KR101673857B1 - 에너지 저장 세라믹 유전체 컴포넌트 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축전기 성분으로서 사용될 수 있는, 신규 조성의 물질, 즉 높은 유전체 유전율의 La0 .4Ba0 .6Mn0 .4Ti0 .6O3 세라믹이다. 이 물질에서의 유전체 성질은, 기존 유전체 컴포넌트에 비해 현저히 개선된 것이다. 광범위한 주파수 및 온도에서 작동 또는 이용할 수 있는 이의 제형 및 가공 기술에 따른 본 발명의 세라믹에서의 높은 유전체 유전율의 발견은 전자 및 전기 장치들에서 매우 유용하다. 본 발명은 소정 범위의 온도에서 최선으로 적용된다. 1kHz에서 기록된 유전율은 ~20,000 내지 ~54,000이며, 이는 30의 주파수에 걸쳐 거의 일정하다. 따라서, 수득된 유전체 유전율은 에너지 저장소, 센서, 전기 필터 등으로서 사용될 수 있을 뿐 아니라 장치 크기를 최소화한다.

Description

에너지 저장 세라믹 유전체 컴포넌트 및 그 방법 {ENERGY STORAGE CERAMIC DIELECTRIC COMPONENT AND METHOD THEREOF}
본 발명은, 높은 유전체 유전율, 낮은 손실 및 열 안정성, 바람직하게는 광범위한 주파수를 갖는 에너지 저장소에 관한 것이다.
축전기(capacitor) 또는 콘덴서(condenser)는, 유전체에 의해 분리된 한 쌍의 전도체들로 이루어지는 수동 전자 컴포넌트이다. 상기 전도체들 간에 전압 전위차가 존재하는 경우, 전기장이 유전체에 존재한다. 이 전기장은 에너지를 저장하고, 플레이트들간의 기계적인 힘을 생산한다. 넓고, 편평하며, 평행이고 좁게 분리된 전도체들간에서 그 효과가 가장 크다.
이상적인 축전기는 단일 상수값인, 패럿(farads)으로 측정되는 정전용량에 의해 특징된다. 이는 전도체들 간의 전위차에 대한 각 전도체들 상의 전하의 비율이다. 실제로, 플레이트들 사이의 유전체는 소량의 누출 전류를 통과시킨다. 상기 전도체들과 리드들(leads)들은 균등한 일련의 저항을 도입하며, 상기 유전체는 전기장 강도 제한을 가져 그 결과 파괴전압(breakdown)을 일으킨다.
따라서, 본 발명은 높은 유전체 유전율을 갖는 에너지 저장 컴포넌트의 제조방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다: 화학양론적 양(바람직하게는, 산화란타늄(La2O3), 산화바륨(BaO), 이산화망간(II)(MnO2) 및 산화티타늄 (IV)(TiO2))의 성분들을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 건조 분말을 수득하는 단계; 상기 건조 분말을 하소하면서 분쇄하는 단계(바람직하게는 30분 동안, 그리고 적어도 24시간 동안 900℃ 내지 1000℃ 동안 하소하는 단계); 하소된 건조 분말을 수득하는 단계; 상기 하소된 건조 분말을 복수의 펠렛들로 압착하는 단계; 상기 펠렛들을 (바람직하게는 1200℃ 내지 1300℃에서 12시간 내지 24시간 동안) 소성하는 단계; 상기 단계들을 적어도 2회 반복하는 단계; 이후, 상기 방법은 생성물을 체질하는 단계를 더 포함하고; 상기 생성물을 펠렛으로 압착하는 단계; 생성물 펠렛을 수득하는 단계; 상기 생성물 펠렛을 압착하는 단계; 및/또는 상기 생성물 펠렛을 소결하는 단계. 나아가, 상기 건조 혼합 분말을 30분 동안 분쇄하고, 900℃ 내지 1000℃에서 적어도 24시간 동안 하소한다. 실제로, 총 반복 가열 시간은 48시간 내지 72시간이다. 상기 체질은 20 내지 45㎛2의 구멍들을 이용하여 수행되며, 상기 생성물 펠렛들의 지름은 약 13cm이다. 상기 가압은 5 내지 6톤 사이에서 수행되며, 소결은 1200℃ 내지 1300℃에서 2 내지 12시간 동안 수행된다.
나아가, 높은 유전체 유전율, 낮은 손실, 열 안정성을 갖고, 광범위한 주파수에서 안정한 에너지 저장 기구(apparatus)가 제공되며, 상기 기구는 화학양론적 양의 성분들 및 그의 제조방법을 포함한다. 화학양론적 양의 성분들을 가질 수 있는 기구는 산화란타늄(La2O3), 산화바륨(BaO), 이산화망간(MnO2) 및 산화티타늄(IV)(TiO2)이다. 화학양론적 양의 성분들은 자석 교반기를 이용하여 24시간 동안 혼합된다고 한다. 상기 기구는 높은 유전체 유전율을 갖는 에너지 저장 컴포넌트를 제조하는 방법을 가능하게 한다.
