KR100573393B1 - 고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품에 관한 것으로, 일반식 Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xB₂O₃(2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)로 이루어진 고주파용 유전체 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 고주파용 유전체 조성물은 높은 유전율(ε_r)과 품질계수(Q×f₀), 그리고 7∼-17ppm/℃의 범위를 가지는 공진주파수 온도계수(τ_f)를 가지고 있고, 이러한 유전체 조성물의 소결공정의 온도는 950℃ 이하로 저온소결용 고주파 유전체 세라믹스 부품의 재료로서 사용될 수 있는 우수한 특성을 갖는 고주파 유전체 조성물이다.

유전체, 세라믹스, BMN

Description

고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품{Dielectric Ceramic Compositions for High Frequency And Dielectric Components Using The Same}

도 1은 본 발명에 따라 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 품질계수(Q×f₀)의 변화를 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 따라 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 유전율(ε_r)의 변화를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따라 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 따라 소결온도와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 밀도변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 950℃ 이하의 저온에서 소결 가능한 저온 소결 재료로서, 유전율(ε_r)이 20 이상, 품질계수(Q×f₀)가 5,000 이상이면서 안정된 공진주파수 온도계수(τ_f)를 가지며 저온에서도 소결 가능한 고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품에 관한 것이다.

최근 무선 전화기, 자동차 전화기 등의 이동 통신, 위성 방송, 위성 통신 등에 주파수 대역이 300MHz∼300GHz인 마이크로파를 이용한 통신 시스템이 현저하게 발전하고 있으며, 개인 휴대 통신의 발달과 더불어 단말기의 소형화가 보편화됨에 따라 이에 사용되는 부품의 소형, 고 경량화, 표면 실장화가 가능한 적층형 부품의 요구가 증가되고 있다.

특히 통신용 기기의 핵심 부품인 필터, 듀플렉서, 공진기, 안테나 등의 수동 소자는 소형화가 곤란했던 부품이었으나, 저온 소결 소재를 이용한 후막 적층 칩 소자들이 가능하게 되었다.

유전체 내에서 마이크로파의 파장은 유전율(ε_r)의 1/2승과 주파수에 반비례하므로 부품의 소형화를 위해서는 유전율(ε_r)과 사용 주파수가 커야 한다.

일반적으로 유전율(ε_r)과 품질계수(Q×f₀)는 반비례 관계에 있으며, 부품의 소형화를 위해서는 큰 유전율(ε_r)을 갖는 유전체 소재가 요구되나 앞에서 언급되었듯이 사용 주파수가 1∼2GHz 이상으로 커짐에 따라 부품의 크기가 충분히 작아져 현재 유전율(ε_r) 20∼40 영역의 소재가 이용되고 있으며 각종 칩, 안테나, 칩 필터 등에 활발히 이용되어지고 있다.

A(B'B")O₃으로 표현되는 복합 페로브스카이트 재료는 저손실을 갖는다는 특징 때문에 그동안 고주파 유전체 재료에 많이 연구되어 왔다.

이 중에 Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃(이하, "BMT"로도 표시함)와 Ba(Zn _1/3Ta_2/3)O₃(이하, "BZT"로도 표시함)는 고주파 공진기 재료로서 특히 많이 연구되어 왔고, 높은 품질계수(Q×f₀) 값을 나타낸다.

이 중에서 상기 BZT는 X-band 대역에서 적용이 가능하나 제조 공정상에서 ZnO가 휘발하는 문제점이 있으며, 또한 원하는 특성을 얻기 위한 제조 공정이 매우 까다로워 유전 특성의 재현성이 어려워 실제 적용이 어렵고, 또한 본 발명에 따른 Ba, Mg, Nb을 주성분으로 하는 유전체(이하, "BMN"으로 표시함)와 비슷한 유전 특성을 갖지만 소결 온도가 높은 단점이 있다.

