KR100489887B1 - 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

마이크로파 유전체 세라믹 조성물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

일반식 4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O3]+ 13.8TiO 2 으로 표시되는 조성물로서 x는 0.15 ≤x ≤0.35 범위의 값을 가지며, 여기에 첨가물로서 Bi2O3, CeO2 , WO3, Mn(NO3)2·nH2O, BaWO4, SrWO4 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 유전체 조성물을 제공한다. 이 유전체 세라믹은 78∼87의 높은 유전율을 가지면서도 품질계수(Q×fo) 값이 8000∼12000으로 우수하며 공진주파수 온도계수를 0 ±10ppm/℃ 범위에서 용이하게 조절할수 있어 TEM Mode 유전체 공진기, S-band LNB용 유전체 공진기, 유전체 필터등으로 사용하기에 적합하다.

Description

마이크로파 유전체 세라믹 조성물및 그의 제조방법{MICROWAVE DIELECTRIC CERAMIC COMPOSITIONS AND PREPARTION METHOD THEREOF}
본 발명은 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들어, 마이크로파 대역에서 작동되는 유전체 필터, 유전체 공진기, 유전체 안테나와 같은 마이크로파 디바이스용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.
500MHz부터 30GHz 사이의 고주파 대역에서 사용 가능한 유전체 세라믹스의 특성은 (1) 유전율 (εr : dielectric constant ) (2) 공진주파수의 온도계수(τf : Temperature coefficient of resonance frequency)와 (3) Q ×fo (Q ∝ 1/tanδ : quality factor )에 의해 평가된다. 유전율은 어떤 사용주파수(공진주파수)에서 공진기의 크기를 결정하는 인자로 부품의 소형화를 위해서는 높은 유전율이 요구된다. 공진주파수의 온도계수는 사용주파수(공진주파수)의 온도의존성을 나타내는 것으로 실내외의 가혹한 조건에서 쓰여지게 되는 통신기기의 동작주파수의 안정화와 관련되는 인자로 일반적으로 ±10ppm/℃이내의 특성을 요구한다. Q ×fo 는 유전손실과 관련되는 인자로서 Q ×fo값이 클수록 유전손실이 작아지므로 유전체 필터로 사용할 때 대역통과특성 즉, 공진기의 주파수 특성이 향상된다. 따라서 공진기와 필터의 주파수 폭을 좁게하여 잡음을 줄이기 위해서는 높은 품질계수가 요구된다.
최근 들어 이동통신 및 위성방송 등의 정보통신기기의 이용 확대로 마이크로파를 이용하는 유전체 세라믹 소자에 관한 관심이 고조되고 있다. 특히 이동통신매체로서는 자동차전화, 무선전화, 페이저, GPS(Global Positioning System) 등을 들 수 있는데, 마이크로파용 유전체 세라믹은 이들 시스템에서 여파기(filter), 공진기, 듀플렉서(duplexer) 및 안테나(antenna)의 수동소자부품의 재료로 사용된다.
고주파 대역에서 유전체를 사용하는 이유는 온도에 대한 안정성과 소형화를 이룰 수 있기 때문이다. 유전체내에서는 고주파의 파장이 유전체의 유전상수에 반비례하여 파장이 만큼 짧아지게 되므로 유전상수가 클수록 소자의 소형화가 가능하게 되고, 금속으로 소자를 만들었을 때에는 부피가 커지는 것은 물론이고 금속의 열팽창에 의해 주파수의 안정도가 떨어지게 되는데 이러한 현상들은 유전체를 사용함으로써 해결될 수 있다.
유전체 세라믹은 이동/위성통신부품의 중요한 위치를 차지하고 있으며 사용주파수와 사용 목적에 따라 특성과 크기가 틀려진다. 저잡음변환기(Low Noise Block C onverter : 이하, "LNB"라 함)용 유전체 공진기용으로는 높은 온도안정성이 필수 적이며 따라서 공진주파수 온도계수가 가장 중요한 특성이 되며, LNB의 소형화를 위해서는 높은 유전율이 필요하다.
