소결온도의 저하를 가져오지만 5.0% 이상에서는 KF의 수분흡수로 시간경과에 따른 품질계수의 저하 때문에 0.5∼5.0 중량%가 적당하다.
CaWO4에 첨가되는 LiF의 양은 0.5∼3.0%가 적당하다. LiF가 0.5%미만에서는 첨가효과를 실질적으로 기대하기 어렵고, 3.0%를 초과하는 경우 과도한 액상의 형성으로 소결체의 용융이 800℃에서도 심각하여 전극 또는 다른 조성과의 동시소성이 어렵게 되며 또한 품질계수값의 저하를 가져오기 때문이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
(실시예)
<실시예 1>
고순도(99.9%)의 CaO 또는 ZnO를 WO3 분말과 1:1 몰비로 칭량하고 분말 대 증류수의 비가 1:1에서 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 습식혼합 후 120℃에서 건조시켰다. 건조된 분말을 알루미나 도가니에 넣고 CaWO4의 경우는 900℃에서 3시간 하소시키고 ZnWO4는 800℃에서 3시간 하소하여 MWO4 (M=Ca 또는 Zn) 분말을 합성하였다.
합성한 MWO4 (M=Ca 또는 Zn) 분말을 24시간 볼 밀링하여 80MPa의 압력으로 직경 15mm, 두께 7mm의 원판 형상으로 일축가압성형을 하였다. 성형체를 950∼1200℃에서 3시간 소결하였다. 하소 및 소결시 승온속도는 5℃/min 이었고 이후 노냉하였다. 소결된 시편의 양편을 알루미나 페이스트 1㎛과 0.3㎛을 이용 경면처리 후 소결시편의 Q값, 유전율(ε)은 10GHz에서 네트워크 분석기(HP8753D)를 이용하여 하키-콜만(Hakki-Coleman)의 평형도체판법(post resonator method)으로 측정하였으며 공진주파수 온도계수(τf) 는 -25℃∼120℃의 온도구간에서 공동 공진기법(Cavity법)으로 측정하였다.
이상의 결과를 표1에 나타내었다.
| 시료번호 | 조 성 | 유전율(ε) | 품질계수 (Q×f) | 온도계수(τ f ) (ppm/℃) | 소결온도 (℃) | 소결시간 (hr) | 소결밀도 (%) |
| 1 | ZnWO4 | 10.3 | 8800 | - | 950 | 3 | 85.3 |
| 2 | ZnWO4 | 12.5 | 12200 | - | 1000 | 3 | 94.3 |
| 3 | ZnWO4 | 15.5 | 74000 | - | 1050 | 3 | 96.2 |
| 4 | ZnWO4 | 15.6 | 110000 | -76 | 1100 | 3 | 97.3 |
| 5 | CaWO4 | 8.7 | 34000 | - | 1000 | 3 | 86.2 |
| 6 | CaWO4 | 9.8 | 130000 | -27.8 | 1100 | 3 | 94.3 |
| 7 | CaWO4 | 10.1 | 76000 | -27.9 | 1200 | 3 | 98.3 |
이상의 결과로부터, ZnWO4의 경우 소결온도 1100℃에서(시료번호 4) 가장 우수한 소결밀도를 얻을 수 있었으며 복합 페로브스카이트에 비견될만한 Q값(Q×f)를 보이고 있다. CaWO4의 경우 소결밀도가 94.3%인 경우에(시료번호 6) 가장 높은 Q값을 보였는데 이는 미세조직 분석결과 결정립 크기분포의 균일성에 기인한 것으로 판단되었으며 이 경우에도 역시 복합 페로브스카이트에 비견될만한 Q값(Q×f)를 보이고 있다. 또한 복합 페로브스카이트의 경우 소결온도가 1400∼1500℃인데 비해 본 발명의 MWO4 (M=Ca 또는 Zn)계의 경우 소결온도가 1100℃밖에 되지 않으므로 저온 소결용 마이크로파 유전체로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
<실시예 2>
실시예 1에서와 동일한 방법으로 MWO4 (M=Ca 또는 Zn)계 분말을 합성한 다음, B2O3, V2O5, LiF, 및 KF 중에서 한 종류 이상의 화합물을 첨가하였다. 이 혼합분말을 증류수와 1:1로 섞어 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 습식혼합 후 120℃에서 건조시켰다. 건조된 분말을 80MPa의 압력으로 직경 15mm, 두께 7mm의 원판 형상으로 가압성형을 하였다. 성형체를 700∼1000℃에서 5분∼1시간 소결하였다. 소결시 승온속도는 5℃/min 이었고 이후 노냉하였다. 소결된 시편의 양편을 알루미나 페이스트 1㎛과 0.3㎛을 이용 경면처리 후 소결시편의 Q값, 유전율(ε)은 10GHz에서 네트워크 분석기(HP8753D)를 이용하여 하키-콜만(Hakki-Coleman)의 평형도체판법(post resonator method)으로 측정하였으며 공진주파수 온도계수(τf) 는 -25℃∼120℃의 온도구간에서 공동 공진기법(Cavity법)으로 측정하였다.