본 발명은 몇몇 신규 특징들 및 이하에서 상세히 설명되고, 첨부된 명세서 및 도면들에서 예시된 부분들의 조합으로 이루어지며, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않거나 또는 본 발명의 임의의 장점들을 희생시키지 않으면서 세부사항들에서의 각종 변화들이 만들어질 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 여기에서 하기 제공된 상세한 설명 및 단지 예시목적으로 제공되어 본 발명을 제한하지 않는 첨부된 도면으로부터 충분히 이해될 것이며, 도면에서,
도 1은 상이한 온도에서 유전체 유전율의 주파수 의존성을 나타내는 그래프 이다;
도 2는 상이한 온도에서 손실 정접의 주파수 의존성을 나타내는 그래프이다;
도 3은 (a) 10Hz, (b) 1kHz 및 (c) 1MHz에서의 유전체 유전율의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다; 그리고
도 4는 1KHz에서 전류 축전기 BaTiO3와 본 발명의 LBMT들 간의 유전체 유전율의 비교를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 에너지 저장 컴포넌트 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 이하에서, 본 명세서는 본 발명의 바람직한 구체예들에 따른 본 발명을 설명할 것이다. 그러나, 이러한 설명을 본 발명의 바람직한 구체예들에 한정한 것은 단지 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위한 것으로 이해되어야 하며, 당업자는 첨부된 특허청구범위의 범주로부터 벗어나지 않으면서 각종 변경들 및 균등물들을 고안할 수 있을 것임이 예상된다.
하기 바람직한 구체예들의 상세한 설명은, 첨부된 도면들을, 각각 또는 이들을 조합하여 설명될 것이다.
본 발명은 신규 조성의 물질 La0 .4Ba0 .6Mn0 .4Ti0 .6O3 산화물로, 축전기 성분으로서 사용될 수 있다. 이 물질이 갖는 유전체 성질은, 기존 컴포넌트에 비해 현저히 개선된다.
광범위한 주파수 및 온도에서 작동 또는 이용할 수 있는 제형(formulation) 및 가공 기술에 따른 높은 유전체 유전율 La0.4Ba0.6Mn0.4Ti0.6O3 세라믹의 발견은 전자 및 전기 장치들에서 매우 유용하다. 본 발명은 0℃ 내지 125℃의 온도 범위에서 최선으로 적용된다. 이 온도에서 1kHz에서 기록된 유전율은 ~20,000 내지 ~54,000이며, 30의 주파수에 걸쳐 거의 일정하다. 따라서, 수득된 유전체 유전율은 에너지 저장소, 센서, 전기 필터 등으로서 사용될 수 있을 뿐 아니라 장치 크기를 최소화한다.
축전기 성분으로서, 본 발명은 실온, 1KHz에서 ~35,000의 큰 유전체 유전율 값을 갖는 한편, 사용된 현행 컴포넌트는 BaTiO3로, 1kHz에서 ~1200의 유전체 유전율을 갖는다.
본 발명은 에너지 저장소(축전기), 센서, 전기 필터 및 기판(substrate)으로서 사용될 수 있으며, 레지스터 컴포넌트로서 사용될 수 있는 양호한 저항성도 갖는다.
에너지 저장소인 경우, 샘플은 두 개의 플레이트들 사이에 위치되며, 교류 전기장이 인가된다. 센서 적용인 경우, 샘플은 상이한 온도에 노출시 회로 브리지(bridge)에 상이한 전압을 제공하는 Wheatstone 브리지에 따라 배열된다. 샘플은, 그 자신의 절연성들로 인해 두 개의 전도체들 사이에서 디바이더(divider)로서 사용될 수도 있다. 이는 기판으로서 사용될 수도 있다.
본 발명은 높은 유전체 유전율, 낮은 손실, 열 안정성을 갖고, 광범위한 주파수에서 안정하다. 본 발명은 에너지 저장 문제를 해결한다.
화학양론적 양의 La2O3, BaO, MnO2 및 TiO2를 함께 혼합하고 1300℃에서 소결하여 원하는 생성물을 형성하는 기존의 고체 상태 반응 기술에 의해 La0.4Ba0.6Mn0.4Ti0.6O3 샘플들을 제조하였다.
1/5(La2O3) + 3/5(BaO) + 2/5(MnO2) + 3/5(TiO2) ↔ La0 .4Ba0 .6Mn0 .4Ti0 .6O3.
