KR100563453B1 - 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 유전체 세라믹 조성물은 800℃ 이하의 저온에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라 유전율(

_r)이 30~40이고, 품질계수(Q×f₀)가 5,000~9,000 GHz이며, 공진 주파수 온도계수(

_f)의 범위가 -20∼-30 ppm/℃이어서 고주파용 유전체 세라믹 부품의 재료로 사용될 수 있는 우수한 특성을 갖는다.

[화학식 1]

Bi₁₂SiO₂₀ ·x B₂O₃

(상기 식에서 2몰%

x

30몰% 이다.)

유전체, 세라믹, 고주파유전체, BS, B2O3

Description

유전체 세라믹 조성물 및 그 제조 방법{Dielectric ceramic composition and manufacturing method thereof}

도 1은 소결온도(sintering temperature)와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 본 발명의 유전체 조성물의 품질계수(Q×f₀)의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 2는 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 본 발명의 유전체 조성물의 유전율(

_r)의 변화를 나타낸 그래프이며,

도 3은 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 본 발명의 유전체 조성물의 공진주파수 온도계수(

_f)의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 유전율(

_r)과 품질계수(Q×f₀), 그리고 안정된 공진주파수 온도계수(

_f)를 가지며 저온에서도 소결 가능한 고주파용 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 이동통신산업의 발전에 따른 통신용 기기의 소형화, 경량화 및 복합 다기능화 경향으로 인해 수동 부품소자의 적층화와 복합화에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이러한 요구를 충족시키기 위한 다양한 유전율 재료의 개발과 저온소성 기술 개발이 함께 요구되고 있다.

현재 적층부품에 사용되고 있는 유전체 세라믹 조성물은 대부분 BaTiO₃가 기본조성이며, 소결온도를 낮추기 위해 산화물 소결조제 또는 유리(glass frit)를 첨가하고 있다.

그러나 이러한 조성을 갖는 유전체 조성물들은 소결온도가 950℃ 이상으로 비교적 높고, 내환원성을 갖고 있으며, 유전손실이 크기 때문에 MHz 이상에서는 사용이 어렵다는 문제점이 있다.

또한 이들의 온도변화에 따른 유전율의 변화가 수백 ppm/℃이기 때문에 이동통신용 부품에는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

일반적으로 고주파 유전체 세라믹 재료들은 1000℃ 이상에서 소결되어 내부 전극재료로서 전도성이 떨어지거나 값비싼 재료들이 사용된다.

상대적으로 값이 싸고 전기전도성이 좋은 Ag나 Cu 등을 사용하기 위해서는 950℃ 이하의 저온에서 소성이 가능해야 하므로 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나, 현재 연구되는 재료의 경우 유전율이 20 이하로 제한되며, 전극과의 반응으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

본 발명은 종래의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 높은 유전율(

_r)과 품질계수(Q×f₀), 그리고 안정된 공진주파수 온도계수(

_f)를 가지며 저온에서도 소결 가능한 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 소결 온도를 낮추기 위하여 B₂O₃를 첨가한 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법을 제공함으로써 달성되는데, 상기 유전체 세라믹 조성물은 800℃ 이하의 저온에서 소결 가능하고, 30~40의 유전율(

_r), 5,000∼9,000 GHz의 품질계수(Q×f₀), 그리고 -20∼-30 ppm/℃의 공진주파수 온도계수(

_f)를 가진다.

본 발명은 하기 화학식 1과 같이 조성되는 저온 소결이 가능한 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Bi₁₂SiO₂₀ ·x B₂O₃

(상기 식에서 2몰%

x

30몰% 이다.)

상기 유전체 세라믹 조성물에 있어서, 상기 B₂O₃가 전체 조성물에 대하여 2 몰% 보다 적게 첨가될 경우에는 저온 소결이 잘 되지 않으며, 30몰% 보다 많이 첨가될 경우에는 소결성이 더 이상 향상되지 않는다.

상기 화학식 1의 저온 소결이 가능한 유전체 세라믹 조성물의 제조방법은, Bi₂O₃ 와 SiO₂ 분말을 습식 혼합하여 건조시킨 다음 약 700℃에서 약 2시간 동안 하소한 후 분쇄하여 BS 분말을 제조하는 단계와; 상기 하소된 BS 분말에 B₂O₃ 분말을 첨가하고 습식혼합한 후 건조하는 단계와; 상기 건조 시료를 가압 성형한 후 740 ~ 800℃에서 약 2시간 동안 소결하는 단계를 포함하여 구성된다.

이 때, 상기 Bi₂O₃와 SiO₂는 가장 안정된 기지상을 이룰수 있는 6 : 1의 몰비로 습식 혼합된다.

본 발명에 있어서, 상기 BS (Bi₁₂SiO₂₀) 분말 제조시의 하소 온도와 하소 시간은 각각 약 700℃와 약 2시간인 것이 바람직한데, 상기 온도와 시간을 벗어날 경우 BS 분말의 하소가 잘 되지 않는다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 유전체 세라믹 조성물 제조시의 소결 온도와 소결 시간은 각각 740 ~ 800℃와 약 2시간인 것이 바람직한데, 상기 온도와 시간을 벗어날 경우 소결이 잘 되지 않거나 소결불량이 발생하는 문제점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 이제 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼5

1. 초기 원료인 순도 99.9%의 Bi₂O₃ 및 SiO₂를 6:1의 몰비로 평량한 후 나일론 자(nylon jar)에서 지르코니아 볼과 함께 24시간 동안 알콜 용매를 사용하여 습식 혼합하였다.

