KR100842855B1 - 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 종래의 Zn₂SiO₄ 세라믹스에서 Zn을 Si에 대하여 상대적으로 결핍시킨 조성식 Zn_(2-x)SiO_(4-x)으로 표현되는 조성물로 되며, 이때, 상기 x는 0＜x＜2이며, 바람직하기로는 0＜x≤0.5이다.

또한, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스의 제조방법은 ZnO 및 SiO₂ 시료를 조성식 Zn_(2-x)SiO_(4-x) (이때, 0＜x＜2)의 몰분율에 따라 혼합, 분쇄한 후 이를 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 하소하고 이를 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계로 구성되며, 상기 소결온도는 1200℃ 내지 1350℃로 된다.

마이크로파유전체세라믹스, 유전율, 유전손실, Zn2SiO4

Description

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

도 1은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 유전율(ε_r)의 변화를 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 품질계수(Q×f)의 변화를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 상대밀도 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 갖는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관 한 것이다.

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

이러한 고주파 소자의 재료로서는 통상적으로 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, 고주파회로 및 디지털 회로의 신호 및 데이터 처리를 신속히 하기 위하여는 전송선로의 신호지연이 없어야 하는데, 이러한 신호지연은 재료의 유전율(ε_r)에 비례하기 때문에, 이를 방지하기 위해서는 기판재료로 사용되는 유전체 세라믹스가 유전율(ε_r)이 낮을수록 유리하다.

둘째, 기판재료로 사용되는 유전체 세라믹스와 전극이 낮은 손실특성을 가져야 하며, 이러한 손실은 이동통신기기의 소비전력과 직접적으로 연관된다. 마이크로 스트립라인이나 스트립라인 형태에서 기판의 손실은 사용주파수 상대유전율 또는 실효유전율 그리고 상기 유전체 세라믹스의 손실(tanδ) 등에 의해 결정된다. 특히, 상기 손실은 상기 유전체 세라믹스의 내적 요인(결정구조) 과 외적 요인(입계, 이차상, 기공, 결함 등)을 조절함으로써 감소될 수 있다. 또한, 통상적으로 유 전체 세라믹스의 품질계수(Quality factor)는 유전체 세라믹스의 공진 주파수(f)와 연계하여 일정한 상수값인 Q×f(GHz)로 표시되며, 유전체 세라믹스의 고유 특성으로 된다.

셋째, 주위 온도에 관계없이 동작 주파수의 정밀한 작동을 위해서는 공진 주파수의 온도계수(τ_f)가 가능한 0에 가까워야 한다.

기존에 알려진 대표적인 마이크로파 집적회로 기판용 재료로는 Al₂O₃와 (1-x)Al₂O₃-xTiO₂ 계열 세라믹스, Mg₄Nb₂-xTaxO₉ 계열 세라믹스, Mg₂SiO₄와 (1-x)Mg₂SiO₄-xTiO₂ 계열 세라믹스, 그리고 Zn₂SiO₄ 와 (1-x)Zn₂SiO₄-xTiO₂ 계열 세라믹스 등이 있다.

특히, Al₂O₃의 경우에는 10.5의 낮은 유전율과 680,000GHz의 높은 품질계수를 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 가진다.

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 가져 실제 적용에 어려움이 있다. TiO₂를 첨가한 Mg₂SiO₄의 경우에는 0에 가깝도록 공진 주파수의 온도계수를 보정할 수는 있으나, 품질계수가 82,000GHz로 급격하게 감소하는 단점을 가진다.

Zn₂SiO₄계 유전체 세라믹스는 6.6의 낮은 유전율, 219,000GHz의 높은 품질계수를 가지나, 이 역시 -61ppm/℃의 낮은 공진 주파수의 온도계수를 가져 실제 적용에 어려움이 있다. TiO₂를 첨가한 Zn₂SiO₄의 경우에는 0에 가까운 공진 주파수의 온도계수(τ_f)로 보정될 수 있지만, 오히려 유전율이 증가하고, 또한 고가의 고순도(>99.9%) 파우더와 CIP(Cold Isostatic Press) 공정을 사용해야 한다는 단점을 가진다.

따라서, 고주파 집적회로기판으로의 응용을 위하여 낮은 유전율을 가지면서도 품질계수가 높고 공진 주파수의 온도계수가 낮은 우수한 특성을 갖는 유전체 세라믹스에 대한 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 Zn₂SiO₄ 세라믹스에서 Zn을 Si에 대하여 상대적으로 결핍시킨 Zn_(2-x)SiO_(4-x) 조성의 세라믹스를 개발함으로써 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는 마이 크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로서, 본 발명의 일 관점에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 종래의 Zn₂SiO₄ 세라믹스에서 Zn을 Si에 대하여 상대적으로 결핍시킨 조성식 Zn_(2-x)SiO_(4-x)으로 표현되는 조성물을 포함할 수 있다. 이때, 상기 x는 0＜x＜2이며, 바람직하기로는 0＜x≤0.5이다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스의 제조방법은 ZnO 및 SiO₂ 시료를 조성식 Zn_(2-x)SiO_(4-x) (이때, 0＜x＜2)의 몰분율에 따라 혼합, 분쇄한 후 이를 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 하소하고 이를 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계로 구성될 수 있다. 이때, 상기 소결온도는 1200℃ 내지 1350℃로 될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명과 관련하여 본 발명자들은 종래의 Zn₂SiO₄ 세라믹스에서 Zn을 Si에 대하여 상대적으로 의도적으로 결핍시키게 되면, 그 결정구조에 있어서 격자의 결함(deficiency)이 야기되어 그의 마이크로파 유전특성이 크게 향상됨을 발견하였다.