한편, 상기 BMT는 유전율(ε_r)이 25, 품질계수(Q×f₀)가 100,000GHz 이상, 공진주파수 온도계수(τ_f)가 2.7ppm/℃으로서 공진기와 같은 마이크로파 통신 부품으로 아주 적합한 재료이지만, 높은 품질계수(Q×f₀)를 얻기 위해서 이론 밀도에 가까운 소결 밀도를 얻어야 하므로 유전체 세라믹 제조 시 1650∼1700℃ 이상의 높은 소결 공정을 거쳐야 한다.

또한 높은 품질계수(Q×f₀)에 비해 낮은 유전율(ε_r)을 가지고 있어 세라믹 제조 시 제조 비용이 높아 상업적으로 유용하지 않다.

따라서 상기 문제점을 해결하기 위하여 다른 연구자들은 복합 페로브스카이트의 A자리에 Sr 또는 Ca를 치환시키거나, La(Mg_1/3Nb_2/3)O₃(LMN)과 같은 복합 페로브스카이트의 고용체 또는 화학 양론적 조성을 바꾸어 유전 특성을 그대로 유지하면서 비교적 낮은 온도에서 소결 특성을 향상시키려고 하였다. 하지만, 이러한 노력에도 불구하고 여전히 고온에서 소결이 이루어져야 하는 문제점을 가지고 있다.

그리고, 상기 BMN의 경우에 높은 유전율과 품질계수를 가지는 유전체 세라믹스로 사용하기 위해서는 1450∼1500℃ 범위의 고온에서 소결이 이루어지는 점을 해소해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Ba, Mg, Nb을 주성분으로 하고, 유전율(ε_r)과 품질계수(Q×f₀)가 크고 공진 주파수의 온도계수(τ_f)를 조절할 수 있으며 950℃ 이하의 저온 소결이 가능한 고주파용 유전체 조성물 및 이를 이용한 고주파용 유전체 부품을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일반식 Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O ₃-xB₂O₃(2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)으로 조성되는 것을 특징으로 하는 고주파용 유전체 조성물을 제공한다.

그리고, 본 발명은 Ba, Mg, Nb, B₂O₃의 각 분말을 일반식 Ba(Mg_1/3Nb _2/3)O₃-xB₂O₃(2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)에 따라 조성하여 조성물을 얻는 단계; 상기 조성물을 가압 성형한 후에 소결하여 소결물을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파용 유전체 조성물의 제조 방법을 제공하며, 상기 Ba, Mg, Nb의 초기 원료는 각각 BaCO₃, MgO 및 Nb₂O₅이다.

아울러, 본 발명은 일반식 Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xB₂O₃ (2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)으로 조성되어 고주파용 유전체 부품으로 이용되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스의 조성물을 이용한 유전체 부품을 제공하며, 상기 고주파용 유전체 부품은 세라믹 필터 또는 공진기이다.

본 발명에서 상기 B₂O₃의 함량이 2.0mol% 보다 적으면 소결이 안되고, 40mol%보다 많으면 품질계수(Q×f₀) 및 공진주파수 온도계수(τ_f) 등의 유전 특성이 저하되므로 2.0∼40mol%로 한정하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.

[화학식 1]

Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xB₂O₃

상기 B₂O₃의 양(x)은 2.0mol% ≤ x ≤ 40.0mol%이다.

본 발명에 따른 고주파용 유전체 조성물 제조 방법에서, 첫 번째 공정은 BMN(Ba, Mg, Nb의 조성물) 분말을 제조하는 공정이다.

초기 원료인 순도 99.9%의 BaCO₃, MgO 및 Nb₂O₅를 상기 화학식 1의 BMN 조성에 맞게 평량한 후 나일론 자르(nylon jar)에서 지르코니아 볼과 함께 24시간 동안 알콜 용매를 사용하여 습식 혼합한다.

습식 혼합 분쇄한 상기 BMN 분말을 건조시킨 후, 1200℃에서 4시간 동안 하소하여 BMN 상을 합성하여 분말을 제조한다.

본 발명의 두 번째 공정은 하소한 BMN 분말에 B₂O₃ 산화물 첨가제를 2.0mol%∼40.0mol%으로 첨가하고 알콜 용매로 습식 혼합한 후 건조하는 공정이다.

