KR101101347B1 - 무소결 ｍｉｍ 커패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

무소결 MIM 커패시터(Metal-Insulator-Metal Capacitor) 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 MIM 커패시터 제조 방법은 하부 금속-절연체-상부 금속을 제조하되, 상기 절연체(Insulator)는, 스몰 파우더(small powder)와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더(large powder)를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 조성물을 마련하는 단계; 상기 세라믹-고분자 조성물을 상기 하부 금속 위에 도포하여 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결(non-sintering) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무소결 ＭＩＭ 커패시터 및 그 제조 방법 {NON-SINTERING METAL-INSULATOR-METAL CAPACITOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터(Metal-Insulator-Metal Capacitor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MIM 커패시터에서 높은 유전율을 요구하는 절연체를 평균 입경이 서로 다른 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 이용하여 무소결로 제조함으로써, 종래의 MIM 커패시터 제조시 발생하는 부피 수축의 문제를 해결하면서도 MIM 커패시터에서 요구되는 높은 유전 상수(high dielectric constant)를 나타낼 수 있으며, 또한 커패시터 제조 비용을 줄일 수 있는 잉크젯 인쇄법 등을 이용한 무소결 MIM 커패시터 제조 기술에 관한 것이다.
MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터는 하부 금속과 상부 금속으로 이루어지는 2개의 금속(Metal)과 그 사이에 들어가는 절연체(Insulator)를 포함한다.
MIM 커패시터의 성능이 우수하기 위해서는 금속과 절연체의 계면에서 전하(electric charge)의 저장 능력이 우수하여야 하며, 이를 위해서는 절연체의 유전율이 높아야 한다.
MIM 커패시터에서 종래의 절연체 형성 방법은 고유전성 세라믹 분말과 유무기 바인더를 포함하는 페이스트를 이용하여 금속 위에 혹은 금속 사이에 막을 형성하고, 소결(sintering) 과정을 거치는 것이다.
그러나, 종래의 방법은 소결이 필수적이기 때문에, MIM 커패시터 제조시 소결 공정에 수반하여 기본적으로 고가의 제조 비용이 소요되며, 부피 수축의 문제점, 그리고 세라믹 고유의 취성 문제을 갖는다.
본 발명의 목적은 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터(Metal-Insulator-Metal Capacitor)를 제조함에 있어, 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 잉크젯 인쇄법(Inkjet Printing) 등을 이용하여 하부 금속 상에 도포하고 고분자 수지를 경화시킴으로써 무소결 방식으로 절연체를 형성하는 과정을 포함하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 이용하여, 종래의 MIM 커패시터 제조시 발생하는 부피 수축의 문제를 해결하면서도 MIM 커패시터에서 요구되는 높은 유전 상수를 나타낼 수 있는 무소결 MIM 커패시터를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터(Metal-Insulator-Metal Capacitor) 제조 방법은 하부 금속-절연체-상부 금속을 제조하되, 상기 절연체(Insulator)는, 스몰 파우더(small powder)와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더(large powder)를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 조성물을 마련하는 단계; 상기 세라믹-고분자 조성물을 상기 하부 금속 위에 도포하여 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결(non-sintering) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법은 하부 금속-절연체-상부 금속을 제조하되, 상기 절연체는, 스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더 및 용매를 포함하는 세라믹 조성물을 마련하는 단계; 고분자 수지 및 용매를 포함하는 고분자 조성물을 마련하는 단계; 상기 세라믹 조성물을 하부 금속 위에 도포하여 세라믹 막을 형성하는 단계; 상기 형성된 세라믹 막 상에 상기 고분자 조성물을 도포하고, 상기 고분자 조성물을 상기 세라믹 내로 침투(penetrating)시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법은 하부 금속-절연체-상부 금속을 제조하되, 상기 절연체는, 평균 입경이 400 nm ~ 800 nm인 고유전성 세라믹 파우더, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 조성물을 마련하는 단계; 상기 세라믹-고분자 조성물을 상기 하부 금속 위에 도포하여 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결(non-sintering) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법은 하부 금속-절연체-상부 금속을 제조하되, 상기 절연체는, 평균 입경이 400 nm ~ 800 nm인 고유전성 세라믹 파우더 및 용매를 포함하는 세라믹 조성물을 마련하는 단계; 고분자 수지 및 용매를 포함하는 고분자 조성물을 마련하는 단계; 상기 세라믹 조성물을 하부 금속 위에 도포하여 세라믹 막을 형성하는 단계; 상기 형성된 세라믹 막 상에 상기 고분자 조성물을 도포하고, 상기 고분자 조성물을 상기 세라믹 내로 침투시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터는 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하되, 상기 절연체는, 고분자 수지가 함침된 