이에 따라 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 다음 식 1의 조성식으로 나타낼 수 있다:

Zn_(2-x)SiO_(4-x) (식 1)

(이때, 0＜x＜2이며, 바람직하기로는 0＜x≤0.5이다.)

즉, 상기 식 1에 있어서 x가 0.5보다 클 경우에는 마이크로파 유전체 세라믹스의 결정구조에 있어서 SiO₂의 이차상이 형성되므로, 밀도가 감소되고 품질계수가 열화되어 집적회로기판으로서 적합하지 않게 되므로, x는 0.5 이하로 됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 있어서, 상기 식 1로 정의되는 유전체 세라믹스는 제조시 소결온도를 1200~1350℃로 한정함이 바람직하다. 왜냐면, 상기 소결온도가 1200℃보다 낮으면 세라믹스의 소결이 이루어지지 않고, 상기 소결온도가 1350℃보다 높으면 과량의 액상형성으로 인해 유전특성 값의 저하를 조래하기 때문이다.

상기 식 1로 표현되는 본 발명에 의한 유전체 세라믹스는 상대밀도가 82~99%, 유전율(ε_r)이 5.4~6.8, 품질계수(Q×f)가 7,900~147,000GHz이며 공진주파수 온도계수(τ_f)의 범위가 -25~-14 ppm/℃로 되는 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 의한 유전체 세라믹스는 종래에 비해 높은 품질계수를 유지하면서도 상대적으로 안정한 공진주파수 온도계수를 가지므로, 고주파 집적회로기판용으로서 적합하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하며 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하 여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 실시예에서는 전통적인 세라믹 공정에 따라 초기 원료인 순도 99%의 ZnO, SiO₂ 시료분말을 식 1의 조성비에 맞게 평량한 후, 이를 증류수와 함께 24시간 동안 혼합하였다. 그리고, 1150℃에서 3시간 동안 유지하여 하소하고 노랭하여 Zn_(2-x)SiO_(4-x) 분말을 제조하였다. 또한, 상기 Zn_(2-x)SiO_(4-x) 분말의 x-선 회절분석 결과, 기지상인 Zn₂SiO₄상은 이차상인 ZnO와 공존하고 있는 것을 확인하였다. 기지상인 Zn₂SiO₄에서 ZnO함량을 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5씩 각각 감소시킨 결과, ZnO 이차상은 점차 감소하였으나 0.3 이상에서는 새로운 SiO₂ 이차상이 생성되었음을 확인하였다.

이어서, 상기 제조된 Zn_(2-x)SiO_(4-x) 분말을 직경이 약 10mm, 높이가 약 7mm인 실린더형 성형체로 가압 성형 후, 이를 1300℃에서 3시간 동안 소결하였다. 이러한 조성물들의 선 수축률은 ZnO를 0.1 이상 감소시 최대 21%를 나타내어 소결이 잘 이루어졌음을 확인하였다.

도 1은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 유전율(ε_r)의 변화를 나타내는 그래프이다. 특히 ZnO가 0.2 감소된 조성(즉, x＝0.2)인 Zn_{1 .8}SiO_{3 . 8}를 1300℃에서 소결한 경우, 유전율(ε_r)이 6.7 이하의 낮은 값을 나타냈다.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 품질계수(Q×f)의 변화를 나타내는 그래프이다. 특히 ZnO가 0.2 감소된 Zn_{1 .8}SiO_{3 . 8}를 1300℃에서 소결한 경우, 품질계수(Q×f)가 147,000GHz 이상의 높은 값을 나타내었다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타내는 그래프이다. 특히 ZnO가 0.2 감소된 Zn_{1 .8}SiO_{3 . 8}를 1300℃에서 소결한 경우, 공진주파수 온도계수(τ_f)가 -22ppm/℃의 값을 나타내었다.

도 4는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도 및 ZnO 변화량에 따른 상대밀도 변화를 나타내는 그래프이다. 특히 ZnO가 0.2 감소된 Zn_1.8SiO_3.8를 1300℃에서 소결한 경우, 96% 이상의 높은 상대밀도를 나타내었다.

도 1 내지 도 4 및 이상 기술한 바에 의하면, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 상대밀도가 82~99%, 유전율(ε_r)이 5.4~6.8, 품질계수(Q×f)가 7,900~147,000GHz 이며, 공진주파수 온도계수(τ_f)가 -25~-14ppm/℃를 나타내었다. 따라서 기존의 재료에 비해 높은 품질계수를 유지하면서도 상대적으로 안정한 온도계수를 가지므로, 고주파 집적회로기판용으로서 우수한 마이크로파 유전특성을 가진다.

한편, 이상 기술한 본 발명의 바람직한 실시예들의 제반 유전특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연한 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예들은 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 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 Zn₂SiO₄ 세라믹스에서 Zn을 Si에 대하여 상대적으로 결핍시킴으로써, 기존의 재료에 비해 가격이 싸고 유전율이 낮으면서도 품질계수가 높고 공진 주파수의 온도계수가 낮아 우수한 마이크로파 유전특성을 가지게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 고주파 집적회로기판용으로서 매우 적합하다.

Claims (4)

1. 다음의 조성식으로 표현되는 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물.

   Zn_(2-x)SiO_(4-x) (이때, 0＜x＜2)
2. 제1항에 있어서,

   상기 x는 0＜x≤0.5인 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물.
3. ZnO 및 SiO₂ 시료를 조성식 Zn_(2-x)SiO_(4-x) (이때, 0＜x＜2)의 몰분율에 따라 혼합, 분쇄한 후 이를 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.
4. 제3항에 있어서,

   상기 소결온도는 1200℃ 내지 1350℃로 되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.

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