KR101053194B1 - 코어-셸 미세구조를 가지는 바리스터용 물질 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바리스터용 물질 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현저한 전기적 성질들을 가지는 바리스터를 제조하기에 적합한 코어-셸 미세 구조를 가지는 물질 구조로서, 상기의 물질 구조의 코어-셸 미세구조는 적어도 전도성 또는 반전도성 물질로 제조된 코어 구조와 상기의 코어 구조를 감싸기 위한 유리 물질로 제조된 셸 구조를 포함하며, 저온 소결 공정 중에 상기의 바리스터의 전기적 성질들은 상기의 코어 구조의 그레인의 크기와 물질 구조의 셸 구조의 절연 층의 두께와 절연저항을 정밀하게 조절하여 결정되고 지정될 수 있도록 한 코어-셸 미세구조를 가지는 바리스터용 물질 구조에 관한 것이다.
전도성 코어, 반전도성 코어, 바리스터, 코어 셸
Description
도 1은 본 발명의 코어-셸 미세구조를 가지는 새로운 물질 구조로 제조된 바리스터의 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10:바리스터 11:물질구조
12:셸구조 14:코어구조
20:세라믹부품 21:내부전극
22:외부전극
본 발명은 바리스터용 물질 구조에 관한 것으로서, 특히, 바리스터의 미세 구조에서 볼 수 있는 물질 구조에 관한 것으로서 상기의 물질 구조는 코어-셸 구조를 가진다.
전자 산업에 있어서, 현재의 추세는 더 높은 운용 고주파와 소형화를 지향하 고 있다. 그러므로, 과전압으로 인한 손상으로부터 집적회로를 보호하기 위해 종래에는 바리스터나 서지 흡수장치들이 고주파 응용에 사용되고 있다.
SrTiO3, SiC, ZnO, Fe2O3, SnO2, TiO2, BaTiO3 와 같은 다양한 물질들과 다이오드가 서지(surge)를 흡수하도록 사용할 수가 있다. 그러나 상기 물질들은 서지 흡수 능력, 정전기 흡수 능력 및 기타 성질에 있어서 다양한 특성을 보이므로, 상기의 모든 물질들이 제조와 실제적인 응용에 사용될 수가 있는 것은 아니다.
실리콘 다이오드는 PN 인터페이스에 의해서 서지 흡수 능력을 부여한다. 이물질로 만들어진 바리스터는 상대적으로 높은 항복 전압과 낮은 서지 흡수 능력을 가지는 약점이 있다.
Fe2O3 와 BaTiO3로 제조된 바리스터들은 전극들과 세라믹들의 인터페이스에 의해서 서지 흡수 능력을 가진다. 그러나 이와 같은 바리스터들은 낮은 전기 특성을 보이며 고전압용 부품을 제조하기에 부적합하다.
ZnO, TiO2, SnO2 또는SrTiO3 로 제조된 바리스터들의 서지 흡수
능력은 일반적으로 반전도성 그레인들과 그레인-경계 절연 층들의 인터페이스에 의존한다. 그러나 그레인-경계 절연 층들은 α-Bi2O3, Na2O 또는 SrTiO3 의 결정 상들과 같은 결정 상들로 주로 구성되어 있다. 그러므로 이와 같은 바리스터들의 단점은 그레인-경계 절연 층들의 생성을 위해 상당히 높은 온도에서 소결을 해야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 사항을 고려하여 이루어졌으며, 본 발명의 목적은 바리스터용의 새로운 물질 구조를 제공하는 것이다.
상기의 개시된 물질 구조는 코어-셸 미세구조를 가지며 적어도 전도성 물질이나 반전도성 물질로 제조된 코어 구조와 상기의 코어 구조를 감싸기 위해 유리 물질로 제조된 셸 구조를 포함한다.