상기 습식 혼합은 약 12시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명의 세 번째 공정은 상기 건조된 물질을 실린더 모양으로 가압 성형 후 900∼950℃에서 2시간 동안 소결하는 공정이다.

상기한 바와 같이 950℃ 이하의 비교적 저온에서도 소결이 가능한 이유는 상기 BMN 분말에 B₂O₃ 산화물을 2.0mol%∼40mol%로 첨가하였기 때문이다.

본 발명에 따라 제조된 고주파용 유전체 조성물을 900∼950℃의 온도에서 소결한 결과, 유전율(ε_r)이 19∼30.5이고 품질계수(Q×f₀)가 2,100∼13,500GHz이었다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

Ba, Mg, Nb의 각 초기 원료인 순도 99.9% 이상의 BaCO₃, MgO, Nb₂O₅ 분말을 상기 화학식 1의 BMN 조성에 맞게 평량한 후 1200℃에서 4시간 동안 반응시켜 상을 합성하여 BMN 분말을 제조하였다.

하소된 상기 BMN 분말에 B₂O₃ 화합물을 각각 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 및 40mol%씩 첨가한 후, 24시간 동안 알콜 용매를 사용하여 습식 혼합하고 건조하였다.

이어서, 제조된 시료를 직경이 10mm, 높이가 약 7mm인 실린더형 성형체로 가압 성형 후 930℃에서 2시간 동안 소결하였다.

소결체를 x-선 회절분석 결과 기지상인 BMN상과 일부 BaO, MgO, Nb₂O₅ 화합물이 일부 존재하는 것이 관찰 되었으나 회절 피크의 크기는 상대적으로 아주 작게 나타났다. 이러한 조성물의 선 수축율은 17% 이상으로 소결이 잘 이루어졌다.

도 1은 B₂O₃ 산화물 첨가량에 따른 유전체 재료의 품질계수(Q×f₀)를 소결 온도의 변화에 따라 나타낸 그림이다. 930℃에서 소결한 시료 조성에서 B₂O₃를 2mol% 첨가한 경우 품질계수(Q×f₀)가 8,600GHz 이상의 높은 값을 나타냈다.

도 2는 소결 온도(sintering temperature)와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 유전율(ε_r)의 변화를 나타낸 그래프로, 930℃ 온도에서 소결한 시료의 조성에서 B₂O₃를 5mol% 첨가한 경우로 유전율(ε_r)이 27 이상의 높은 값을 나타냈 다.

도 3은 소결온도(sintering temperature)와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타낸 그래프로, 930℃ 온도에서 소결한 시료의 공진 주파수 온도계수(τ_f)가 7∼-17ppm/℃의 범위를 나타냈다.

도 4는 소결온도(sintering temperature)와 B₂O₃의 첨가량 변화에 따른 BMN 세라믹스의 밀도변화를 나타낸 그래프로, 930℃ 온도에서 소결한 시료의 조성에서 B₂O₃를 5mol% 첨가한 경우 5.46의 가장 높은 밀도를 보여주고 있다.

그리고, 본 발명에 따른 유전체 조성물은 유전율(ε_r)이 19∼30.5이고, 품질계수(Q×f₀)가 2,100∼13,500GHz이며, 공진 주파수 온도계수(τ_f)의 범위가 7∼-17ppm/℃으로 조성의 변화에 따라 공진 주파수의 온도계수(τ_f)를 0ppm/℃ 근처로 조절이 가능하여 세라믹 필터 및 공진기 등 고주파용 유전체 세라믹스의 부품으로 사용되는 재료로서 사용될 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 저온에서 소결이 가능하고, 주파수 품질 계수 및 공진 주파수 온도계수 등의 유전 특성이 우수한 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의 해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 일반식 Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xB₂O₃(2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)으로 조성되는 것을 특징으로 하는 고주파용 유전체 조성물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 일반식 Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xB₂O₃(2.0mol% ≤ x ≤ 40mol%)으로 조성되어 고주파용 유전체 부품으로 이용되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스의 조성물을 이용한 유전체 부품.
5. 제 4항에 있어서, 상기 고주파용 유전체 부품은 세라믹 필터 또는 공진기인 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스의 조성물을 이용한 유전체 부품.

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