본 발명의 성분들의 리스트:
성분들 순도(%) 분자량(g/몰) 제조자
산화란타늄(La2O3) 99.90 325.82 Fisher Chemical
산화바륨(BaO) 99.99 153.34 Aldrich
이산화망간(II)(MnO2) 99.50 70.94 Alfa Aesar
산화티타늄(IV)(TiO2) 99.90 79.88 Alfa Aesar
샘플 제조 공정을 하기에 상술하였다. 화학양론적 양의 La2O3, BaO, MnO2 및 TiO2를 자석 교반기를 사용하여 24시간 동안 아세톤 중에서 완전히 혼합하였다. 상기 건조 혼합 분말들을 30분 동안 분쇄하고, 950℃에서 24시간 동안 하소하였다. 그 후, 하소된 분말을 먼저 분쇄한 후, 1300℃에서 24시간 동안 소성하기 전, 펠렛으로 압착하였다. 다시, 동일한 공정을 2회 반복하였으며, 총 가열시간은 72 시간이었다. 마지막으로, 상기 분말을 45㎛2의 크기의 구멍들을 이용하여 체로 치고(sieved), 6톤의 압력으로 지름이 13cm인 펠렛들로 압착하고, 1300℃에서 3시간 동안 소결하였다.
0℃ 미만의 온도와 같은 몇가지 제한들이 있으며, 유전체 유전율이 1kHz 및 125℃ 이상의 온도에서 보다 낮으며(εr'<20,000), 유전체 손실이 보다 높다(D > 0.83). 이러한 제한들은 바륨 자리에 스트론튬(Sr) 및/또는 칼슘(Ca)과 같은 다른 성분들로 도핑(doping)하므로써 극복될 수 있다.
상이한 주파수 및 온도에서의 유전체 유전율 및 손실 정접 값들
온도(℃)
 10 Hz 1 kHz 1 MHz
ε' D ε' D ε' D
-100 4750 2.76 210 0.52 130 0.02
-75 17200 0.49 340 1.91 140 0.07
-50 24620 1.85 1090 2.90 150 0.15
-25 42420 0.58 5400 1.90 170 0.30
0 51540 0.68 20780 0.87 200 0.56
25 59320 1.54 34790 0.48 240 0.99
50 71180 1.72 37250 0.33 250 1.59
75 91950 3.63 41490 0.35 290 2.61
100 81860 12.17 47160 0.50 360 4.10
125 115080 23.27 54400 0.83 480 5.59
150 177960 37.52 62340 1.46 700 6.58
175 216520 75.05 68160 2.90 1120 6.77
200 453790 82.69 70230 6.31 1840 6.44

Claims (14)

  1. 다음 단계들을 포함하는, 에너지 저장 컴포넌트의 제조방법:
    a) La0.4Ba0.6Mn0.4Ti0.6O3 의 화학양론적 양의 성분들을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계;
    b) 상기 단계 (a)로부터의 혼합물을 건조하여 건조 분말을 수득하는 단계;
    c) 상기 건조 분말을 900 내지 1000 ℃에서 하소하면서 분쇄하는 단계;
    d) 상기 하소된 건조 분말을 수득하는 단계;
    e) 상기 하소된 건조 분말을 복수의 펠렛들로 압착하는 단계;
    f) 상기 단계 (e)로부터의 펠렛들을 1200 내지 1300 ℃에서 소성하는 단계;
    g) 상기 단계들 (c 내지 f)를 적어도 2회 반복하는 단계;
    h) 생성물을 체질하는 단계;
    i) 상기 생성물을 펠렛으로 압착하는 단계;
    j) 상기 생성물 펠렛을 수득하는 단계;
    k) 상기 생성물 펠렛을 가압하는 단계; 및
    l) 상기 생성물 펠렛을 소결하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 화학양론적 양의 성분들은 산화란타늄(La2O3), 산화바륨(BaO), 이산화망간(II)(MnO2) 및 산화티타늄(IV)(TiO2)인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 화학양론적 양의 성분들은 자석 교반기를 사용하여 24시간 동안 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 건조 혼합 분말을 30분 동안 분쇄하고 900℃ 내지 1000℃에서 적어도 24시간 동안 하소하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 펠렛의 소성은 1200℃ 내지 1300℃에서 12시간 내지 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (c) 내지 (f)의 반복된 가열 시간의 합계는 48 내지 72 시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 체질은 20 내지 45㎛2의 구멍들을 이용하여 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 생성물 펠렛들의 지름은 13 cm인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 가압은 5 내지 6톤의 힘을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 소결은 1200℃ 내지 1300℃에서 2 내지 12시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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