KR100558442B1 - 내환원성 유전체 자기조성물과 이를 이용한 적층세라믹콘덴서 및 그 제조방법 - Google Patents

내환원성 유전체 자기조성물과 이를 이용한 적층세라믹콘덴서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내환원성 유전체 자기조성물과 이를 이용한 적층세라믹 콘덴서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 유전체 자기조성물은, (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTi yMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과,
Al2O3:0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성된다. 본 발명에서는 이 유전체 자기조성물을 유전체층으로 하고 비금속의 도전성분을 내부전극으로 하는 적층세라믹 콘데서와 그 제조방법 역시 제공된다.
내환원성, 콘덴서, Mn 산화물, 유리조성물

Description

내환원성 유전체 자기조성물과 이를 이용한 적층세라믹 콘덴서 및 그 제조방법{NON-REDUCINLE DIELECTRIC CERAMIC COMPOSITION, MULTILAYER CERAMIC CHIP CAPACITOR USING THE COMPOSITION AND METHOD FOR PREPARING THE MULTILAYER CERAMIC CHIP CAPACITOR}
본 발명은 내환원성 유전체 자기 조성물과 이를 이용한 적층세라믹 콘덴서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전율이 40이상이고 정전용량 온도변화율이 0±60ppm/℃ 또는 750±120ppm/℃ 를 만족시켜 온도보상용으로 사용가능한 유전체 자기 조성물과 이를 이용한 자기콘덴서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기, 전자기기 산업의 발전에 따라 소형이면서 대용량의 전자부품에 대한 요구가 커지고 있다. 적층세라믹 콘덴서는 전극과 고유전율계 세라믹을 교대로 적층한 다층구조로서, 소형이면서 대용량이라는 특징에 의해 폭 넓게 사용되고 있다.
적층 세라믹 콘덴서는 귀금속인 Ag, Pd를 내부전극으로 채용하는 경우에는 유전재료로서 TiO2, BaTiO3, MgTiO3, CaTiO3, Re2O 3(Re는 희토류 금속) 등을 단체 또는 이들의 조합에 의해 목적하는 특성을 확보하고 있다.
그러나, Ag, Pd는 고가인 관계로 값싼 Ni 또는 Ni합금 등의 비금속을 내부전극으로 많이 이용하고 있다. Ni과 같은 비금속의 내부전극은 대기중에서 유전체층과 동시 소성되면 산화되므로, 환원성분위기에서 소성하여야 한다. 그러나, 환원성분위기에서 유전체층은 환원되어 비저항이 낮아진다. 따라서, 내환원성 유전체 자기조성물이 개발되고 있다.
내환원성 유전체 자기조성물로는 (Ca,Sr)(Zr,Ti)O3 계가 많이 이용되고 있으며, 그 예로는 일본 공개특허공보 63-126177, 63-289709 등이 있다.
일본 공개특허공보 63-126177호에는 (Sr1-x Cax )m (Zr1-y Ti y )O3의 주조성물과 MnO2, Li2O, RO(R:Ba, Sr, Ca, Mg), (Ti, Si)O2, Al2O3 의 부성분으로 조성되는 내환원성 유전체 자기조성물이 제시되어 있다.
일본 공개특허공보 63-289709호에는 (Sr1-x Cax )m (Tir1-y Zry )O3의 주조성물에 Mn, SiO2의 부성분을 함유하는 내환원성 유전체 자기조성물이 제시되어 있다.