특히, 상기의 개시된 물질 구조로 제조된 바리스터들은 일반적으로
600℃ 와 1,100℃ 사이의 상대적으로 낮은 온도에서 상기 물질 구조를 소결시키므로서 생산될 수 있다. 그리고, 이와 같은 바리스터들의 전기적 성질들은 상기의 코어 구조의 그레인의 크기와 성질, 상기의 셸 구조의 절연 층의 두께와 절연 저항, 및 바리스터들의 두 개의 평행 전극들과 전극 물질들의 오버랩 영역 사이의 간격 등과 같은 특별한 파라미터들을 조정하므로서 결정되고 지정될 수가 있다.
본 발명의 다른 목적으로는 단층의 바리스터들과 다층의 바리스터들용의 새로운 물질 구조를 제공하는 것이며, 바리스터들의 전기적 특성들은 다양한 실제적인 요구들을 만족시키기 위해 제조 공정 중에 결정되고 지정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 지정된 전압을 가진 바리스터를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 상기의 방법은 상대적으로 낮은 온도에서 코어-셸 미세구조를 가지는 새로운 물질 구조를 소결하는 것을 포함한다.
낮은 온도에서 소결할 때에, 새로운 물질 구조의 셸 구조는 상기의 물질 구조의 코어 구조의 물질과의 반응을 거의 하지 않는 유리 물질로 만들어졌으므로,이 와 같은 바리스터의 전기적 성질들은 상기의 코어 구조의 그레인의 크기와 성질들, 상기의 셸-구조의 절연 층의 두께와 절연 저항 및, 바리스터들의 두 개의 평형 전극들과 전극 물질들의 오버랩 영역의 간격을 정밀하게 조절하여 결정되고 지정될 수 있도록 한 것이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1에 의하면, 본 발명의 개시된 물질 구조(11)는 적어도 셸 구조(12)와 상기의 셸 구조(12)에 의해 감싸진 코어 구조(14)를 포함하는 코어-셸 미세구조를 가진다.
특히, 상기 물질 구조(11) 의 코어-셸 미세구조 의 상기의 코어구조(14)는 전도성 또는 반전도성의 물질로 제조되고, 상기 코어-셸 미세구조의 셸 구조(12)는 상기 코어 구조(14)를 감싸는 유리 물질로 제조되었다.
본 발명의 상기의 물질 구조(11)는 표준 세라믹 공정을 통해서 바리스터 (10)의 세라믹 부품(20)으로 제조하는 데에 응용이 될 수 있다.
본 발명의 상기 물질 구조(11)의 코어-셸 미세구조의 코어 구조(14)로 사용되는 전도성 물질은 Fe, Al, Ni, Cu, Ag, Au, Pt 와 Pd 중에서 선택된 금속들 중의 하나, 두 개 또는 그 이상의 조합, 또는 상기 금속들의 합금들의 조합일 수가 있다.
본 발명의 상기 물질 구조(11)의 코어-셸 미세구조 의 상기 코어 구조(14)로 사용되는 반전도성 물질은 ZnO, SrTiO3, BaTiO3, SiC, TiO2, SnO2, Si 와 GaAs로부터 선택된 금속들 중의 하나, 또는 두 개나 그 이상의 조합일 수 있다.
본 발명의 상기의 물질 구조(11)의 코어-셸 미세구조의 상기 코어 구조(14)는 위에서 기술된 전도성 물질들과 반전도성 물질들의 조합으로 제조될 수도 있다.
본 발명의 상기 물질 구조(11)의 코어-셸 미세구조의 상기 셸 구조(12)로 사용되는 유리 물질은 규산염 유리, 붕소 유리, 알루미나 실리카 유리, 인산염 유리와 납 유리로부터 선택될 수 있다.
도 1에 의하면, 본 발명의 상기의 물질 구조(11)는 아래에 기술될 제조 단계들을 통하여 현저한 전기적 특성들을 제공하는 바리스터(10)를 제조하는 데에 사용 될 수 있다.
