KR100754865B1 - 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 품질계수가 높고, 유전율 및 공진 주파수의 온도계수가 낮은 우수한 마이크로파 유전특성을 가지는 유전체 세라믹스를 개발하였다. 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 A₃B₅O₁₂ (단, A는 Nd, Sm, Eu 중의 어느 하나이고, B는 Ga이다)로 이루어지며, 유전율(ε_r)이 12 정도로 낮고, 품질계수(Q×f)가 140,000 ∼ 195,000 GHz이며, 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 -20ppm/℃로 고주파 집적회로기판으로의 응용에 매우 적합한 마이크로파 유전특성을 가진다.

마이크로파, 유전체, 세라믹, Nd, Sm, Eu, Ga, 유전율, 품질계수, 온도계수, 공진 주파수, 고주파집적회로기판

Description

마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법 {MICROWAVE DIELECTRIC CERAMICS AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 품질계수의 변화를 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 공진 주파수의 온도계수의 변화를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 유전율의 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 품질계수가 높고, 유전율 및 공진 주파수의 온도계수가 낮은 우수한 마이크로파 유전특성을 가지는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 위성통신 및 이동통신, 무선 광대역 네트워크, 차량충돌방지 시스템 등이 급격히 개발되고 있으며, 이에 따라 이들 기기를 구성하는 핵심부품인 필터, 듀 플렉서, 공진기, 고주파 집적회로기판 등 고주파 소자의 개발이 요구되고 있다.

이러한 고주파 소자의 재료로서는 유전체 세라믹스가 사용되며, 이들 소자의 특성은 이에 사용되는 유전체 세라믹스의 마이크로파 특성에 영향을 크게 받는다. 따라서, 각 소자 분야마다 사용되는 유전체 세라믹스는 달라지며, 특히 상기 고주파 집적회로기판에 사용되는 유전체 세라믹스의 마이크로파 유전특성은 기본적으로 다음의 조건이 요구된다.

첫째, 유전체 세라믹스는 유전손실 및 소자 내부 도체와의 상호 간섭 효과를 최소화하고 빠른 신호의 전달을 위하여 유전율(ε_r)이 낮아야 한다. 둘째, 사용 주파수에 대한 선택성(selectivity)이 높고 회로 내에서의 손실을 최소화하기 위하여 작동 주파수대에서의 유전손실이 작아 품질계수(Q: Quality factor)의 값이 커야하며, 셋째, 주위 온도에 관계없이 동작 주파수의 정밀한 작동을 위해서는 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 가능한 0에 가까워야 한다. 또한, 통상적으로 상기 품질계수(Q)는 유전체 세라믹스의 공진 주파수(f)와 연계하여 Q×f(GHz)로 표시되므로, 이하에서는 품질계수를 Q×f(GHz)로 표시한다.

기존에 알려진 대표적인 마이크로파 집적회로 기판용 재료로는 Al₂O₃와 (1-x)Al₂O₃-xTiO₂ 계열 세라믹스, Mg₄Nb₂-xTaxO₉ 계열 세라믹스, 그리고 Mg₂SiO₄와 (1-x)Mg₂SiO₄-xTiO₂ 계열 세라믹스 등이 있다.

특히, Al₂O₃의 경우에는 10.5의 낮은 유전율과 680,000GHz의 높은 품질계수 를 가지나, 소성온도가 매우 높고 공진 주파수의 온도계수가 -60ppm/℃로서 온도 안정성이 떨어진다는 단점을 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 0.9Al₂O₃-0.1TiO₂ 유전체는 TiO₂를 Al₂O₃에 1:9의 몰 비로 첨가한 조성을 가지며, 이의 소성온도는 1350℃정도로 낮고 공진 주파수의 온도계수도 1.5ppm/℃로 낮다. 그러나, 반대로 품질계수가 110,000GHz로서 지나치게 감소한다는 단점을 가지고 있다.

한편, Mg₄Nb₂-xTaxO₉ 유전체 세라믹스의 경우, 유전율이 12이고 품질계수가 347,000GHz의 값을 가지나, 공진 주파수의 온도계수가 -70ppm/℃로 높다는 단점이 있다.

또한, 6.8의 낮은 유전율과 240,000GHz의 품질계수를 가지는 Mg₂SiO₄ 유전체 세라믹스 역시 -70ppm/℃의 낮은 공진 주파수의 온도계수를 가지고 있어 실제 적용에 어려움이 있다. TiO₂를 첨가한 Mg₂SiO₄의 경우에는 0에 가깝도록 공진 주파수의 온도계수를 보정할 수 있으나, 품질계수가 82,000GHz로 급격하게 감소하는 단점을 가진다.

따라서, 고주파 집적회로기판으로의 응용을 위하여 낮은 유전율(ε_r)을 가지면서도 품질계수(Q×f)가 높고 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 낮은 우수한 특성을 가지는 유전체 세라믹스에 대한 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 낮은 유전율을 가지면서도 품질계수가 높고 공진 주파수의 온도계수가 낮은 우수한 마이크로파 유전특성을 가지는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로서, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 식 A₃B₅O₁₂ (단, A는 Nd, Sm, Eu 중의 어느 하나이고, B는 Ga이다)로 나타내어지는 조성으로 이루어진다.