고유전성 세라믹 파우더로 형성되며, 상기 고유전성 세라믹 파우더는 스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터는 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하되, 상기 절연체는, 고분자 수지가 함침된 고유전성 세라믹 파우더로 형성되며, 상기 고유전성 세라믹 파우더는 평균 입경이 400 nm ~ 800 nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법은 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 잉크젯 방식 등으로 무소결로 절연체를 제조함으로써, 커패시터 제조 비용 절감 효과와 함께 종래의 MIM 커패시터 제조시 발생하는 부피 수축의 문제를 해결할 수 있으며, 세라믹 고유의 취성 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무소결 MIM 커패시터는 평균 입경이 서로 다른 고유전성 세라믹 파우더를 적정한 비율로 함께 적용함으로써 패킹 밀도(packing density) 향상에 따른 유전 상수 증가 효과를 가져올 수 있어, 고성능의 커패시터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 3은 고유전성 세라믹 파우더의 사이즈에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 고유전성 세라믹 파우더의 사이즈에 따른 유전상수의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 부피 분율에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 부피 분율에 따른 유전상수의 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 평균 입경 차이에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 평균 입경 차이에 따른 유전 상수의 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 150nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때 제조된 MIM 커패시터 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 150nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 11은 300nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 12는 300nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 500nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때의 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 500nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무소결 MIM 커패시터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터(Metal-Insulator-Metal Capacitor)에 관한 것으로, 전체적인 제조 공정은 하부 금속 적층, 절연체 형성, 상부 금속 적층 등 MIM 커패시터 제조 방법으로 널리 알려진 방법들을 적용할 수 있다. 이하에서는 MIM 커패시터의 성능을 좌우하는 하부 금속과 상부 금속 사이의 절연체(Insulator)의 형성 방법에 관하여 중점적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도로서, 절연체를 형성하기 위하여 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 함께 도포하는 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 도시된 무소결 MIM 커패시터 제조 방법에서 절연층의 형성은 세라믹-고분자 조성물 마련 단계(S110), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S120) 및 고분자 수지 경화 단계(S130)를 포함한다.
세라믹-고분자 조성물 마련 단계(S110)에서는 고유전성 세라믹 파우더, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 조성물을 마련한다.
본 발명에서 하부 금속과 상부 금속 사이의 절연체를 형성하기 위한 주된 소재로서 고유전성 세라믹파우더를 사용하며, 이러한 고유전성 세라믹 파우더는 BaTiO3가 될 수 있다.
MIM 커패시터에서 절연체의 유전율은 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경과 밀접한 관계가 있다.
실험 결과(도 3 및 도 4), 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 증가할 수록 유전상수 역시 증가하였다. 따라서, 고유전성 세라믹 파우더는 평균 입경이 대략 400 nm 이상으로 상대적으로 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 과다하면 잉크젯 인쇄법의 적용이 어려우므로, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경은 대략 400 ~ 800 nm인 라지 파우더를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 다른 측면에서, 고유전성 세라믹 파우더는 스몰 파우더(small powder)와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더(large powder)가 혼재되어 있을 수 있다.
실험 결과(도 5 및 도 6), 고유전성 세라믹 파우더로 스몰 파우더 혹은 라지 파우더 단독으로 사용되었을 때보다 라지 파우더와 스몰 파우더가 혼재되어 있을 때 높은 패킹 밀도(packing density)를 가질 수 있으며, 또한 유전상수 역시 더 높은 값을 나타내어, MIM 커패시터의 성능이 향상될 수 있다.
고분자 수지는 고유전성 세라믹 파우더 사이에 공간에 함침된다. 이러한 고분자 수지는 고유전성 세라믹의 응력을 감소시켜 세라믹 고유의 취성을 줄인다. 상기 고분자 수지는 폴리아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 불포화 폴리에스테르계 수지 등 다양한 수지가 될 수 있으며, 이 외에도 열경화형 수지 혹은 광경화형 수지가 제한없이 이용될 수 있다.