이를 구체적으로 살펴보면,
1. 적절한 금속 전도체, 반전도성 금속 산화물 또는 일반적인 반전도성 물질을 적절하게 선택하여 규산염 유리, 붕소 유리, 납 유리 또는 인산염 유리를 함유하는 처방의 솔-겔에 담근다. 그러므로, 이종의 침전의결과로, 금속 전도체 또는 반전도성 물질의 그레인의 표면이 유리를 함유하는 물질의 층으로 감싸질 수 있다.
코어-셸 구조의 결과물은 전도체 또는 반전도성 물질의 표면을 감싸는 유리를 함유하는 무기 또는 유기물의 층이 유리 층으로 바뀔 수 있도록 500℃ 내지 900℃의 온도에서 0.5 내지 8 시간 동안 소결된다.
이와 같이 하여, 셸 구조(12)에 의해 감싸지는 코어 구조 (14)로 이루어진 코어-셸 미세구조를 가지는 본 발명의 분말화된 물질 구조(11)가 구현된다.
2. 단층의 바리스터(10)를 제조하기 위해, 다량의 소결되고 분말화된 물질 구조(11)는 적절한 접착제 및 분산제와 함께 혼합되고 10000 lb/in2 (psi)의 성형 압력하에서 성형된다. 분리(debinding) 공정후에, 성형품은 소결된 세라믹 본체(20)를 얻기 위해 600℃ 내지 1,100℃의 온도에서 0.5 내지 4 시간 동안 소결된다.
그리고 상기의 소결된 세라믹 본체(20)는 그 상부와 하부의 표면에 전도성의 은 분말이 칠해지고 500℃ 내지 800℃의 온도에서 환원공정으로 처리된다. 그리하여, 도 1의 단층의 바리스터(10)가 구현된다.
3. 다층의 바리스터(10)를 제조하기 위해서는, 처방된 분말들을 가지는 페이스트 물질을 만들기 위해 다량의 소결되고 분말화된 물질 구조들(11)을 적절한 접착제, 분산제, 가소제 및 유기 용제와 혼합한다. 그리고 상기 페이스트를 사용하여 닥터 블레이드 캐스팅(doctor blade casting) 을 하여 그린 테이프를 제조하며, 그린 테이프를 제조하는 동안에 페이스트의 점도와 블레이드의 두께와 같은 파라미터들을 조정하므로서 그린 테이프의 두께가 15㎛ 내지 200㎛가 되도록 한다.
그 후에, 상기의 그린 테이프는 미리 결정된 크기의 조각으로 절단되며, 백금, 은, 팔라듐, 금과 로듐으로부터 선택된 하나의 귀금속 또는 두 종류의 상기의 귀금속들의 합금이 내부 전극(21)으로서 상기의 그린 테이프의 조각에 인쇄된다. 상기의 인쇄된 그린 테이프의 조각 몇 개를 상기 내부 전극들의 단부들이 교대로 나타나도록 적층한다. 위 덮개와 아래 덮개를 덮고 균압화 (pressure equalization)를 행한 후, 조각들의 적층물을 미리 정해진 위치에서 절단하여 그린 그레인들을
만든다.
상기의 그린 그레인들은 600℃ 내지 1,100℃의 온도에서 0.5 내지 4 시간 동안 소결로에서 추가로 소결된다. 그리고 상기의 내부 전극들(21)이 나타나는 상기의 소결된 그레인들의 두 단부는 각각 은(Ag)으로 코팅된 후에 외부 전극(22)이 된다.
상기의 구조는 다층의 바리스터(10)를 구현하기 위해 500℃ 내지 900℃의 온도에서 최종적으로 환원된다.