또한, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법은 A₃B₅O₁₂ (단, A는 Nd, Sm, Eu 중의 어느 하나이고, B는 Ga이다)의 원료를 몰분율에 따라 칭량하여 이를 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 하소하고 이를 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계로 구성된다. 이때, 상기 소결온도는 1350℃ 내지 1500℃로 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 하기 식 1의 기본조성을 가진다;

A₃B₅O₁₂ (이때, A는 Nd, Sm, Eu이고, B는 Ga) (식 1)

또한, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 통상적인 세라믹스 제조방법으로 제조될 수 있으며, 바람직하기로는 고상 합성법으로 제조될 수 있다.

즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 각각 Nd₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Ga₂O₃의 원료를 상기 식 1의 몰분율에 따라 정밀하게 정량하여 나일론 자에서 지르코니아(ZrO₂) 볼과 함께 24시간 동안 습식혼합하였다. 그리고, 상기 혼합 분쇄한 분말을 건조한 후, 이를 1150℃에서 약 3시간 동안 하소하였다. 그 후, 상기 하소된 분말을 상기 습식혼합과 마찬가지로 2차 분쇄한 후에 건조하고 디스크 모양으로 성형하여 이를 1350℃ 내지 1500℃에서 약 6시간 동안 소결하였다. 그리고, 소결된 시편을 연마지로 연마한 후 건조하여, 이를 금속 공동(cavity) 내부에서 품질계수(Q×f)와 공진 주파수의 온도계수(τ_f)를 측정하였으며, 유전율(ε_r)은 평행 금속도판법을 이용하여 측정하였다. 이때, 공진 주파수의 온도계수(τ_f)는 25℃ 내지 90℃의 온도범위와 13GHz 내지 15GHz의 주파수 범위에서 측정되었다.

도 1는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 품질계수의 변화를 나타낸다. 상기 식 1에 따른 본 발명의 유전체 세라믹스는 Nd₃Ga₅O₁₂, Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅O₁₂로 되며, 이들 세라믹스는 대체로 소결온도가 1400℃ 내지 1450℃에서 품질계수(Q×f)가 높은 100,000 ∼ 195,000GHz값을 가졌다. 특히, Sm₃Ga₅O₁₂의 경우 Q×f 값이 195,000GHz에 이르러 높은 품질계수(Q)를 가졌다.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 공진 주파수의 온도계수의 변화를 나타낸다. 이를 참조하면, 대체로 소결온도가 증가함에 따라 공진 주파수의 온도계수의 값에 미소한 변화가 있으며, 특히 1450℃의 소결온도에서는 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 감소함을 알 수 있다. 본 발명에 있어서 Nd₃Ga₅O₁₂, Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅O₁₂의 모든 조성이 대체로 -20ppm/℃ 정도의 온도 안정성을 보였으며, 특히 Eu₃Ga₅O₁₂의 경우에는 1450℃에서 소결되었을 때 온도계수(τ_f)가 -20ppm/℃ 이하로 되어 대체로 우수한 온도 안정성을 나타내었다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 각 조성에 따른 유전율의 변화를 나타낸다. 이를 참조하면, 본 발명의 모든 조성이 대체로 12 정도로 우수한 낮은 유전율(ε_r)을 나타내었다. 다만 Nd₃Ga₅O₁₂는 소결온도의 변화에 관계없이 일정하게 12 ∼ 12.5 범위의 유전율을 가졌으나, Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅O₁₂는 1400℃ 이하에서는 대략 10 내외의 유전율을, 1400℃ 이상에서는 대략 12 ∼ 12.5 범위에서 일정한 유전율을 보였다. 아래, 표 1은 소결온도 및 각 조성에 따른 유전율을 수치적으로 나타낸다;

표 1

소결온도(℃)	A
	Nd	Sm	Eu
1350	12.21	10.35	9.86
1400	12.37	12.4	12.48
1450	12.4	12.35	12.63
1500	12.23	12.37	12.4

이상, 전술한 바와 같이 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 유전율(ε_r)이 12이고, 품질계수(Q×f)가 140,000 ∼ 195,000 GHz이며, 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 -20ppm/℃로 매우 우수한 마이크로파 유전특성을 나타내었다. 특히, Sm₃Ga₅O₁₂의 경우 유전율(ε_r)이 12이고, 또한 195,000GHz에 이르는 높은 품질계수(Q×f)를 가지며 공진 주파수의 온도계수(τ_f)도 -20ppm/℃로 기존의 재료에 비해 고품질계수를 유지하면서도 상대적으로 안정한 온도계수를 가지므로 고주파 집적회로기판용으로서 우수한 마이크로파 유전특성을 가진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, A₃B₅O₁₂ (이때, A는 Nd, Sm, Eu이고, B는 Ga) 조성의 마이크로파 유전체 세라믹스를 개발하였으며, 이는 유전율이 낮으면서도 품질계수가 높고 공진 주파수의 온도계수가 낮아 우수한 마이크로파 유전특성을 가짐으로써 고주파 집적회로기판용으로서 매우 적합하다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (3)

1. 하기 조성식을 나타내어지는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.

   A₃B₅O₁₂ (단, A는 Nd, Sm, Eu 중의 어느 하나이고, B는 Ga이다).
2. Nd₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃ 시료 중의 어느 하나와 Ga₂O₃ 시료를 조성식 A₃B₅O₁₂ (단, A는 Nd, Sm, Eu 중의 어느 하나이고, B는 Ga이다)에 따라 칭량하여 이를 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와;

   상기 건조된 시료를 하소하고 이를 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와;

   상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 소결온도는 1350℃ 내지 1500℃로 되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.

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