이들 선행기술은 유전체층을 박층화할 때 신뢰성이 부족한 것으로 알려져 있다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 일본 공개특허공보 10-335169호에는 [(CaxSr1-x )O]m [(TiyZr1-y )O2]의 주조성물과 Mn산화물, Al산화물, 유리조성물로서 [(BazCa1-z)O]VSi2의 부성분을 포함하는 비유전체 자기재료가 제안되어 있습니다. 이 유전체 자기조성물은 1300℃이하에서 소결가능한 것으로 유전율이 29~44이고, 온도계수가 -150~+150ppm/℃의 범위에서 임의 제어가능하며, 25℃에서 비정항이 1×1013Ωcm이상의 특성을 가지고 있다. 이 조성물의 경우 소성온도가 높으므로 소성과정에서 내부전극과 세라믹층간의 수축편차가 심하므로 크랙 등 결함이 발생하기 쉬우므로 소성온도를 낮출 필요가 있다. 즉 니켈내부전극은 약 700℃이상부터 수축하기 시작하지만 세라믹은 약 1200℃부터 수축하므로 이 두 온도사이에서는 내부전극이 세라믹층을 층과 평행한 방향으로 당기게 되어 크랙이 발생한 소지가 있다. 또한 이 조성물은 유전율이 낮으므로 필름콘덴서를 대체하는 경우 표면실장시 차지하는 면적이 크기 때문에 유전율이 더 높은 조성물이 필요하다.
본 발명은 -55~+125℃ 범위에서 용량온도계수가 EIA COH(0±60ppm/℃) 내지 U2J(750±120ppm/℃)를 만족시키며 유전율이 40이상인 유전체자기 조성물과 이를 이용한 적층세라믹 콘덴서와 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유전체 조성물은,
(Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과,
Al2O3: 0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성되는 것이다.
또한, 본 발명의 적층세라믹 콘덴서는,
복수의 유전체 세라믹 층과 상기 유전체 세라믹 층 사이에 형성된 내부 전극 및 상기 내부 전극에 전기적으로 접속된 외부 전극을 포함하고,
상기 유전체 세라믹 층은,
(Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과,
Al2O3:0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성되는 유전체 조성물의 소결체이고, 상기 내부 전극은 비금속의 도전 성분을 포함한다.
본 발명의 적층세라믹 콘덴서의 제조방법은,
주성분의 합성분말과 부성분을 혼합한 슬러리를 유전체 시트로 성형하고, 유전체 시트 사이에 내부전극을 형성하고 소결하는 적층세라믹 콘덴서의 제조방법에 있어서, 상기 유전체 시트가 출발원료로서 CaCO3, SrCO3, ZrO2, TiO2 및 Mn계 화합물을 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 조성으로 칭량하고 하소하여 얻은 합성분말과 부성분으로 Al2O3: 0.01~5.0중량%, (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인):1.0~6.0중량%를 혼합한 슬러리를 성형한 것이며, 상기 소결은 1200~1320℃ 온도에서 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 (Ca,Sr)(Zr,Ti)O3를 주성분으로 하는 내환원성 유전재료에서 Mn을 주성분으로 하는데 특징이 있다. Mn이 부성분으로 첨가되는 경우에는 결정립계에 존재하는데 반해, 주성분으로 첨가하게 되면 결정립내에 존재하여 엑셉터로서 작용함으로써 저항을 높여준다. 또한, 본 발명에서는 Mn을 주성분으로 사용하는 내환원송 유전체 자기조성물에서 유리조성물로서 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)를 사용하는데도 특징이 있다. 이러한 본 발명의 유전재료에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 내환원성 자기조성물은, 부성분으로 Al2O3: 0.01~5.0중량%, (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2:1.0~6.0중량% 및 나머지 (Ca1-xSr x)(Zr1-y-zTiyMnz)O3의 주성분 으로 조성된다.
주성분은 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3의 일반식으로 가지는데, 여기서 x, y, z는 몰비율로 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04를 만족한다.
여기서 x는 몰비율로 0.05~1.0이 바람직하다. x가 0.05미만의 경우에는 유전율이 저하되며, x가 1.0초과의 경우에는
또한, y는 몰비율로 0.04~0.15가 바람직하다. y가 0.04미만의 경우에는 유전율이 저하되며, y가 0.15초과의 경우에는 정전용량의 온도계수가 좋지 않다.