4. 끝으로, 항복전압 (V1mA), 비선형 지수 (exponent)(α),누설 전류(iL), ESD 허용오차와 억제 전압(restraining voltage)과 같은 단층 또는 다층의 바리스터(10)의 기본적인 전기적 성질들이 측정된다. 그리고 ESD 허용오차의 정의는 바리스터 (10)가 정전기를 받을 때에 최고 유입 전류 (inrush current)후에 ±10% 내에서 발생하는 항복전압의 변위로부터 가장 높은 서지 전류가 측정된다는 것이다.
바람직한
실시예
다음의 실시예 1 내지 5는 본 발명에서 개시된 물질 구조(11)가 몇 가지의 현저한 전기적 성질들을 가지는 바리스터(10)를 제조하는 데에 적용될 수 있다는 점을 보여주기 위해 제공된다.
더욱이, 본 발명은 필요에 따라 전압이 지정될 수가 있는 바리스터를 제조하는 방법을 추가로 제공한다. 상기의 바리스터(10)는 코어-셸 미세구조를 가지는 물질 구조(11)로 제조되며 상기 코어-셸 미세구조는 적어도 셸 구조(12)에 의해 감싸지는 코어 구조(14)를 포함한다.
상기의 바리스터(10)는 상기의 물질 구조(11)을 상대적으로 낮은 온도에서 소결하여서 만든다. 저온 소결에서는, 유리 물질로 만들어지는 셸 구조(12)는 코어 구조(14)의 물질과 거의 반응을 하지 않으므로, 코어 구조(14)의 그레인의 크기와 성질들, 셸 구조(12)의 절연 층의 두께와 절연 저항, 및 상기의 바리스터(10)의 두 개의 평형한 내부 전극(21)과 내부전극(21)들의 오버랩 영역 사이의 간격을 정밀하게 조절하여서 상기의 바리스터(10)의 전기적 특성들은 결정되고 지정될 수 있다.
실시예 1
0.6㎛과 1.0㎛사이의 크기를 가지는 실리콘 카바이드 분말을 선택하고 주로 에틸 실리케이트를 함유하는 투명한 유기 용액에 담근다.
상기 용액의 pH를 조절하면, 상기의 구조에 함유된 유리가 실리콘 카바이드 분말의 표면에 균일하게 침전될 수 있다. 그리고 규산염 유리로 코팅된 실리콘 카바이드 분말이 얻어지도록 상기 분말은 건조되고 600℃에서 2시간 동안 소결된다.
유기 페이스트를 얻기 위해 적절한 접착제, 분산제, 가소제, 유기용제와 상기의 소결된 분말을 혼합한다. 상기의 페이스트의 점도는 제조될 그린 테이프의 두께를 조절할 수 있도록 조심스럽게 조절된다. 그리고 그린 테이프를 제조하기 위해 상기의 페이스트를 사용하여 닥터 블레이드 캐스팅이 행해지며 상기의 그린 테이프의 두께는 15~200㎛가 된다. 그 후에, 내부 전극들로 인쇄된 그린 테이프의 6층이 내부 전극들이 교차로 나타나도록 적층된다. 누설 전류를 감소시키고 제품의 안정성을 높이기 위해, 생성된 구조물에는 상단부과 하단부에 각각 전극이 인쇄되지 않은 테이프의 5층이 추가된다. 상기 구조물은 70℃에서 3000lb/in2 (psi)로 압축되고 미리 결정된 위치에서 그린 그레인으로 절단된다.
상기의 그린 그레인들은 900℃에서 2 시간 동안 소결로에서 추가로 소결된다. 그 후에 상기의 소결된 그레인들은 내부 전극들이 나타나는 단부에 은 페이스트로 코팅되고 800℃에서 0.5 시간 동안 추가로 처리된다. 그 결과로, 크기가 1.0 x 0.5 x 0.5인 도 1의 다층의 바리스터(10)가 얻어진다.
끝으로, 항복전압 (V1mA), 비선형 지수(α), 누설 전류(iL), ESD 허용한계와 억제 전압과 같은 바리스터 (10)의 기본적인 전기적 성질들이 상기의 바리스터 (10)의 실용성을 결정하기 위해 측정된다.