유전체 세라믹 조성물에 대한 연구는 최초로 TiO2가 개발된 이래 많은 티탄산계 재료에 대한 연구가 수행되어 졌다. 그 결과 현재 사용되고 있는 마이크로파 유전체 조성들은 Ba2Ti9O20, (Zr,Sn)TiO4, BaO-Nd2O 3-4TiO2계(BNT계)등 TiO2계와, 최근에는 Ba(Mg1/3Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 등과 같은 복합페로브스카이트 구조를 갖는 유전체들이 많이 발견되었으며, 또한 CaTiO3-NdAlO3, CaTiO3 - La(Zn1/2 Ti1/2)O3등과 같이 두 종류이상의 페로브스카이트 구조를 갖는 고용체를 이용하여 새로운 유전체 재료를 개발하려는 노력이 시도되고 있다.
이중에서 LNB용 유전체 공진기로 C-band(5GHz대)와 Ku-band(10GHz대)에서 사용되고 있는 재료는 유전율 37을 갖는 BaO-TiO2계(BT계), 유전율 45를 갖는 CaTiO3-NdAlO3 이다. 그러나 BT계는 유전율이 낮아 LNB의 소형화에 부응할 수 없어 현재는 Ku-Band대역(10GHz대)에서도 제한적으로 사용되고 있느며, CaTiO3-NdAlO3는 아직까지도 C-band와 Ku-band 용 유전체 공진기로 사용되고 있으나 LNB에서 가장많은 부피를 차지하고 있는 유전체 공진기의 소형화는 끊임없이 추진되고 있다.
사용주파수 3GHz대의 S-band 대역은 군사용으로 많이 활용되는 주파수로 C-band나 Ku-band에 비해 주파수가 낮기 때문에 상기한 재료를 사용할 경우 유전체 공진기가 커서 LNB의 소형화에 제한을 받는다. 따라서 S-band용으로는 유전율 80이상의 고유전율 재료를 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점과 부품개발의 추세를 인식한 바탕에서 유전특성을 개선하여 부품의 소형화를 이룰 수 있는, 특히 S-band대역에서 사용되는 LNB용 유전체 공진기의 소형화를 이룰수 있는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 위하여 Ba-화합물의 출발물질로 BaTiO3를 사용하여 일반식 4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O3]+ 13.8TiO 2 으로 표시되며, 여기서 x는 0.15 ≤x ≤0.35 범위의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물을 제공한다. 이 조성물에는 첨가제로서 Bi2O3, CeO2, WO3, Mn(NO 3)2·nH2O, BaWO4, SrWO4 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 중량비로 5% 이내의 범위에서 포함되어 물성을 증진시킬 수 있다.
상기 각 첨가물들은 중량비로 Bi2O3 의 경우 0 ~ 2.0, CeO2 의 경우 0 ~ 4.0, WO3 의 경우 0 ~2.0, Mn(NO3)2·nH2O 의 경우 0 ~0.5, BaWO 4 의 경우 0 ~ 2.0, SrWO4 의 경우 0 ~ 1.0 의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
BaTi4O9, Ba2Ti9O20, BaO-Nd2O3 -4TiO2계(BNT계)등 BaO-TiO2계 산화물은 합성시 Ba- 화합물의 출발물질로 BaCO3를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 이 경우 BaCO3중의 CO2는 제조공정(하소)중에 기체상태로 휘발하여 질량감손을 가져와 양산시 생산성의 저하를 가져온다. 따라서 본 발명은 양산을 목적으로, 일반적으로 사용되는 BaCO3 대신에 BaTiO3를 사용하여 제품의 생산성향상을 도모하였다.
또한, 본 발명은 BaCO3, SrCO3를 WO3 분말과 혼합하고 열처리하여 BaWO 4, SrWO4 분말을 준비하고, 4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2 O3]+ 13.8TiO2로 표시되는 조성에 중량비로 Bi2O3, CeO2, WO3, Mn(NO3)2 ·nH2O, BaWO4, SrWO4 등을 각각, 혹은 동시에 5%이하의 비율로 혼합하여 하소한후, 상기 하소분말을 분쇄하여 소정 형태로 성형하고, 성형체를 1300∼1450℃의 온도범위에서 열처리하여 소결체를 형성하는 것을 포함하여 이루어지는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 제조방법을 제공한다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
실시예
BaCO3와 WO3 분말을 1:1 몰비로 칭량하고 분말 대 증류수의 비가 1:1에서 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 습식혼합후 120℃에서 건조시켰다. 건조된 분말을 알루미나 도가니에 넣고 900℃에서 3시간 하소시켜 BaWO4 분말을 얻었다.
SrCO3와 WO3 분말을 1:1 몰비로 칭량하고 분말 대 증류수의 비가 1:1에서 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 습식혼합후 120℃에서 건조시켰다. 건조된 분말을 알루미나 도가니에 넣고 900℃에서 3시간 하소시켜 SrWO4 분말을 얻었다.