또한, z는 몰비율로 0.005~0.04가 바람직하다. z가 0.005미만의 경우에는 소결이 잘 안되며, z가 0.04초과의 경우에는 저항이 떨어진다.
본 발명에서 부성분인 Al2O3는 0.01~5.0중량% 함유되는 것이 바람직하다. Al2O3의 함량이 0.01중량% 미만의 경우에는 소결조제제의 부족으로 소결이 잘 안되며, Al2O3의 함량이 5.0중량% 초과의 경우에는 유전율과 평균수명이 감소한다.
본 발명에서 유리조성물은 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2의 일반식을 가지며, 여기서 a, b는 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6을 만족하다.
본 발명에서 유리조성물의 함량은 1.0~6.0중량%가 바람직하다. 글래스 조성물의 함량이 1.0중량% 미만의 경우에는 소결이 잘 안되며, 6.0중량% 초과의 경우에 는 비저항과 유전율이 감소한다. 또한, 몰비율로 a가 0.1 미만의 경우에는 소결성과 유전율의 특성이 감소하며, a가 0.7을 초과하는 경우 유리조성물의 휘발성이 증가하여 소결성이 감소된다. 몰비율로 b가 0.2미만일 경우 또한 소결성이 감소하며 0.6초과인 경우에는 유전율과 신뢰성이 감소하게 된다.
본 발명의 적층세라믹 콘덴서는 복수의 유전체 세라믹층과 상기 유전체 세라믹 층 사이에 형성된 내부전극 및 상기 내부전극에 전기적으로 접속된 외부전극을 포함한다. 본 발명에서는 상기 유전체 세라믹 층은 상기 내환원성 자기조성물을 이용한다. 즉, (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3 (단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과, Al2O3: 0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO 2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성되는 유전체 자기 조성물의 소결체를 이용하는 것이다.
또한, 상기 내부전극은 비금속의 도전성분이면 가능하며, 대표적인 예로서 Ni, Cu 등이 있다.
본 발명의 적층세라믹 콘덴서의 제조방법은,
먼저 출발원료로서, CaCO3, SrCO3, ZrO2, TiO2 및 Mn계 화합물을 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 조성으 로 칭량한 후 혼합하고 건조후 하소한 다음, 분쇄하여 합성분말을 얻는다. 상기 Mn계 화합물은 MnOm(1≤m≤2) 또는 MnCO3가 있으며, 이때의 하소는 1000~1200℃가 바람직하다. 소성온도가 1000℃미만이면 성분간 반응이 부족하여 소결밀도가 저하되며 1200℃이상이면 분쇄시간이 지나치게 증가하므로 부적합하다.
다음으로 상기 합성분말에 부성분으로 Al2O3: 0.01~5.0중량%, (1-a-b)B2O 3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인):1.0~6.0중량%, 나머지 상기 합성분말로 혼합하여 건조한다.
상기 건조한 분말을 통상적으로 사용하는 바인더와 용매를 첨가하여 슬러리를 제조한 다음, 상기 슬러리를 이용하여 일정 형태의 시트상으로 형성한다.
성형된 시트위에 내부전극을 인쇄하고 인쇄된 시트를 다수개 적층하여 가압한다. 상기와 같이 적층된 적층물을 1200~1320℃의 온도에서 소결한다. 상기 소결칩의 양단에 외부전극을 형성한다. 소결온도가 1200℃ 미만이면 소결밀도가 충분하지 않으며 소결온도가 1320℃보다 높으면 결정립이 과다 성장하여 유전특성이 저하되고 내부전극 끊어짐이 심하여 용량이 감소되므로 부적합하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
주원료에 대한 출발원료로서 순도 99.5%이상의 순도를 갖는 CaCO3, SrCO3, ZrO, TiO2, MnOm(1≤m≤2) 또는 MnCO3 를 표 1의 주성분을 만족하도록 칭량한 후 물을 매질로 하여 볼 밀에서 20-40시간 혼합하였다. 이 혼합물을 건조 후 1000~120℃에서 하소하고 분쇄하여 합성하였다.