그 측정 결과를 표1과 2에 나타내었으며, 표 1은 바리스터 (10)의 성질에 대한 유리의 함량의 영향을 나타낸 것이다. 샘플 1에서 5까지의 결과에 의하면 유리의 함량이 증가할수록 상기의 바리스터(10)의 항복전압 (V1mA)도 높아지고, 비선형 지수(α) 가 커지고, 누설 전류(iL)는 낮아진다. 유리의 함량이 20%보다 많아질 때에, 바리스터(10)의 누설 전류(iL)는 상대적으로 낮은 수준으로 감소되어 8KV의 정전기 방전 내성 시험을 통과할 수 있다.
상기 표1의 ESD허 용한계에 있어서 NG:불량, Pass:합격이다. 또한 이후 표기되는 표2 내지 표6도 동일하다.
표2는 900℃에서 소결된 다른 두께의 그린 테이프로부터 만들어진 바리스터(10) 의 전기적 성질들을 보여준다. 바리스터(10)의 항복전압 (V1mA)이 그린 테이프의 두께에 비례한다는 것이 관찰된다. 그린 테이프가 두꺼울수록, 결과물인 바리스터(10)의 항복전압 (V1mA)이 높아진다.
표1과 2를 통해, 유리의 함량과 그린 테이프의 두께를 조절하여 다층의 바리스터 (10)가 지정된 전압으로 제조될 수 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 2
본 실시 예에서, 반전도성 스트론튬 티탄산염 분말이 실시예 1의 코어 구조의 물질로서 사용되며 붕소 유리는 셸 구조의 물질로서 사용된다. 유사하게, 반전도성 스트론튬 티탄산염 분말은 붕소 유리로 코팅되고 칩 부품 제조가 행해진다. 그리고 두께 50㎛의 그린 테이프를 제조하기 위해 닥터 블레이드 캐스팅이 행해지고 상기 그린 테이프로부터 두 층의 내부 전극을 가지는 그린 그레인이 만들어 진다. 다층의 바리스터(10)를 얻기 위해 상기 구조물은 850℃에서 2시간 동안 소결된다.
상기의 바리스터 (10)는 표 3에 나타낸 바와 같은 전기적 성질들을 가지며 8KV의 정전기 방출 내성 시험을 통과할 수 있다.
실시예 3
본 실시 예에서, 금속 니켈 분말은 실시예 1의 코어 구조의 물질로서 사용되며, 규산 염 유리는 셸 구조의 물질로서 사용된다. 유사하게, 금속 니켈 분말은 규산염 유리로 코팅되고 칩 부품 제조가 행해진다. 그리고 두께 30㎛의 그린 테이프를 제조하기 위해 닥터 블레이드 캐스팅이 행해지고 상기의 그린 테이프로부터 각각 두 층의 내부 전극을 가지는 그린 그레인이 제조된다. 상기 구조물은 다층의 바리스터(10)를 얻기 위해 800℃에서 2시간 동안 소결된다.
상기의 바리스터(10)는 표4에 나타낸 바와 같은 전기적 성질을 가지며 8KV의 정전기 방출 내성 시험을 통과할 수 있다.
실시예 4
본 실시 예에서, 금속 구리 분말은 실시예 1의 코어 구조의 물질로서 사용되며, 규산염 유리는 셸 구조의 물질로서 사용된다. 유사하게, 금속 구리 분말은 규산염 유리로 코팅되고 칩 부품 제조가 행해진다. 그리고 두께 50㎛의 그린 테이프를 제조하기 위해 독터 블레이드 캐스팅이 행해지고 상기의 그린 테이프로부터 각각 두 층의 내부 전극을 가지는 그린 그레인이 제조된다. 상기 구조물은 다층의 바리스터(10)를 얻기 위해 700℃에서 2시간 동안 소결된다.