이상의 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.
| 시료 번호 | 조 성 | 첨가제 및 첨가량 (중량%) | 유전율 (ε) | 품질계수 (Q×f) | 온도계수(τ f ) (ppm/℃) | 소결온도 (℃) | 소결시간 | |
| 비 교 예 | 1 | ZnWO4 | B2O3 (5) | 15.3 | 123200 | - | 1100 | 3시간 |
| 2 | ZnWO4 | B2O3 (50) | 10.5 | 5700 | - | 1000 | 1시간 | |
| 3 | ZnWO4 | B2O3(39.7) + V2O5(0.3) | 10.9 | 4285 | -27.8 | 1000 | 1시간 | |
| 4 | ZnWO4 | B2O3 (40) | 12.6 | 20000 | -7.6 | 1000 | 1시간 | |
| 5 | ZnWO4 | LiF(0.3) | 15.5 | 116700 | - | 1100 | 3시간 | |
| 6 | ZnWO4 | LiF(4.0) | 측정불가 | 측정불가 | 측정불가 | 820℃에서 과도한 액상형성에 의한 시편의 무너짐 발생 | ||
| 7 | ZnWO4 | KF(0.1) | 15.4 | 126750 | - | 1100 | 3시간 | |
| 8 | ZnWO4 | KF(6.0) | 13.5 | 2100 | - | 800 | 1시간 | |
| 9 | CaWO4 | LiF(0.1) | 6.7 | 7000 | - | 850 | 1시간 | |
| 10 | CaWO4 | LiF(3.5) | 측정불가 | 측정불가 | 측정불가 | 820℃에서 과도한 액상형성에 의한 시편의 무너짐 발생 | ||
| 시료 번호 | 조 성 | 첨가제 및 첨가량 (중량%) | 유전율 (ε) | 품질계수 (Q×f) | 온도계수(τ f ) (ppm/℃) | 소결온도 (℃) | 소결 시간 | |
| 실 시 예 | 11 | ZnWO4 | B2O3 (10) | 14.5 | 42100 | -31.5 | 1000 | 1시간 |
| 12 | ZnWO4 | B2O3 (20) | 13.1 | 35000 | -19.2 | 1000 | 1시간 | |
| 13 | ZnWO4 | B2O3 (30) | 12.5 | 32100 | -15.0 | 1000 | 1시간 | |
| 14 | ZnWO4 | B2O3 (40) | 12.6 | 27000 | -7.6 | 1000 | 1시간 | |
| 15 | ZnWO4 | B2O3(39.9) + V2O5(0.1) | 9.3 | 23500 | -21.6 | 950 | 1시간 | |
| 16 | ZnWO4 | B2O3(39.8) + V2O5(0.2) | 10.1 | 21700 | -24.3 | 950 | 1시간 | |
| 17 | ZnWO4 | LiF(0.5) | 15.0 | 32000 | -78 | 1000 | 1시간 | |
| 18 | ZnWO4 | LiF(1.0) | 14.85 | 27000 | -80.3 | 850 | 1시간 | |
| 19 | ZnWO4 | LiF(1.5) | 14.65 | 25500 | -79.8 | 850 | 10분 | |
| 20 | ZnWO4 | LiF(2.0) | 14.67 | 26000 | -82.5 | 850 | 10분 | |
| 21 | ZnWO4 | LiF(3.0) | 14.33 | 23700 | -81.6 | 800 | 10분 | |
| 22 | ZnWO4 | KF(0.5) | 14.7 | 54300 | -77.3 | 820 | 30분 | |
| 23 | ZnWO4 | KF(2.0) | 14.1 | 61200 | -81.5 | 820 | 30분 | |
| 24 | ZnWO4 | KF(3.0) | 13.6 | 48700 | -86.7 | 820 | 30분 | |
| 25 | ZnWO4 | KF(5.0) | 13.2 | 47600 | -89.5 | 820 | 30분 | |
| 26 | CaWO4 | LiF(0.5) | 9.8 | 64300 | -27.5 | 820 | 10분 | |
| 27 | CaWO4 | LiF(1.0) | 9.5 | 66200 | -26.5 | 820 | 10분 | |
| 28 | CaWO4 | LiF(1.5) | 9.38 | 54200 | -25.7 | 820 | 10분 | |