이 합성 분말에 Al2O3 및 표 1의 글래스 조성을 만족하도록 미리 하소 및 분쇄하여 제조한 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2 를 습식 혼합한 후 건조하였다.
상기 건조된 분말을 바인더와 용매를 첨가하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 이용하여 일정 형태의 시트상으로 성형하였다. 성형된 시트위에 Ni 내부전극을 인쇄하고, 인쇄된 시트를 다수개 적층하여 가압하였다. 상기와 같이 적층된 적층물을 일정 크기로 절단하고, 탈바인더한 다음, 성형체를 1200~1320℃ 온도 H2-H2O-N2 분위기에서 소결하였다. 이 소결칩의 양단에 구리를 주성분으로 하는 외부전극을 형성하여 적층세라믹 콘덴서를 제조하였다. 얻어지 칩샘플은 2.0mm×1.2mm×1.0mm 크기이고 유전체층은 6um, 층수는 5층으로 구성되었다. 이 칩샘플에 대해 전기적특성을 조사하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
전기적특성으로,
유전율은 1kHz, 1Vrms, 25℃의 조건으로 측정하고 정전용량의 온도계수는 25℃에 있어서 정전용량 C25 및 125℃에서의 정전용량 C125로부터 아래 식1에 의해 구하였다.
[계산식 1]
TCC(ppm/℃)={(C125-C25)/C25}×{1/(125-25)}×106
비저항(Ωcm)은 25℃에서 DC50V를 60초간 인가하여 측정하였다.
절연저항의 가속수명은 150℃, 100V/um의 조건하에 기준이하의 저항이 되기까지의 시간을 측정 수명시간으로 하였다.
시료번호 주성분 부성분
(Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3 Al2O3 (중량%) (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2
중량% x y z (중량%) a b
비교재1 97.5 0.01 0.04 0.015 1.5 1.0 0.25 0.41
발명재1 97.1 0.20 0.09 0.018 1.7 1.2 0.20 0.38
발명재2 97.6 0.50 0.10 0.012 1.2 1.2 0.35 0.40
비교재2 97.0 0.45 0.02 0.020 1.0 2.0 0.15 0.50
발명재3 96.4 0.40 0.04 0.010 1.8 1.8 0.25 0.41
발명재4 97.1 0.42 0.09 0.013 1.4 1.5 0.22 0.43
발명재5 97.7 0.05 0.15 0.011 2.5 2.2 0.13 0.50
비교재3 97.3 0.37 0.28 0.010 0.9 1.8 0.35 0.33
발명재6 97.2 0.45 0.10 0.030 1.3 1.5 0.24 0.40
비교재4 97.9 0.42 0.12 0.060 1.1 1.0 0.22 0.40
발명재7 95.3 0.50 0.09 0.020 3.0 1.7 0.35 0.45
비교재5 92.4 0.30 0.10 0.012 6.0 1.6 0.32 0.44
발명재8 95.7 0.25 0.12 0.009 1.3 3.0 0.30 0.47
비교재6 91.8 0.27 0.13 0.011 1.2 7.0 0.33 0.46
비교재7 96.5 0.22 0.12 0.010 1.5 1.0 0.05 0.58
시료번호 소성온도(℃) 유전율 비저항(Ωcm) TCC(ppm/℃) 평균수명(hr)
비교재1 1300 38 1.7×1015 -54 224
발명재1 1260 57 3.4×1015 -145 >400
발명재2 1250 61 7.2×1015 -226 355
비교재2 1250 37 4.3×1015 +77 368
발명재3 1280 41 8.8×1014 +6 >400
발명재4 1270 52 4.1×1014 -210 >400
발명재5 1250 46 5.1×1015 -418 321
비교재3 1250 69 7.9×1014 -890 213
발명재6 1250 49 1.1×1015 -207 >400
비교재4 1240 55 9.4×1015 -234 87
발명재7 1260 46 1.9×1015 -244 285
비교재5 1240 39 3.3×1014 -157 123
발명재8 1250 49 9.2×1013 -140 329
비교재6 1230 35 1.1×1010 -137 57
비교재7 1310 38 4.1×1014 -197 159
표 1, 2에 나타난 바와 같이, 주성분인 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMn z)O3에서 x가 0.05미만인 비교재1 또는 y가 0.04미만인 비교재2의 경우에는 유전율이 40미만으로 감소하여 고용량화에 부적합하였다.