BaTiO3와 TiO2, Sm2O3, Nd2O3를 4.2BaTiO 3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O3]+ 13.8TiO2 의 몰비에 맞게 칭량하고(0.15≤x≤0.35) 여기에 Bi2O3, CeO2, WO 3, Mn(NO3)2·nH2O, BaWO4, SrWO4 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 중량비로 5% 이내의 범위에서 첨가한후 얻은 다양한 조성의 혼합 분말들을 준비하였다.
혼합분말 대 증류수의 비를 1:1로 조절하여 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 습식혼합후 120℃에서 건조시켰다. 건조된 분말을 알루미나 도가니에 넣고 1000℃에서 3시간 하소하였다.
하소한 각각의 분말은 24시간 볼밀링하여 80MPa의 압력으로 직경 15mm, 두께 7mm의 원판 형상으로 일축가압성형을 하였다. 성형체를 1300 ~ 1450℃의 온도 범위에서 열처리하여 치밀한 소결체를 얻었다. 하소 및 소결시 승온속도는 5℃/min 이었고 이후 노냉하였다. 소결된 시편의 양편을 알루미나 페이스트 1㎛과 0.3㎛을 이용 경면처리후 품질계수값(Q×fo), 공진주파수 온도계수(τf) 및 유전율(εr )을 네트워크 분석기(HP8753D)를 이용하여 하키-콜만(Hakki-Coleman)의 평형도체판법(post resonator method)으로 측정하였다.
이상의 결과를 표 1에 나타내었다.
본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물의 유전특성 및 소결온도
시료번호 x a b c d e f 유전율(εr) 품질계수(Q×fo) 온도계수(τf)(ppm/℃) 소결온도(℃)
1 0.15 84.4 8829 0.3 1450
2 0.25 84.8 8988 3 1450
3 0.27 85.1 9010 5 1450
4 0.35 84.6 8700 16 1450
5 0.25 0.5 84.8 8879 1.5 1350
6 0.25 1 85.5 8514 0.5 1350
7 0.25 2 87.0 8022 -2.7 1350
8 0.25 1 81.3 9570 1.8 1400
9 0.25 2 79.4 11818 -1.3 1400
10 0.25 4 76.1 12059 -3.5 1420
11 0.25 1 81.5 9215 1.2 1380
12 0.25 2 78.8 9145 -2.3 1380
13 0.25 0.1 84.8 95310 -1.5 1400
14 0.25 0.3 84.2 99540 1.7 1400
15 0.25 0.5 84.9 10192 2.3 1400
16 0.25 0.5 79.0 11030 -2.8 1380
17 0.25 1 78.9 10097 -3.4 1380
18 0.25 2 77.8 9068 -5.9 1380
19 0.25 0.5 79.1 10686 -2.3 1380
20 0.25 1 78.7 9337 -3.5 1380
21 0.27 0.5 2 0.5 80.2 10587 -1.0 1360
22 0.27 1.0 2 0.5 81.8 9830 -2.5 1340
23 0.27 2.0 2 0.5 84.3 8830 -4.7 1330
표 1에서 보는바와 같이 4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O 3]+ 13.8TiO2인 조성은(시료번호 1∼4) 유전율 85, Q×fo 8000이상이며 온도계수도 양호한 특성을 나타낸다.
Bi2O3가 첨가된 조성은(시료번호 5∼7) Q×fo값은 상대적으로 다소 떨어지나 유전율이 87까지 증가하며, 특히 소결온도를 1350℃까지 낮출수 있는 장점을 가진다.
CeO2가 첨가된 조성은(시료번호 8∼10) CeO2의 첨가량이 증가함에 따라 유전율은 감소하나 Q×fo값이 12000까지 증가하였다.
WO3의 첨가는(시료번호 11, 12) 유전율의 감소를 가져오나 Q×fo를 증가시키며, 특히 소결온도를 1380℃까지 낮추는 효과를 갖는다.
Mn(NO3)2·nH2O의 첨가는(시료번호 13∼15) Q×fo를 10000까지 증가시켰으며 이때 소결온도는 1400℃이었다.
BaWO4와 SrWO4의 첨가는 (시료번호 16∼20) 유전율을 감소시키나 Q×fo값을 증가시키며 소결온도는 1380℃이었다.