상기 세라믹-고분자 조성물에서 고분자 수지의 함량은 고유전성 세라믹 파우더 100 중량부에 대하여, 10 ~ 150 중량부인 것이 바람직하다. 고분자 수지의 함량이 10 중량부 미만일 경우, 고분자 함침의 효과가 불충분하고, 고분자 수지의 함량이 150 중량부를 초과할 경우 MIM 커패시터에서 절연체의 유전특성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상기 세라믹-고분자 조성물에 포함되는 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 포름아미드 등 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지를 분산시킬 수 있는 것이라면 제한없이 이용될 수 있다.
또한, 상기 세라믹-고분자 조성물에는 표면장력 제어와 분산성 향상등을 위하여 분산제가 더 포함될 수 있다. 이러한 분산제는 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 등이 이용될 수 있으며, 이들을 단독으로 혹은 2종 이상 혼합하여 이용할 수 있다.
다만, 상기 분산제가 과다하게 첨가될 경우 용액 안정성 및 MIM 커패시터의 절연체의 유전특성을 저해할 수 있으므로, 상기 분산제는 상기 세라믹-고분자 조성물 100 중량부에 대하여, 5중량부 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
다음으로, 세라믹-고분자 막 형성 단계(S120)에서는 세라믹-고분자 조성물을 하부 금속 위에 도포한 후 건조과정을 통하여 세라믹-고분자 막을 형성한다.
이때, 세라믹-고분자 조성물은 균일한 두께의 도포가 가능한 잉크젯 인쇄법(ink jet printing)으로 도포되는 것이 바람직하다.
다음으로, 고분자 수지 경화 단계(S130)에서는 형성된 막에 열을 가하거나 혹은 자외선 등의 광을 조사하여, 막 내에 포함된 고분자 수지를 열경화 혹은 광경화함으로써 MIM 커패시터의 최종 절연체를 형성한다.
상기의 고유전성 세라믹 파우더와 고분자 수지의 복합 구조를 통하여 MIM 커패시터의 절연체 형성에서 소결 공정을 생략, 즉 무소결(non-sintering) 방식으로 절연체를 형성할 수 있으며, 이를 통하여 전체적인 커패시터 제조 비용을 줄일 수 있다.
특히, 무소결 방식으로 절연체를 형성함으로써 소결 공정에 수반되는 절연체의 수축 문제를 해결할 수 있어 MIM 커패시터 성능의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 무소결 MIM 커패시터 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 무소결 MIM 커패시터 제조 방법에서 절연체의 형성 과정은 세라믹 조성물 및 고분자 조성물 마련 단계(S210), 세라믹 막 형성 단계(S220), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S230) 및 고분자 수지 경화 단계(S240)를 포함한다.
도 2에 도시된 방법은 도 1에 도시된 방법과 유사하다. 다만, 도 1에 도시된 방법에서는 고유전성 세라믹과 고분자 수지를 함께 도포하나, 도 2에 도시된 방법에서는 세라믹 조성물을 하부 금속 상에 도포하여 세라믹 막을 형성한 상태에서 세라믹 막 위에 고분자 조성물을 도포하여 세라믹 막 내로 침투시킨다.
세라믹 조성물 및 고분자 조성물 마련 단계(S210)에서 세라믹 조성물의 경우, 스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더 및 용매를 포함하는 세라믹 조성물로 마련되거나, 평균 입경이 400 ~ 800 nm인 고유전성 세라믹 파우더 및 용매를 포함하는 세라믹 조성물로 마련될 수 있다.
또한 고분자 조성물의 경우, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 고분자 조성물로 마련될 수 있다.
이러한 세라믹 조성물 및 고분자 조성물의 경우 도 1의 세라믹-고분자 조성물을 분리하여 마련하는 것이므로, 구체적인 사항은 도 1에 도시된 실시예에 적용되는 사항과 거의 동일하다.
