KR101155377B1 - 커패시터 유전체용 조성물 - Google Patents
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Abstract
대면적으로 증착이 가능하면서 저온 열처리로 고용량 캐패시터를 구현할 수 있는 조성물과 그 조성물로부터 구현되는 박막형 고용량 캐패시터 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 조성물은 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 소정의 유기 용매 및 소정의 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)에 혼합하여 합성된다.
유전체, 커패시터, 박막
Description
본 발명은 커패시터 유전체용 조성물, 이를 이용한 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것으로 특히, 대면적으로 증착이 가능하면서 저온 열처리로 고용량 캐패시터를 구현할 수 있는 조성물과 그 조성물로부터 구현되는 박막형 고용량 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 이동 통신의 발전에 따라 소형화, 경량화 및 복합 다기능화되는 경향으로 인해 수동 부품 소자의 적층화와 복합화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 다양한 유전체용 재료들이 개발되어 왔다. 아울러, 개발되어 온 다양한 유전율의 재료들을 적층화 및 복합화시키기 위해서 이 재료들을 얇은 판상의 형태로 제작하여 이를 적층 즉 일체화하여 소결하는 것으로 MLC와 같은 다층 커패시터를 제작하였다. 그러나 이러한 다층 커패시터는 수um 내지 수십um의 두께를 가지고 있어서 복합형 기판에 고용량 커패시터를 구현함에 있어서 한계를 지 니고 있다. 또한 종래 기술 중 한 가지는 기존의 다층 커패시터를 유기물 기판에 내장하여 여기에 다시 솔더링 및 와이어링 공정을 통하여 고용량 커패시터가 내장된 기판을 구현하는 예도 있다.
고용량 커패시터가 내장되는 기판을 제작함에 있어서, 기존의 다층 커패시터의 크기로 인해, 보다 얇은 복합 기판을 제작함에 한계가 있고, 아울러 다층 커패시터의 단단함으로 인하여 그것이 내장된 기판의 경우 유연성이 결여되어 플렉시블한 디바이스를 구현함에 한계가 있다.
따라서, 대면적으로 증착이 가능하면서 저온 열처리로 고용량 커패시터를 구현할 수 있고, 기존의 금속 필름 혹은 대면적에 얇은 박막을 구현할 수 있는 공정에 적합한 조성물, 그 조성물로부터 구현되는 박막형 고용량 커패시터 및 그 제조 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 대면적으로 증착이 가능하면서 저온 열처리로 고용량 커패시터를 구현할 수 있고, 기존의 금속 필름 혹은 대면적에 얇은 박막을 구현할 수 있는 공정에 적합한 커패시터 유전체용 조성물, 그 조성물로부터 구현되는 고용량 커패시터 및 그 제조 방법을 각각 제공하는 것이다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 커패시터 유전체용 조성물은 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 소정의 유기 용매 및 소정의 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)에 혼합하여 조성된다. 바람직하게는, 상기 유기 용매는 메톡시 에탄올(methoxy ethanol)을 포함한다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 커패시터는 하나 이상의 유전체 층 및 둘 이상의 전극을 포함하는 커패시터에 있어서, 상기 하나 이상의 유전체 층의 유전체 조성물이 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 소정의 유기 용매 및 소정의 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)에 혼합하여 조성된다. 또한, 바람직하게는 상기 유기 용매는 메톡시 에탄올(methoxy ethanol)을 포함한다.
본 발명의 제 3 관점에 따른 커패시터 제조 방법은 유전체용 조성물을 준비하는 단계; 기판 상에 상기 조성물을 사용하여 박막을 형성하는 단계; 상기 박막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 조성물은 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 소정의 유기 용매 및 소정의 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)에 혼합하여 조성된다.
바람직하게는, 상기 유기 용매는 메톡시 에탄올(methoxy ethanol)을 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 조성물은 자력 교반기(magnetic strirrer)을 이용하여 혼합되며, 상기 혼합은 상기 유기 용매를 끊는점 이하의 온도로 가열하여 혼합한다. 보다 바람직하게는, 상기 혼합은 환류(reflux) 공정을 이용하여 구현한다.
또한 바람직하게는, 상기 박막의 형성은 딥 코팅(dip coating) 공정, 스프레이 코팅(spray coating) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 및 슬립 코팅(slip coating) 공정 중 어느 한 공정을 이용한다.
바람직하게는, 상기 박막을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 상기 조성물을 증착시키는 단계; 상기 기판 상에 증착된 상기 조성물을 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 조성물을 RTS(Rapid Thermal Annealling) 공정을 이용하여 상기 박막을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 박막의 두께를 조절하기 위해, 상기 증착 단계 및 상기 건조 단계를 반복적으로 수행하여 구현한다. 바람직하게는, 상기 상기 증착 단계 및 상기 건조 단계를 10 - 20회 반복한다.
바람직하게는, 상기 전극은 스퍼터(Sputter) 공정을 이용하여 구현한다.
본 발명에 의하면, 대면적으로 증착이 가능하면서 저온 열처리로 고용량 커패시터를 구현할 수 있고, 기존의 금속 필름 혹은 대면적에 얇은 박막을 구현할 수 있는 공정에 적합한 커패시터 유전체용 조성물, 이를 이용한 커패시터 및 그 제조 방법을 실현할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 유전체용 조성물을 합성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 유전체용 조성물을 사용하여 400℃ 이하의 열처리 온도로 제조된 커패시터의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 유전체용 조성물을 사용하여 300℃ 이하의 열처리 온도 로 제조된 커패시터의 특성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 커패시터 유전체용 조성물은 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 소정의 유기 용매 예컨대, 메톡시 에탄올(methoxy ethanol)에 혼합하여 녹인다. 그런 후, 이를 다시 소정의 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)와 혼합하여 조성물을 합성한다. 이때, 혼합 공정은 일반적인 자력 교반기(magnetic strirrer)을 사용할 수 있다.