또한, 비교재3과 같이 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O 3에서 y가 0.15초과인 경우에는 정전용량의 온도계수가 U2J 허용편차를 벗어나 부적합하였다.
비교재4와 같이 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3 에서 Mn량인 z가 0.04로 과다한 경우 평균수명이 과소하여 부적합하였다.
비교재5와 같이 부성분 Al2O3량이 5중량%보다 많이 첨가된 경우 유전율과 평균수명이 감소하여 부적합하였다.
또한 비교재6과 같이 부성분 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2양이 과다한 경우 비저항과 유전율이 감소하여 부적합하였다.
비교재7과 같이 a값이 0.1미만으로 과소한 경우 소결성과 유전율 등 특성이 감소하므로 부적합하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유전율이 40이상으로 종래에 비해 높고, 0±60ppm/℃ 또는 750±120ppm/℃의 온도계수를 갖는 내환원유전체 조성물이 제공된다. 또한, 본 발명에서는 조성. 첨가 성분중 일부를 주재료 합성시 미리 하소하는 방법으로 첨가함으로써 고신뢰성을 구현할 수 있다. 종래에 비해 높은 유전율을 얻을 수 있으므로 고용량화에 유리하여 DC 필름콘덴서를 대체할 수 있으며, 전극재료에 비금속을 이용하는 것이 가능함으로써 제조비용을 대폭 저하시키는 것이 가능한 유전체자기조성물과 이 조성물을 적용한 자기콘덴서 및 그 제조방법이 제공된다.

Claims (4)

  1. (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과,
    Al2O3: 0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성되는 내환원성 유전체 자기조성물.
  2. 복수의 유전체 세라믹 층과 상기 유전체 세라믹 층 사이에 형성된 내부 전극 및 상기 내부 전극에 전기적으로 접속된 외부 전극을 포함하고,
    상기 유전체 세라믹 층은,
    (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 주성분과,
    Al2O3: 0.01~5.0중량% 및 (1-a-b)B2O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인)의 유리 조성물:1.0~6.0중량%의 부성분으로 조성되는 유전체 자기조성물의 소결체이고, 상기 내부 전극은 비금속의 도전 성분을 포함하는 적층 세라믹 콘덴서.
  3. 주성분의 합성분말과 부성분을 혼합한 슬러리를 유전체 시트로 성형하고, 유전체 시트사이에 내부전극을 형성하고 소결하는 적층세라믹 콘덴서의 제조방법에 있어서, 상기 유전체 시트가 발원료로서 CaCO3, SrCO3, ZrO2, TiO2 및 Mn계 화합물을 (Ca1-xSrx)(Zr1-y-zTiyMnz)O3(단, 0.05≤x≤1.00, 0.04≤y≤0.15, 0.005≤z≤0.04)의 조성으로 칭량하고 하소하여 얻은 합성분말과 Al2O3: 0.01~5.0중량%, (1-a-b)B2 O3-aZnO-bSiO2(단, 0.1≤a≤0.7, 0.2≤b≤0.6인):1.0~6.0중량%의 부성분을 혼합한 슬러리를 성형한 것이며, 상기 소결은 1200~1320℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 Mn계 화합물은 MnOm(1≤m≤2) 또는 MnCO3이며, 상기 하소는 1000~1200℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 적층세라믹 콘덴서의 제조방법.
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