즉, 세라믹 조성물에서 고유전성 세라믹 파우더는 BaTiO3가 될 수 있으며, 고분자 조성물에서 고분자 수지는 열경화형 수지 혹은 광경화형 수지가 제한없이 이용될 수 있으며, 각각의 조성물에서 용매는 물, 에탄올 등이 이용될 수 있으며, 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제 등의 분산제가 더 포함될 수 있다.
또한, 고분자 수지의 함량은 고유전성 세라믹 파우더 100 중량부에 대하여, 10 ~ 150 중량부가 될 수 있다. 본 실시에에서는 상기 범위 내에서 고유전성 세라믹 파우더는 세라믹 조성물에, 고분자 수지는 고분자 조성물에 분리되어 포함된다.
이들, 세라믹 조성물 또는 상기 고분자 조성물은 잉크젯 인쇄법으로 도포될 수 있다.
세라믹 막 형성 단계(S220)에서는 세라믹 조성물을 하부 금속 위에 도포하여 세라믹 막을 형성하고, 세라믹-고분자 막 형성 단계(S230)에서는 하부 금속 상에 형성된 세라믹 막 상에 고분자 조성물을 도포하고, 이를 세라믹 막 내로 침투(penetrating)시켜 세라믹-고분자 막을 형성한다. 고분자 수지 경화 단계(S240)에서는 상기 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시켜, 무소결 방법으로 최종 MIM 커패시터의 절연층을 형성한다.
도 3은 고유전성 세라믹 파우더의 사이즈에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타낸 것이고, 도 4는 고유전성 세라믹 파우더의 사이즈에 따른 유전상수의 변화를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 고유전성 세라믹 파우더(BaTiO3)의 평균 입경의 차이에 따른 패킹 밀도의 변화는 크게 나타나지 않는다. 그러나, 도 4를 참조하면, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 증가할수록 유전상수도 더 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 500nm일 경우 평균 63 정도의 유전상수를 나타내었으며, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 대략 400nm일 경우 평균 60 정도의 유전상수를 나타내고 있으므로, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 대략 400nm 이상일 때 MIM 커패시터의 절연체로 바람직하게 적용할 수 있다.
도 5는 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 부피 분율에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타낸 것이고, 도 6은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 부피 분율에 따른 유전상수의 변화를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 라지 파우더의 부피 분율(volume fraction)이 증가할수록 대체적으로 패킹밀도 및 유전상수가 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 150nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더의 부피 분율이 대략 0.75(75vol.%)이고, 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더의 부피 분율이 대략 0.25(25vol.%)일 때가 가장 높은 유전상수를 나타내고 있는 바, 고유전성 세라믹 파우더가 라지 파우더 혹은 스몰 파우더 단독으로이용될 때보다 대략 70 ~ 80 vol.%의 라지 파우더와 20 ~ 30 vol.%의 스몰 파우더가 함께 이용될 때 MIM 커패시터의 절연체에서 우수한 유전특성을 나타낼 수 있다.
도 7은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 평균 입경 차이에 따른 패킹 밀도의 변화를 나타내고, 도 8은 고유전성 세라믹 파우더에서 스몰 파우더와 라지 파우더의 평균 입경 차이에 따른 유전 상수의 변화를 나타낸다.
이론적으로, 라지 파우더들이 완벽한 Close Packed Structure를 가진다고 가정할 때, 평면적으로 서로 접하는 3개의 라지 파우더의 중심을 연결하면 정삼각형을 형성한다. 이를 피타고라스의 정리에 적용하면, 라지 파우더들의 평균 입경이 스몰 파우더의 평균 입경보다 대략 6.5배 이상이어야 라지 파우더들 사이의 빈 공간을 스몰 파우더가 더 쉽게 채워질 수 있다.
즉, 라지 파우더만 이용하거나 라지 파우더의 평균 입경이 스몰 파우더의 평균 입경보다 6.5배 이하인 경우 패킹 밀도가 상대적으로 낮으며, 라지 파우더들의 평균 입경이 스몰 파우더의 평균 입경보다 크면 클 수 록 패킹 밀도를 높일 수 있다. 이는 도 7에 도시된 실험 결과에서도 잘 나타난다.