| 29 | CaWO4 | LiF(2.0) | 9.21 | 48000 | -23.5 | 820 | 10분 | |
| 30 | CaWO4 | LiF(2.5) | 9.1 | 43000 | -20.5 | 820 | 10분 | |
| 31 | CaWO4 | LiF(3.0) | 9.12 | 29000 | -21.5 | 750 | 10분 | |
| 32 | CaWO4 | KF(0.5) | 9.68 | 89500 | -30.5 | 820 | 30분 | |
| 33 | CaWO4 | KF(1.0) | 9.6 | 85800 | -36.4 | 820 | 30분 | |
| 34 | CaWO4 | KF(2.5) | 9.49 | 70200 | -39.1 | 820 | 30분 | |
| 35 | CaWO4 | KF(3.0) | 9.2 | 45600 | -34.1 | 820 | 30분 | |
| 36 | CaWO4 | KF(5.0) | 9.15 | 47100 | -41.8 | 820 | 30분 | |
| 37 | CaWO4 | B2O3(10) + V2O5(0.1) | 8.9 | 38200 | -5.5 | 950 | 1시간 | |
| 38 | CaWO4 | B2O3(20) + V2O5(0.1) | 8.2 | 47900 | +2.5 | 920 | 1시간 | |
| 39 | CaWO4 | B2O3(30) + V2O5(0.1) | 7.5 | 43100 | +12.3 | 920 | 1시간 | |
| 40 | CaWO4 | B2O3(40) + V2O5(0.1) | 6.4 | 39200 | +40.5 | 920 | 1시간 | |
| 41 | CaWO4 | B2O3(50) + V2O5(0.1) | 5.0 | 43200 | +51.3 | 920 | 1시간 |
표 2 및 표 3에서 보는 바와 같이, ZnWO4 또는 CaWO4에 LiF, KF, B2O3
, V2O5 등 소결조제의 첨가에 의해 ZnWO4와 CaWO4가 갖는 우수한 품질계수 특성의 저하를 최소화하면서 유전율 및 소결온도를 본 발명의 목적에 맞게 조절할 수 있다.
먼저, B2O3가 첨가된 경우(시료번호 11∼14)는, 1000℃에서 1시간 동안의 소결에 의해서도 유전율이 감소되어 ZnWO4나 CaWO4를 인덕터(inductor) 구현용 기판으로 응용시 신호전달속도의 향상을 꾀할 수 있고, 품질계수도 지금까지 개발된 저온소결용 유전체 조성물보다 우수한 특성을 갖는다. 참고로 지금까지 보고된 저온소결용 유전체 세라믹 조성을 보면 BaO-PbO-Nd2O3-TiO2계(소결온도 1300℃) 유전체에 글라스(glass)를 첨가하여 소결온도를 900℃로 낮추었으며, 그 특성은 유전율 67, Q×f가 2900(5.1 GHz) 그리고 온도계수가 20ppm/℃이다. 또한 CaZrO3계(소결온도 1350℃) 유전체에 보로실리케이트 글라스(borosilicate glass)를 첨가하여 소결온도를 980℃까지 낮추었으며, 그 특성은 유전율 25, Q×f 3500(5 GHz)에 온도계수가 ±10ppm/℃이다. 그리고 Bi 자체의 낮은 융점(825℃)을 이용하여 BiNbO4계에 CuO와 V2O5를 첨가하여 소결온도를 875℃까지 낮추어 유전율 43, Q 10000(4.3GHz) 그리고 온도계수 38ppm/℃의 특성을 얻을 수 있었으나 Ag 전극과의 심한 반응이 이 재료의 동시소성 재료로의 응용을 제한하고 있다. Du Pont 사와 Ferro사 등에서 개발된 글라스(glass), 글라스-세라믹(glass-ceramic), 글라스-필러(glass-filler)계 유전체 세라믹 조성물은 유전율이 낮은 장점을 가지고 있으나 품질계수가 2000∼4000으로 낮다.
B2O3는 ZnWO4 와 CaWO4에 대한 용해도가 매우 낮아 반응성 액상소결을 기대할 수 없어 본 발명에서 보인 다른 첨가제와는 달리 비교적 많은 첨가량이 필요하다. 즉 중량비로 10%미만의 첨가에서는 소결온도의 저하를 가져올 수 없다(시료번호 1). 그러나 첨가량이 40%를 초과하는 경우에는 B2O3 자체의 낮은 품질계수와 공기중 수분과의 반응으로 급격한 품질계수의 저하를 가져온다(시료번호 2). 따라서 B2O3 첨가량은 중량%로 10∼40%가 적당하다.