2. 상기 습식 혼합물을 건조시킨 후 약 700℃에서 약 2시간 동안 하소한 다음 분쇄하여 BS 분말을 제조하였다.

3. 상기 하소된 BS 분말에 B₂O₃ 분말을 각각 2, 5, 10, 20 및 30 몰%씩 첨가한 후, 24시간 동안 알콜 용매를 사용하여 습식혼합한 후 건조하였다.

4. 상기 건조 시료를 직경이 10mm, 높이가 약 6mm인 실린더형 성형체로 가압 성형 후 740℃에서 약 2시간 동안 소결하였다.

실시예 6∼10

소결온도를 770℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1∼5와 동일한 방법으로 유전체 세라믹 조성물을 제조하였다.

실시예 11∼15

소결온도를 800℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1∼5와 동일한 방법으로 유전체 세라믹 조성물을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 유전체 세라믹 조성물들은 X-선 회절분석 결 과 B₂O₃를 첨가하더라도 기지상인 BS상 외에 다른 이차상 피크(peak)는 관찰되지 않았고, 구조 변화도 없었다.

또한, 상기 조성물들의 선 수축율은 17%이상으로 나타나 소결이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다.

실험예 1

상기 실시예 1∼15에서 제조된 본 발명의 유전체 세라믹 조성물에 있어서, B₂O₃ 산화물 첨가량에 따른 유전체 재료의 품질계수(Q×f₀)를 소결 온도의 변화에 따라 측정하고 그 결과를 도 1에 나타냈다.

상기 실험에서 품질계수는 Hakki & Coleman 방법으로 측정하였다.

상기 실험 결과, 740℃에서 소결한 시료 조성에서 B₂O₃를 2몰% 첨가한 경우 품질계수(Q×f₀)가 7,200 GHz 이상의 높은 값을 나타냈다.

또한, 800℃에서 소결한 시료 조성에서 B₂O₃를 20몰% 첨가한 경우 품질계수(Q×f₀)가 8,200 GHz 이상의 높은 값을 나타냈다.

실험예 2

상기 실시예 1∼15에서 제조된 본 발명의 유전체 세라믹 조성물에 있어서, B₂O₃ 산화물 첨가량에 따른 유전체 재료의 유전율(

_r)을 소결 온도의 변화에 따라 측정하고 그 결과를 도 2에 나타냈다.

상기 실험에서 유전율은 Hakki & Coleman 방법으로 측정하였다.

상기 실험 결과, 740℃에서 소결한 시료 조성에서 B₂O₃를 2몰% 첨가한 경우 유전율이 약 39의 값을 보였으며, 800℃에서 소결한 시료 조성에서 B₂O₃를 20몰% 첨가한 경우 유전율이 31.5의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3

상기 실시예 6∼15에서 제조된 본 발명의 유전체 세라믹 조성물에 있어서, B₂O₃ 산화물 첨가량에 따른 유전체 재료의 공진주파수 온도계수(

_f)를 소결 온도의 변화에 따라 측정하고 그 결과를 도 3에 나타냈다.

상기 실험에서 공진주파수 온도계수는 cavity법으로 측정하였다.

상기 실험 결과, 2몰% ~ 30몰%의 B₂O₃ 조성범위내에서 -20~-30ppm/℃의 안정한 공진주파수 온도계수를 나타냈다.

본 발명에 있어서, 10몰%의 B₂O₃를 첨가하고 800도℃에서 2시간 소결한 유전체 세라믹 조성물이 유전율(Er)은 33.5, 품질계수(Q×f₀)는 6500, 그리고 공진주파수 온도계수(

_f)는 -26ppm/℃으로 가장 바람직한 특성을 나타냈다.

상기와 같은 본 발명의 유전체 세라믹 조성물은, 800℃ 이하의 저온에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라 유전율(

_r)이 30~40이고, 품질계수(Q×f₀)가 5,000~9,000 GHz이며, 공진 주파수 온도계수(

_f)의 범위가 -20∼-30 ppm/℃이어서 고주파용 유전체 세라믹 재료로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 유전체 세라믹 조성물은 저온소결용 유전체 세라믹 부품에 요구되는 유전 특성도 충족시키므로 수동소자의 후막 적층 칩 소자의 개발에 널리 활용될 수 있다.

Claims (5)

1. 하기 화학식 1의 유전체 세라믹 조성물.

   [화학식 1]

   Bi₁₂SiO₂₀ ·x B₂O₃

   (상기 식에서 2몰%

   

   x

   

   30몰% 이다.)
2. Bi₂O₃ 와 SiO₂ 분말을 습식 혼합하여 건조시킨 다음 약 700℃에서 약 2시간 동안 하소한 후 분쇄하여 BS 분말을 제조하는 단계와;

   상기 하소된 BS 분말에 B₂O₃ 분말을 첨가하고 습식혼합한 후 건조하는 단계와;

   상기 건조 시료를 가압 성형한 후 740 ~ 800℃에서 약 2시간 동안 소결하는 단계를 포함하여 구성되는, 상기 화학식 1의 유전체 세라믹 조성물의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 Bi₂O₃와 SiO₂가 6 : 1의 몰비로 습식 혼합되는 것을 특징으로 하는, 상기 화학식 1의 유전체 세라믹 조성물의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 B₂O₃ 가 2몰% ~ 30몰%로 첨가되는 것을 특징으로 하 는, 상기 화학식 1의 유전체 세라믹 조성물의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 유전율이 30~40인 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹 조성물.

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