도 7을 참조하면, 라지 파우더를 단독으로 이용할 때에 비하여 라지 파우더와 스몰 파우더를 함께 이용할 경우 패킹 밀도가 증가함을 알 수 있고, 라지 파우더와 스몰 파우더의 평균 입경 차이가 클수록 패킹 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 30nm의 평균 입경과 부피 분율이 0.25인 스몰 파우더를 고정한 상태에서 라지 파우더의 평균 입경 차이에 따른 유전 상수 증가 여부를 측정하였을 때, 라지 파우더의 평균 입경이 크면 클 수록 유전 상수도 더 증가함을 알 수 있다. 특히, 라지 파우더의 평균 입경이 500nm이고, 스몰 파우더의 평균 입경이 30nm이며, 라지 파우더의 부피 분율이 0.75일 때 유전상수가 가장 큰 값을 나타내었다.
도 9는 150nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때 제조된 MIM 커패시터 절연체의 사진을 나타낸 것이고, 도 10은 150nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 라지 파우더와 스몰 파우더를 함께 적용한 경우가 라지 파우더만 적용한 경우보다 공극을 채운 정도는 높았으나, 도 9 및 도 10 전체적으로 라지 파우더들의 공극을 효율적으로 채우지는 못하였다.
도 11은 300nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이고, 도 12는 300nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 라지 파우더만 적용한 경우보다 라지 파우더와 스몰 파우더를 함께 적용하였을 때 공극을 효율적으로 채우고 있었으며, 도 12와 도 10을 비교할 때 라지 파우더와 스몰 파우더의 평균 입경의 차이가 클수록 라지 파우더의 공극을 더 효율적으로 채우는 것을 볼 수 있다.
도 13은 500nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더만을 적용하였을 때의 절연체의 사진을 나타낸 것이고, 도 14는 500nm의 평균 입경을 갖는 라지 파우더 75 vol.%와 30nm의 평균 입경을 갖는 스몰 파우더 25 vol.%를 함께 적용하였을 때 절연체의 사진을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 라지 파우더만 적용한 경우보다 라지 파우더와 스몰 파우더를 함께 적용하였을 때 공극을 효율적으로 채우고 있었으며, 도 14와 도 10, 도 12를 비교할 때 라지 파우더와 스몰 파우더의 평균 입경의 차이가 크면 클수록 라지 파우더의 공극을 더 효율적으로 채워져 패킹 밀도가 높은 것을 알 수 있다.
이러한 점을 고려할 때, 바람직하게는, MIM 커패시터의 절연층 형성을 위하여, 라지 파우더의 평균 입경이 대략 490 ~ 510 nm, 스몰 파우더의 평균 입경이 대략 25 ~ 35 nm, 라지 파우더의 부피 분율이 대략 70 ~ 80 vol.%, 스몰 파우더의 부피 분율이 대략 20 ~ 30 vol.%인 고유전성 세라믹 파우더를 제시할 수 있다.
도 1이나 도 2에 도시된 실시예들이나 혹은 다른 방법으로 제조된 MIM 커패시터는 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함한다.
본 발명에 따른 MIM 커패시터의 경우, 상기 절연체는 고분자 수지가 함침된 고유전성 세라믹 파우더로 형성된다.
전술한 바와 같이, 고분자 수지는 고유전성 세라믹 파우더 100 중량부에 대하여, 10 ~ 150 중량부의 함량비로 포함되는 경우 유전특성 저하없이 충분한 고분자 함침의 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 고유전성 세라믹 파우더는 스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함할 수 있다. 이때, 상기 스몰 파우더는 20 ~ 30 vol.%, 상기 라지 파우더는 70 ~ 80 vol.%의 비율로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라지 파우더의 평균 입경은 상기 스몰 파우더의 평균 입경의 6.5배 이상일 때 높은 유전상수를 가질 수 있다. 구체적으로, 라지 파우더의 평균 입경은 490~510 nm이고, 상기 스몰 파우더의 평균 입경은 25 ~ 35 nm 일 수 있다.
또한 다른 측면에서, 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경이 증가할수록 유전상수도 더 높은 값을 가지므로, 유전상수 및 잉크젯 공정 적용 등을 고려할 때, 상기 고유전성 세라믹 파우더의 평균 입경은 400 nm ~ 800 nm일 수 있다.