V2O5는 단독으로 첨가되는 경우에는 소결온도의 저하를 가져오지만 V2O
5 자체의 낮은 품질계수로 인해 품질계수값이 매우 낮게되는 단점이 있다. 따라서 V2O5의 경우는 단독으로 첨가하지 않고 B2O3와 동시에 소량을 첨가하는 것이 바람직하고(시료번호 15∼16, 37∼41) 이 때 B2O3 단독으로 첨가된 것보다 소결온도를 1000℃에서 950℃로 낮출 수 있다. V2O5의 첨가량은 0.1∼0.2 중량%가 적당하다.
LiF와 KF는 단독으로 소량첨가에 의해서 ZnWO4 및 CaWO4의 우수한 품질계수를 유지하면서 소결온도를 낮추어 Ag 및 Cu와의 동시소성을 가능하게 하는 첨가물이다. KF가 ZnWO4에 첨가되는 경우 (시료번호 22∼25)는 ZnWO4의 유전율인 15대역을 유지하면서, 소결온도를 820℃로 낮출 수 있고 또한 소결시간도 30분으로 작아 그 만큼 전극과의 반응시간도 짧아지는 장점이 있다. 이 때의 품질계수값은 47000 이상으로 매우 우수하다. ZnWO4에 KF가 첨가된 조성들의 경우 적층형 수동소자구현에 있어 ZnWO4의 높은 유전율을 이용하여 캐패시터 층으로의 응용이 가능하다. 적절한 KF의 첨가량은 중량비로 0.5%이상에서 소결온도저하를 가져오고 5.0% 이상에서는 KF의 수분흡수로 시간경과에 따른 품질계수의 저하 때문에 0.5∼5.0 중량%가 적당하다(시료 7∼8). KF가 CaWO4에 첨가되는 경우(시료번호 32∼36)에도 유전율 9대역에서 45000이상의 품질계수을 가지면서 소결이 820℃에서 가능하였다.
LiF의 첨가(시료번호 26∼31)는 KF에 비해 품질계수가 20000 이상으로 낮으나 소결시간이 10분으로 단축되는 장점이 있다. KF 및 LiF가 첨가된 CaWO4의 경우 낮은 유전율(9.8∼9.15)과 우수한 품질계수를 이용하여 인덕터층 구현에 적당하다. CaWO4에 첨가되는 LiF량은 0.5∼3.0%가 적당하다(시료번호 9∼10). LiF가 0.5%미만에서는 첨가효과를 실질적으로 기대하기 어렵고, 3.0%를 초과하는 경우 과도한 액상의 형성으로 소결체의 용융이 800℃에서도 심각하여 전극 또는 다른 조성과의 동시소성이 어렵게 되며 또한 품질계수값의 저하를 가져오기 때문이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 유전체 조성물은 유전율이 5∼15이고 품질계수값이 20000 이상으로 상용 LTCC 조성물에 비해 높고 소결온도가 낮아 마이크로파 대역에서 손실이 적은 Ag 및 Cu와의 동시소성이 가능하여 적층형 통신 디바이스에 있어 인덕터층과 캐패시터층으로의 응용이 가능하다. 또한 상용 LTCC의 대부분이 유리계를 기본조성으로 하고있어 제조공정상 높은 온도에서 용융하여 유리를 제조하고 다시 분쇄 및 분급하는 과정이 필수적이나, 본 발명의 조성물들은 이러한 과정을 피할 수 있어 제조상 공정이 간단한 장점이 있다.
Claims (6)
- 일반식 MWO4로 표시되며, 여기서 M은 Zn 또는 Ca인 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 유전체 조성물에 B2O3, LiF, KF 중 적어도 1종이 첨가제로 첨가되는 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
- 제 2항에 있어서, 상기 B2O3의 첨가량은 유전체 조성물 전체 중량에 대하여, 10.0∼40.0 중량% 임을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
- 제 2항에 있어서, 상기 LiF의 첨가량은 유전체 조성물 전체 중량에 대하여, 0.5~3.0 중량% 임을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
- 제 2항에 있어서, 상기 KF의 첨가량은 유전체 조성물 전체 중량에 대하여, 0.5~5.0 중량% 임을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 조성물은, 유전체 조성물 전체 중량에 대하여, V2O5를 0.1∼0.2 중량% 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
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