Bi2O3, CeO2, BaWO4가 동시에 첨가된 조성은 (시료번호 21∼23) 유전율 80∼84, Q×fo값 8800이상이며 특히 소결온도가 1330℃로 낮으며, 또한 소결시 zirconia setter powder와도 반응하지 않아 안정된 생산을 할 수 있는 장점을 가진다.
표 2는 본발명에 의해 개발된 유전율 80재료와 기존의 유전율 37, 45인재료를 이용하여 S-band용 유전체 공진기를 제조할 경우 공진기의 크기를 비교하여 나타낸 것이다.
S-band에서 유전율에 따른 유전체 공진기의 크기 비교
NNo. 유전율 공진주파수(GHz ±20MHz) 공진기 Size (mm ±0.1)
공진기 내경 공진기 외경 공진기 두께
1 37 3.25 3.10 17.11 6.30
3.50 3.10 16.00 5.59
3.80 2.11 13.84 6.05
2 45 3.25 3.10 14.86 6.35
3.50 2.11 13.84 5.77
3.80 2.11 12.83 5.23
3 80 3.25 2.11 11.05 4.88
3.50 2.11 10.29 4.52
3.80 2.11 9.52 4.14
표 2에서 볼 수 있는 것처럼 유전율 80인 재료를 이용하면 공진기의 크기를 공진주파수 3.25GHz인 경우 내경 2.11mm, 외경 11.05mm, 두께 4.88mm까지 줄일 수 있으며, 공진주파수 3.8GHz인 경우에는 내경 2.11mm, 외경 9.52mm, 두께 4.14mm까지 줄일 수 있음을 알 수 있다.
따라서 본발명에 의한 유전체 조성물은 S-band 대역에서 LNB용 유전체 공진기로 사용할수 있으며, LNB의 소형화에 적합한 재료이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 유전체 조성물은 78∼88의 높은 유전율을 가지면서도 품질계수(Q×fo) 값이 7000∼10000으로 우수하며 공진주파수 온도계수를 0 ±10ppm/℃ 범위에서 용이하게 조절할수 있어 TEM Mode 유전체 공진기, 유전체 필터등으로 사용하기에 적합하며, 특히 S-band 대역에서 LNB용 유전체 공진기로 사용하기에 적합한 재료이다.

Claims (7)

  1. 다음의 일반식
    4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O3]+ 13.8TiO 2
    으로 표시되며, 여기서 x는 0.15 ≤x ≤0.35 범위의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 첨가제로서 Bi2O3, CeO2, WO3, Mn(NO3 )2·nH2O, BaWO4, SrWO4 중에서 선택되는 어느 하나 이상이 중량비로 5% 이내의 범위에서 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 첨가물들은 중량비로 Bi2O3 의 경우 0 ~ 2.0, CeO2 의 경우 0 ~ 4.0, WO3 의 경우 0 ~2.0, Mn(NO3)2·nH2O 의 경우 0 ~0.5, BaWO4 의 경우 0 ~ 2.0, SrWO4 의 경우 0 ~ 1.0 의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유전체 조성물은 유전율이 78 ~ 87의 범위이고, 품질계수값이 8000 ~ 12000의 범위이며, 공진주파수 온도계수가 0 ±10ppm/℃의 범위인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물.
  5. Ba 화합물의 출발물질로 BaTiO3를 준비하고,
    BaTiO3와 TiO2, Sm2O3, Nd2O3를 4.2BaTiO3 + 4.6[(1-x)Sm2O3, xNd2O3]+ 13.8TiO2 의 몰비에 맞게 칭량하고, 여기서, x는 0.15≤x≤0.35 의 범위의 값을 가지며,
    상기 칭량된 물질에 첨가물로서 Bi2O3, CeO2, WO3, Mn(NO3)2·nH2O, BaWO4, SrWO4 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 중량비로 5% 이내의 범위에서 혼합하고,
    혼합 분말을 하소, 성형 및 소결하는 것으로 이루어지는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 하소 온도는 1000℃이며, 소결 온도는 1300 ~ 1400℃의 범위이고, 하소 및 소결시 승온속도는 5℃/min 인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 각 첨가물들은 중량비로 Bi2O3 의 경우 0 ~ 2.0, CeO2 의 경우 0 ~ 4.0, WO3 의 경우 0 ~2.0, Mn(NO3)2·nH2O 의 경우 0 ~0.5, BaWO4 의 경우 0 ~ 2.0, SrWO4 의 경우 0 ~ 1.0 의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹 조성물 제조방법.
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