절연체에서, 고유전성 세라믹 파우더는 BaTiO3 가 될 수 있고, 고분자 수지는 열경화형 수지 혹은 광경화형 수지가 될 수 있다. 또한, 하부 금속 및 상부 금속은 은(Ag)으로 형성될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
S110 : 세라믹-고분자 조성물 마련 단계
S120 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S130 : 고분자 수지 경화 단계
S210 : 세라믹 조성물, 고분자 조성물 마련 단계
S220 : 세라믹 막 형성 단계
S230 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S240 : 고분자 수지 경화 단계

Claims (26)

  1. 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터(Metal - Insulator - Metal Capacitor)의 제조 방법에 있어서,
    상기 절연체(Insulator)는,
    스몰 파우더(small powder)와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더(large powder)를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 조성물을 마련하는 단계;
    상기 세라믹-고분자 조성물을 상기 하부 금속 위에 도포하여 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결(non-sintering) 방식으로 형성되고,
    상기 고유전성 세라믹 파우더는 상기 스몰 파우더 20 ~ 30 vol.% 및 상기 라지 파우더 70 ~ 80 vol.%를 포함하되, 상기 라지 파우더의 평균 입경은 상기 스몰 파우더의 평균 입경의 6.5배 이상인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  2. 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터의 제조 방법에 있어서,
    상기 절연체는,
    스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함하는 고유전성 세라믹 파우더 및 용매를 포함하는 세라믹 조성물을 마련하는 단계;
    고분자 수지 및 용매를 포함하는 고분자 조성물을 마련하는 단계;
    상기 세라믹 조성물을 하부 금속 위에 도포하여 세라믹 막을 형성하는 단계;
    상기 형성된 세라믹 막 상에 상기 고분자 조성물을 도포하고, 상기 고분자 조성물을 상기 세라믹 내로 침투(penetrating)시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; 및
    상기 세라믹-고분자 막 내의 고분자 수지를 경화시키는 단계를 포함하여, 무소결 방식으로 형성되고,
    상기 고유전성 세라믹 파우더는 상기 스몰 파우더 20 ~ 30 vol.% 및 상기 라지 파우더 70 ~ 80 vol.%를 포함하되, 상기 라지 파우더의 평균 입경은 상기 스몰 파우더의 평균 입경의 6.5배 이상인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹-고분자 조성물은 잉크젯 인쇄법(ink jet printing)으로 도포되는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물 또는 상기 고분자 조성물은 잉크젯 인쇄법으로 도포되는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 라지 파우더의 평균 입경은 490~510 nm이고, 상기 스몰 파우더의 평균 입경은 25 ~ 35 nm 인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고유전성 세라믹 파우더는 BaTiO3 인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지의 함량은 상기 고유전성 세라믹 파우더 100 중량부에 대하여, 10 ~ 150 중량부인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 열경화형 수지 또는 광경화형 수지인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹-고분자 조성물은 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 중에서 하나 이상을 포함하는 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 분산제는 상기 세라믹-고분자 조성물 100 중량부에 대하여, 5중량부 이하의 함량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물 또는 고분자 조성물은 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 중에서 하나 이상을 포함하는 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터 제조 방법.
  17. 하부 금속-절연체-상부 금속 구조를 포함하는 MIM 커패시터로서,
    상기 절연체는, 고분자 수지가 함침된 고유전성 세라믹 파우더로 형성되되,
    상기 고유전성 세라믹 파우더는 스몰 파우더와 상기 스몰 파우더보다 더 큰 평균 입경을 갖는 라지 파우더를 포함하되, 상기 스몰 파우더 20 ~ 30 vol.% 및 상기 라지 파우더 70 ~ 80 vol.%를 포함하고, 상기 라지 파우더의 평균 입경은 상기 스몰 파우더의 평균 입경의 6.5배 이상인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 고유전성 세라믹 파우더는 BaTiO3 인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제17항에 있어서,
    상기 라지 파우더의 평균 입경은 490~510 nm이고, 상기 스몰 파우더의 평균 입경은 25 ~ 35 nm 인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 상기 고유전성 세라믹 파우더 100 중량부에 대하여, 10 ~ 150 중량부의 함량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 열경화형 수지 또는 광경화형 수지인 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 하부 금속 및 상부 금속은 은(Ag)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무소결 MIM 커패시터.
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