상기의 바리스터(10) 는 표5에 나타낸 바와 같은 전기적 성질을 가지며 8KV의 정전기 방출 내성 시험을 통과할 수 있다.
실시예 5
본 연구는 상기의 부품들의 전기적 성질들에 대한 물질의 크기의 영향을 직접 겨냥하고 있다. 0.5 에서 10㎛ 사이의 범위에 있는 다른 크기의 SiC 분말이 실시예 1의 코어 구조를 만들기 위해 취해진다. 그리고 상기의 분말은 유리로 상대적으로 코팅되고 칩 부품 제조가 행해진다. 그 후에 두께 50㎛의 그린 테이프를 제조하기 위해 닥터 블레이드 캐스팅이 행해지고 일반적인 다층의 칩 부품이 얻어진다.
부품들의 전기적 성질들이 표 6에 리스트 되어 있으며 상기의 부품의 항복전압 (V1mA)은 코어 구조의 원래의 분말의 크기에 관련이 되어 있다는 것을 알 수 있다. 코어 구조의 크기가 작을수록, 생산된 부품은 더 낮은 항복전압 (V1mA)을 가진다.
본 발명을 설명하기 위해서 본 발명의 실시 예가 자세히 기재되어 있으나, 청구 범위에 개시된 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기의 개시된 실시 예에 대한 다양한 변형이 가능하다고 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있다.
이와 같이 된 본 발명은 셸 구조에 의해 감싸지는 코어 구조로 이루어진 코어-셸 미세구조를 가지므로 분말화 된 전도성 물질이나 반전도성 물질 구조를 구현하는 효과를 갖는 것으로 특히, 소결된 세라믹 본체는 그 상부와 하부의 표면에 전도성의 은 분말이 칠 해지고 500℃ 내지 800℃의 온도에서 환원공정으로 처리하여 바리스터용의 새로운 물질로 이루어진 코어-셸 미세구조를 가지는 바리스터용 물질 구조를 제공하는 효과를 갖는다.
Claims (6)
- 전도성 또는 반전도성 물질로서 제조된 코어 구조의 비-연속 결정상과 상기의 코어 구조를 감싸기 위해 상기의 코어 구조의 물질과 반응하지 않는 유리 물질로 제조된 셸 구조의 연속 결정상으로 형성된 것을 특징으로 하는 코어-셸 미세구조를 가지는 바리스터용 세라믹 성분의 제조에 적합한 서지 흡수 물질(surge absorbing material) 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기 전도성 물질이 Fe, Al, Ni, Cu, Ag, Au, Pt와 Pd에서 선택된 금속들 중의 하나, 둘이나 그 이상의 조합, 또는 상기 금속들의 합금들의 조합인 것을 특징으로 하는 서지 흡수 물질 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기의 반전도성 물질이 ZnO, SrTiO3, BaTiO3, SiC, TiO2, SnO2, Si와 GaAs에서 선택된 금속들 중의 하나 또는 둘이나 그 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 서지 흡수 물질 구조.
- 제 1항에 있어서, 상기의 유리 물질은 규산염 유리, 붕소 유리, 알루미나 실리카 유리, 인산염 유리와 납 유리에서 선택되는 것을 특징으로 하는 서지 흡수 물질 구조.
- 바리스터는 1항의 상기 코어-셸 미세구조를 가지는 서지 흡수 물질 구조로 구성되고, 600℃ 내지 1,100℃의 상대적으로 낮은 온도에서 상기의 물질 구조를 소결하여 제조되고, 저온 소결 중에는 상기의 바리스터의 항복전압을 조정하기 위해 상기의 코어 구조의 그레인의 크기와 상기 셸 구조의 절연층의 두께와 절연 저항을 정밀하게 조절하는 것을 특징으로 하는 지정된 전압을 가지는 바리스터의 제조방법.
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