혼합 시, 유기 용매의 끓는점 이하로 온도를 가열하여 혼합을 하면 혼합 공정을 더욱 용이하게 하여 줄 수 있다. 더욱더 용이한 혼합 공정을 위하여 리플럭스(reflux) 공정을 도입하여 유기 용매의 끓는점 이상으로 온도를 가열하면서 워터 쿨링 트랩(water cooling trap)이 설치되어 있는 기구를 이용하여 휘발된 유기 용매가 다시 순환될 수 있는 치구를 이용하면 더욱 바람직하다.
리플럭스(reflux) 공정을 도입하면 분자 단위에서의 더욱 활성된 상태의 혼합을 유도할 수 있다. 혼합된 조성물은 몰 농도비를 맞추기 위하여 추가적인 유기 용매와의 혼합이 가능하다.
이어서, 상기 조성된 유전체용 조성물을 이용하여 커패시터를 제조하는 과정 을 설명한다.
투명한 상태로 혼합된 조성물을 이용하여 박막을 형성하는 공정은 일반적으로 잘 알려진 딥 코팅(dip coating) 공정, 스프레이 코팅(spray coating) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 및 슬립 코팅(slip coating) 공정 중 어느 한 공정을 이용하여 구현할 수 있다.
예컨대, 스핀 코팅을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 예로 들면, 희망하는 두께의 박막을 구현하기 위하여 스핀 코팅 후 건조 공정을 거치고 다시 스핀 코팅을 실시하여 반복하는 횟수에 따라 증착되는 박막의 두께를 제어 할 수 있다. 통상 위에서 합성된 조성물의 경우는 10~20 코팅 횟수에 따라 최종적으로 100nm~200nm 두께의 박막을 구현할 수 있다.
제작이 완료된 박막은 RTS(Rapid Thermal Annealling) 공정을 거쳐서 열처리를 하여 최종적으로 완성된다. 열처리는 예컨대, 분당 20도씨 이상의 급속한 승온률을 활용한다. 상기 완성된 박막에 전극을 형성하여 커패시터를 완성한다. 예컨대, 상기 전극은 스퍼터(sputter) 공정을 활용하여 전극을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물을 이용하여 제조된 커패시터의 특성을 일반적인 LCR 미터(meter)를 이용하여 평가한 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
일반적으로 구리 포일(cu foil)은 300℃ 이하, 니켈 포일(nickel foil)은 400℃이하에서 사용이 가능하다. 본 발명은 그러한 온도 조건에서 열처리가 완료될 수 있으므로 전극 포일(foil)에 증착이 되어 열처리를 거치고 상부 전극을 형성하여 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 2.8fF/um2~3.7fF/um2의 커패시턴스(capacitance)를 구현하는 저온 증착 박막형 고용량 캐패시터를 얻을 수 있었다.
따라서, 본 발명은 저가에 대면적을 구현할 수 있는 공정을 활용하고 저온에서 열처리가 가능하여 고용량 커패시턴스를 형성할 수 있는 조성물, 이러한 조성물을 이용한 커패시터 및 그 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커패시터 유전체용 조성물을 합성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 유전체용 조성물을 사용하여 400℃ 이하의 열처리 온도로 제조된 커패시터의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 유전체용 조성물을 사용하여 300℃ 이하의 열처리 온도로 제조된 커패시터의 특성을 나타낸 도면이다.
Claims (14)
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- 유전체용 조성물을 준비하는 단계;플렉시블 기판 상에 상기 조성물을 사용하여 유전체 박막을 형성하는 단계;상기 유전체 박막 상에 전극을 형성하는 단계;상기 유전체 박막 및 전극이 형성된 플렉시블 기판을 400℃ 이하의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하고,상기 조성물은 아세트산 비스무트(bismuth acteate) 또는 질산 비스무트(bismuth nitrate) 원료를 유기 용매 및 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide)에 혼합하여 합성되고,400℃ 이하의 온도에서 열처리된 유전체 박막은 주파수 변화에 따라 유전율이 변화하지 않는 상유전성을 가지는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 유기 용매는 메톡시 에탄올(methoxy ethanol)을 포함하는 커패시터 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 조성물은 자력 교반기(magnetic strirrer)을 이용하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 혼합은 상기 유기 용매를 끊는점 이하의 온도로 가열하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 혼합은 환류(reflux) 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 유전체 박막을 형성하는 단계는,딥 코팅(dip coating) 공정, 스프레이 코팅(spray coating) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 및 슬립 코팅(slip coating) 공정 중 어느 한 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
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- 제 10 항에 있어서, 상기 유전체 박막을 형성하는 단계는, 유전체 박막의 두께를 조절하기 위해,상기 조성물을 상기 플렉시블 기판상에 증착하는 증착 단계 및상기 플렉시블 기판상에 증착된 조성물을 건조하는 건조 단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 커패시터 제조 방법.
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- 제 5 항에 있어서, 상기 전극은 스퍼터(Sputter) 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 커패시터 제조 방법.
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| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |