KR101683400B1 - 고강도 저온동시소성세라믹 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도를 가지면서도 저온소결이 가능한 저온동시소성 세라믹스(LTCC)를 개시한다. 본 발명의 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와; Si02, CaO 및 MgO와; Y2O3와 B2O3, 또는 LiO2와 MgO를 포함한 조성으로 구성된다. 본 발명에 의한 LTCC 조성은 1050~1300℃ 범위의 저온에서 소결가능하면서도 최대 375MPa의 고강도를 갖는다. 따라서, 상기 LTCC 조성은 통상의 후막공정에 적용되어 시트 형태 등으로 제조 및 적층되어 이의 표면에 부착되는 Cu 등의 금속전극과 함께 저온에서 동시소성될 수 있다.

Description

고강도 저온동시소성세라믹 조성물 {HIGH-STRENGTH LOW TEMPERATURE CO-FIRED CERAMIC COMPOSITION}
본 발명은 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 저온소결이 가능하면서도 고강도 특성을 갖는 저온동시소성 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
저온동시소성 세라믹스(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramics)는 일반적으로 저온인 대략 950~1000℃ 범위 내외에서 소결가능하고 이러한 낮은 소결온도 덕분에 이에 부착되는 Cu 소재 금속전극과의 동시 소성이 가능한 세라믹스를 일컫는다. 따라서, 이러한 LTCC는 적층이 용이하고 RF 특성이 뛰어나 전자기기 부품 및 기판 소재로 많이 이용된다. 그런데, 휴대형 전자기기로의 적용에 있어서는 기존 전자부품들에서 요구되지 않은 우수한 고강도 특성과 같은 물리적 특성이 요구된다.
일반적으로 LTCC 조성은 낮은 소결온도를 달성하기 위해 알루미나 필러(filler)와 저온 용융이 가능한 글라스(glass)를 포함하며, 이로써 소결과정에서 글라스의 용융에 의한 점성 유동으로 치밀화가 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 글라스 조성은 충격 등에 물리적 특성이 특히 취약한 단점을 갖는다.
이를 해결하기 위하여, 저온에서 글라스로써 소결을 촉진하나 소결이 완료된 후에는 결정화되어 강도를 높이기 위한 결정화 글라스가 개발되고 있다. 이러한 결정화 글라스 중에서 유력한 글라스 결정상으로는 아노사이트(anorthite), 디옵사이드(diopside) 및 코디어라이트(cordierite)이다.
이들 중 현재 상용되는 것은 아노사이트계 글라스이며, 예를 들어 국내 공개특허 제10-2012-0050012호(2012. 5. 18 공개) "저온 소성 글라스 세라믹 조성물"에서는 LCD 폐유리로부터 제조되는 유리 프리트(frit)와 세라믹 충전제를 혼합하여 저온소성이 가능하고 소성과정에서 아노사이트 결정상이 생성되어 저유전율 및 고강도 특성을 나타내는 조성물을 개시한다. 이러한 아노사이트 상은 나머지 두 결정상에 비해 상대적으로 강도특성이 우수한 것으로 알려져 있다.
이렇게 아노사이트계 글라스를 알루미나와 합성한 LTCC의 경우에는 일반적으로 대략 320MPa 정도의 강도가 얻어진다. 이 경우, 주로 알루미나(Al2O3)와 반응하여 아노사이트 상으로 전이될 수 있는 결정화 글라스를 사용하는데, 이러한 글라스는 소결과정에서 첨가된 알루미나와 반응하여 결정상 아노사이트 상이 형성되고 일부 소량의 글라스는 그대로 글라스 상으로 남으며 알루미나 역시 반응에 참여하고 남은 부분은 그대로 알루미나 상으로 잔존하게 되어 결국 아노사이트계 글라스와 Al2O3-아노사이트계 글라스가 혼재하는 상태로 되어버린다.
특히, 상기 아노사이트계 글라스 및 알루미나의 합성 조성에 있어서 알루미나 상이 증가할수록 강도가 증가하는 것이 관찰된다. 따라서, 개선된 강도를 위해 알루미나 함량을 증가시키는 방법이 시도될 수 있겠지만, 정작 알루미나 상을 증가시키면 저온에서 소결이 이루어지지 않기 때문에 이러한 방법은 바람직하지 않다.
따라서, 만일 상기 아노사이트계 글라스 및 알루미나의 합성 조성에서 알루미나에 소량의 첨가제를 추가하여 대략 1050~1100℃ 이하의 비교적 저온에서 환원분위기로 소결할 수 있다면 Cu 내부전극과 함께 저온소결을 기대해볼 수도 있겠으나, 이와는 달리 실제로는 알루미나에 소량의 일부 첨가제를 추가하여도 소결 가능한 소결온도는 최저 1400℃에 그쳐 버리므로 저온 소결이 불가능하다는 문제가 있었다.
그러므로, 상대적으로 많은 첨가제를 추가하더라도 알루미나 상이 최대로 존재하면서 대략 1100℃이하 환원분위기에서 Cu 내부전극과 동시에 소결이 가능한 조성을 확보하는 것이 요구된다.
이에, 본 발명은 고강도를 가지면서도 저온소결이 가능한 저온동시소성 세라믹스를 제공하기 위한 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세라믹스 조성물은 알루미나(Al2O3)와; Si02, CaO 및 MgO와; Y2O3와 B2O3, 또는 LiO2와 MgO를 포함한 조성으로 될 수 있다.
또한, 위와 같은 본 발명의 일 세라믹스 조성물은 하기 조성(wt%)을 가질 수 있다:
Al2O3 80~82.5
Si02 12~15
CaO 1~2
MgO 1~1.5
Y2O3 1~1.5
B2O3 1~1.5
또한, 위와 같은 본 발명의 다른 일 세라믹스 조성물은 하기 조성(wt%)을 가질 수 있다:
Al2O3 80~85
Si02 10~15
CaO 1~1.5
MgO 1~1.5
LiO2 1~1.5
MnO 1~1.5
또한, 본 발명에서 상기 알루미나의 함량은 전체중량 대비 75~90wt%일 수 있다. 그리고, 상기 알루미나의 입자 크기는 0.5~3㎛ 범위일 수 있다.
또한, 위와 같은 본 발명의 세라믹스 조성물은 1050~1300℃의 온도범위에서 소결되어 알루미나 결정상을 이룬다. 이때, 상기 소결은 환원 분위기로 될 수 있다.
본 발명에 의한 액상 소결 첨가제 조성물은 알루미나에 첨가하여 소결할 경우 이에 부착되는 Cu 등의 소재 금속전극과의 동시 소성이 가능한 온도범위에서 저온소결이 가능할 뿐만 아니라 우수한 고강도 특성을 지닌다.
도 1은 본 발명에 있어서 시험조성 "L1", "L5" 및 "L10"을 1300℃ 환원 분위기에서 소결한 후의 X선 회절 분석 결과이다.
도 2a~2c는 도 1의 소결된 시편들의 표면 미세구조에 대한 전자현미경 사진으로서, 도 2a는 L1, 도 2b는 L5, 도 2c는 L10의 표면 미세구조를 나타낸다.
도 3a~3d는 본 발명에 있어서 도 1의 조성 대비 SiO2 함량을 2배 증가시킨 시험조성물을 도 1보다 더 낮은 1200℃ 환원 분위기에서 소결한 후의 소결시편들의 표면 미세구조에 대한 전자현미경 사진으로서, 도 3a는 L5-1, 도 3b는 L5-2, 도 3c는 L10-1, 도 3d는 L10-2의 표면 미세구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예 2의 소결시편 표면에 대한 전자현미경사진이다.
본 발명은 전술했듯이 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하는 조성의 저온동시소성 세라믹스(LTCC) 조성이 고강도를 가지면서도 저온소결이 가능하도록 하는 조성을 제시한다.
이를 위해, 본 발명은 상기 LTCC 조성에서 강도를 증가시키는 알루미나 상이 최대로 존재하도록 하는 한편, Cu 등의 내부전극과 동시소결을 위해 환원 분위기에서 저온소결을 가능하게 하는 액상 소결 첨가제가 첨가된 조성을 개발하였다.
먼저, 본 발명을 안출하기 위한 기초 분석으로서 액상 소결 첨가제로서 SiO2＋CaO, SiO2＋CaO＋MgO 및 SiO2＋Y2O3＋B2O3를 각각 알루미나에 첨가한 시험조성의 제반 물성을 관찰하였다.
이를 위하여 상기의 각 시험조성("L1", "L5" 및 "L10"으로 표기함)은 1300℃ 환원 분위기에서 소결한 후 각각의 소결밀도, X선 회절 분석 및 소결시편 표면의 전자현미경사진으로써 각각의 물성을 관찰하였다. 상기 소결밀도는 아래 표 1에, 상기 X선 회절 분석은 도 1에, 상기 전자현미경사진은 도 2a~2c에 각각 나타낸다.
성분
(wt%)		 Al2O3 SiO2 CaO MgO Y2O3 B2O3 벌크밀도
(g/cm3)
L1 90 5 5 2.63
L5 90 5 2.5 2.5 2.53
L10 90 5 2.5 2.5 2.87
또한, 도 1을 보면, 상기 시험조성들 중 L1에서는 알루미나 이외의 새로운 이차상이 나타남이 관찰되지만, L5 및 L10은 이러한 이차상이 생성되지 않고 양호한 알루미나 상이 관찰된다. 아울러, 도 2에서 표면 미세구조를 보면, 상기 3개 조성들 모두가 치밀한 소결체를 이루었음을 확인할 수 있다.
그리고 나아가, 표 1의 결과로부터 특히 L5 및 L10 조성들에 대하여 액상 형성에 중요한 역할을 하는 성분인 SiO2의 함량을 증가시킴으로써 저온소결이 가능한지 여부를 살필 수 있다.
이를 위하여, 표 1의 L5 조성에서 SiO2 함량을 5wt%에서 10wt%로 2배 증가시킨 2개 시험조성("L5-1" 및 "L5-2"로 표기함)과, 마찬가지로 표 1의 L10 조성에서 SiO2 함량을 5wt%에서 10wt%로 2배 증가시킨 2개 시험조성("L10-1" 및 "L10-2"로 표기함)을 각각 더 낮은 1200℃ 환원 분위기에서 소결한 후 각각의 소결밀도 및 소결시편 표면의 전자현미경사진을 관찰하였다. 상기 소결밀도는 아래 표 2에, 상기 전자현미경사진은 도 3a~3d에 각각 나타낸다.
성분
(wt%)		 Al2O3 SiO2 CaO MgO Y2O3 B2O3 벌크밀도
(g/cm3)
L5-1 85 10 2.5 2.5 2.34
L5-2 80 10 5 5 2.2
L10-1 85 10 2.5 2.5 2.33
L10-2 80 10 5 5 2.27
표 2로부터 실험한 위 시험조성들 중에서 L5-1 조성과 L10-1 조성이 밀도가 비교적 높게 관찰된다. 특히, 도 3a~3d의 표면 미세구조를 살펴보면, L5-1 조성이 매우 치밀한 상태의 표면 미세구조를 보임이 관찰된다. 따라서, L5-1 조성이 저온소결에서 비교적 우수한 소결성을 나타냄을 알 수 있다.
결론적으로 위와 같이 표 2는 SiO2, CaO, MgO, Y2O3, B2O3 성분이 본 발명에서 의도하는 저온소결을 위한 액상 소결 첨가제 조성으로서 유용함을 의미한다.
한편, 본 발명에서는 비교조성들로서 그밖에 액상 소결 첨가제의 후보로 거론될 수 있는 SiO2＋MgO, SiO2＋Y2O3, SiO2＋B2O3, SiO2＋CaO＋Y2O3, SiO2＋CaO＋B2O3, SiO2＋MgO＋Y2O3, SiO2＋MgO＋B2O3를 마찬가지로 각각 알루미나에 첨가하여 1300℃ 환원 분위기에서 소결한 후 소결밀도를 측정하여 그 조성 및 결과를 아래 표 3에 나타낸다.
성분
(wt%)		 Al2O3 SiO2 CaO MgO Y2O3 B2O3 벌크밀도
(g/cm3)
C2 90 5 5 1.91
C3 90 5 5 2.45
C4 90 5 5 2.17
C6 90 5 2.5 2.5 2.12
C7 90 5 2.5 2.5 2.28
C8 90 5 2.5 2.5 2.02
C9 90 5 2.5 2.5 2.13
그러나, 표 3으로부터, 위 비교조성들은 1200℃보다 더 고온인 1300℃ 환원 분위기에서 소결했음에도 불구하고 모두 소결밀도가 낮음을 알 수 있다. 다시 말해, 이는 더 낮은 1200℃ 등의 저온에서 소결할 경우 이들 비교예 조성은 소결성이 크게 악화할 것임을 의미한다. 따라서, 이들 비교조성은 본 발명의 액상 소결 첨가제로서 적합하지 않다.
이상과 같은 기초 시험분석에 근거하여, 본 발명에서는 위 시험조성들을 통해 앞서 분석한 알루미나에 대한 액상 소결 첨가제로서 우수한 저온 소결성을 보인 SiO2, CaO, MgO, Y2O3, B2O3 성분들을 사용하여 바람직한 액상 소결 첨가제 조성을 설계한다.
특히 본 발명에 의하면, 이들 성분을 혼합하여 사용함으로써 이들 성분 간에 상호 작용을 야기하여 좀더 저온에서 많은 액상의 형성을 유도해낼 수 있고, 따라서 전술한 1200℃보다 더 낮은 온도범위인 약 1050℃에서도 양호한 소결성을 이끌어낼 수 있다. 이렇게 설계된 액상 소결 첨가제 조성은 대략 1050~1300℃ 온도범위의 소결제로서 적합하다.
이를 위하여, 본 발명에 의하면, 저온동시소성 세라믹스의 주성분인 알루미나에 액상 소결 첨가제가 첨가되되, 이러한 액상 소결 첨가제 조성은 Si02, CaO 및 MgO를 포함하고, Y2O3와 B2O3, 또는 LiO2와 MgO를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예로서, 주성분으로 되는 알루미나의 함량은 전체중량 대비 75~90wt%로 됨이 바람직하다.
더 상세하게는, 본 발명의 일 구현예에 의한 액상 소결 첨가제 조성물은 다음 조성(wt%)을 포함한다:
Al2O3 80~82.5
Si02 12~15
CaO 1~2
MgO 1~1.5
Y2O3 1~1.5
B2O3 1~1.5
또한, 본 발명의 다른 일 구현예에 의한 액상 소결 첨가제 조성물은 다음 조성(wt%)을 포함한다:
Al2O3 80~85
Si02 10~15
CaO 1~1.5
MgO 1~1.5
LiO2 1~1.5
MnO 1~1.5
표 4는 위와 같은 본 발명에 의한 액상 소결 첨가제 조성물의 여러 실시예들 조성을 나타낸 것으로, 해당 조성을 저온인 1050℃에서 환원분위기로 각각 소결하고 그 소결밀도 및 3점 곡강도를 측정한 결과를 정리한 것이다. 또한, 도 4는 표 4의 실시예 2의 소결시편 표면에 대한 전자현미경사진을 나타낸다.
성분
(wt%)		 Al2O3 Si02 CaO MgO Y2O3 B2O3 LiO2 MnO 벌크밀도
(g/cm3)		 3점 곡강도
(MPa)
실시예 1 80 15 1.5 1.5 1 1 2.46 327
실시예 2 82.5 12.5 2 1 1 1 2.68 375
실시예 3 82.5 12 1.5 1.5 1.5 1 2.57 352
실시예 4 82.5 13 1 1 1.5 1 2.55 344
실시예 5 82.5 12.5 1 1 1.5 1.5 2.62 340
실시예 6 85 10 1 1 1.5 1.5 2.62 342
실시예 7 85 10 1.5 1.5 1 1 2.65 355
실시예 8 80 15 1.5 1.5 1 1 2.48 330
실시예 9 82.5 12 2 1 1.5 1 2.56 348
실시예 10 82.5 12 2 1 1 1.5 2.52 338
표 4를 보면, 1050℃의 저온에서 소결되었음에도 불구하고 위 실시예들 모두 양호한 소결밀도를 가지며 종래보다 증가한 정도의 강도를 가짐을 알 수 있다. 특히, 실시예 2 조성은 밀도가 최대이고 그 강도 역시 375MPa로서 크게 증가한 값이다. 또한, 도 4로부터, 실시예 2 조성의 경우 입자성장이 매우 크게 일어나지 않고 치밀한 상태의 표면 미세구조를 보임이 확인된다.
따라서, 본 발명에 따라 위와 같은 액상 소결 첨가제 조성을 알루미나에 첨가하여 소결할 경우 저온소결이 가능할 뿐만 아니라 우수한 강도특성을 가지므로, 이에 부착되는 Cu 등의 소재 금속전극과 동시 소성이 가능하다. 이리하여, 본 발명에 의한 세라믹스 조성물은 예를 들면 통상의 후막공정 등을 통하여 시트 형태 등으로 제조 및 적층되어 이의 표면에 부착되는 Cu 등의 금속전극과 함께 저온에서 동시소성될 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들의 제반 특성은 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 당연하다. 일 예로서, 본 발명에서는 알루미나 분말입자의 크기가 대략 0.5~3㎛ 범위인 경우가 개시되나 이 범위를 벗어난 크기의 분말입자 역시 통상의 기술자라면 쉽게 사용할 수 있다.
또한, 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.

Claims (7)

  1. Al2O3와 소결조제로 구성된 조성을 갖고, 상기 소결조제는 Si02＋CaO＋MgO＋Y2O3＋B2O3 또는 Si02＋CaO＋MgO＋LiO2인 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소결조제는 Si02＋CaO＋MgO＋Y2O3＋B2O3이고, 상기 세라믹스 조성물은 하기 함량(wt%)의 성분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
    Al2O3 80~82.5
    Si02 12~15
    CaO 1~2
    MgO 1~1.5
    Y2O3 1~1.5
    B2O3 1~1.5
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소결조제는 Si02＋CaO＋MgO＋LiO2이고, 상기 세라믹스 조성물은 하기 함량(wt%)의 성분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
    Al2O3 80~85
    Si02 10~15
    CaO 1~1.5
    MgO 1~1.5
    LiO2 1~1.5
    MnO 1~1.5
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Al2O3의 함량은 전체중량 대비 75~90wt%인 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 조성물은 1050~1300℃의 온도범위에서 고용되어 알루미나 결정상을 이루는 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 Al2O3의 입자 크기는 0.5~3㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹스 조성물.
  7. 삭제
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