KR101918802B1 - 세라믹 물질 및 세라믹 물질을 포함하는 커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 특허 출원은 다층 커패시터 기술에서의 커패시터를 위한 세라믹 물질에 관한 것으로, 세라믹 물질의 일반식은: Pb(1-1.5a-0.5b+1.5d+e+0.5f)AaBb(Zr1- xTix)(1-c-d-e-f)LidCeFefSicO3 + y·PbO(I)이다. 이때 A는 La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb로 구성된 그룹으로부터 선택되고; B는 Na, K, Ag로 구성된 그룹으로부터 선택되고; C는 Ni, Cu, Co, Mn으로 구성된 그룹으로부터 선택되며; 그리고 0 < a < 0.12 ; 0.05 ≤ x ≤ 0.3; 0 ≤ b < 0.12; 0 ≤ c < 0.12; 0 ≤ d < 0.12; 0 ≤ e < 0.12, 0 ≤ f < 0.12, 0 ≤ y < 1, 이며 b + d + e + f > 0 이다. 또한 본 특허 출원은 앞의 세라믹 물질을 포함한 커패시터에 관한 것이다.

Description

세라믹 물질 및 세라믹 물질을 포함하는 커패시터{CERAMIC MATERIAL AND CAPACITOR COMPRISING THE CERAMIC MATERIAL}
다층 기술의 커패시터를 위해 적합한 세라믹 물질 및 세라믹 물질을 포함하며 바람직하게는 고성능 응용물을 위해 적합한 커패시터가 제공된다. 커패시터는 AC/DC- 또는 DC/DC 컨버터에서 필터 부재로서 사용될 수 있다.
세라믹 커패시터는 적어도 2개의 전기적 도체를 포함하고, 전기적 도체들 사이에 유전성(절연성) 세라믹 층이 배치된다. 세라믹 커패시터의 특성은 세라믹 유전체의 분극 특성에 의해 본질적으로 결정된다. 전기장이 없을 때 자의적 분극을 가지는 물질을 초전기성(pyroelectric)이라고 한다. 전기장 (또는 기계적 응력)이 인가되면 자의적 분극의 방향이 변경될 수 있고 이러한 물질은 강유전성(ferroelectric)이라고 한다. 상유전성(paraelectric) 상으로부터의 상 전이 시에 강유전체의 이온은 서로 평행하지 않고 반평행으로 이동하며, 이러한 물질을 반강유전성이라고 한다.
이제까지 주로 압전 소자를 위해 사용된 세라믹 물질은 납-지르콘산염-티탄산염-계이다(Pb(ZrxTi1 -x)O3 또는 PZT). 이러한 물질은 반강유전성 납 지르콘산염(PbZrO3) 및 강유전성 납 티탄산염(PbTiO3, PTO)의 고용체(solid solution) (갭이 없는 혼합 결정 배열)를 나타내고, 이 고용체는 조성에 따라 강유전성 또는 반강유전성 특성을 가질 수 있다. 위상 다이어그램(도 1)은, PZT 계의 퀴리 온도 및 결정 대칭이 어떻게 그 조성에 따라 좌우되는지를 도시한다. FT 및 FR은 강유전성 정방형 또는 능면형 상(phase)이다. PC는 상유전성 입방형 상을 가리킨다. AO 및 AT는 반강유전성 사방형 또는 정방형 상을 나타낸다. HT는 고온 상, LT는 저온 상을 나타낸다. PTO로부터 시작하여, 티타늄 이온을 지르코늄 이온으로 치환 시에 퀴리점은 490℃(Tc (PTO))에서 230 ℃(Tc (PZO))로 떨어진다; 이때 FT로부터 FR을 거쳐 AO에 이르면서 대칭이 변경된다(실온에서). Tc 위로는, PZT는 상유전성이다. 퀴리 온도의 미달 시에 입방 구조의 일그러짐이 거의 시작되며, 더욱이 Zr/Ti-비율에 좌우된다. 즉, Ti-풍부한 PZT-혼합 결정은 실온에서 강유전성이며 정방형이고, 반면 Zr-풍부한 PZT-혼합 결정은 반강유전성-사방형(O-상) 또는 강유전성-능방형이다. PZT 물질은 이제까지 주로 압전 소자를 위해, 예컨대 압전 액츄에이터를 위해 사용된다. 이를 위해 요구되는 압전 특성은 두 FE 상들(FT, FR)을 분리하는 소위 상공존 상 경계("morphotropic phase boundary"; MPB)에서 특히 두드러진다; 이때 오로지 Zr/Ti-비율의 근소한 변경에 따라서만 2개의 서로 다른 결정 구조가 형성된다. MPB는 PbZr0 .6Ti0 .4O3 과 PbZr0 .55Ti0 .45O3 사이에 위치한다.
WO 2011/085932 A1은 가열 부재; 그리고 유전체층들 및 유전체층들 사이에 배치된 내부 전극을 갖는 커패시터 영역을 포함하는 커패시터를 개시하고, 이때 가열부재 및 커패시터 영역은 열 전도적으로 서로 연결된다.
본 발명의 실시예들의 과제는 다층 기술의 커패시터를 위해 적합하며 개선된 특징을 갖는 세라믹 물질을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 일반식:
Pb(1-1.5a-0.5b+1.5d+e+0.5f)AaBb(Zr1- xTix)(1-c-d-e-f)LidCeFefSicO3 + y·PbO (I)
을 가지며 다층 기술의 커패시터를 위한 세라믹 물질에 의하여 해결된다. 위 식에서 A는 La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb로 구성된 그룹으로부터 선택되고; B는 Na, K, Ag로 구성된 그룹으로부터 선택되고; C는 Ni, Cu, Co, Mn으로 구성된 그룹으로부터 선택되며; 그리고 0 < a < 0.12; 0.05 ≤ x ≤ 0.3; 0 ≤ b < 0.12; 0 ≤ c < 0.12; 0 ≤ d < 0.12; 0 ≤ e < 0.12; 0 ≤ f < 0.12; 0 ≤ y < 1 이고, b + d + e + f > 0 이다.
본 발명에 따르면 위상 다이어그램으로부터 Zr- 매우 풍부한 PZT 혼합 결정 상이 선택된다. 또한 b + d + e + f > 0 이란 조건에 의하여, 본 발명에 따른 세라믹 물질 내에는 주요 청구항에 정의된 그룹 A(희토류 원소)로부터의 도핑 재료 외에 Li, Na, K, Ag, Fe, Ni, Cu, Co, Mn으로 구성된 그룹(리튬, 철 및 그룹 B, C)으로부터의 적어도 하나의 원소가 존재해야 한다는 것이 확정된다. 이를 통해 1000℃ 내지 1120℃의 온도에서 소결 가능한 세라믹 물질이 제공될 수 있고, 이로써 더 높은 온도에서 견디지 못하는 다른 재료/물질과의 조합이 세라믹 물질의 제조 공정 동안에 이미 가능해진다. 예컨대, 세라믹 물질을 가령 은이나 구리와 같은 비금속 소재의 내부 전극과 소결하는 것("동시 소성"-방법)이 가능하다. 또한, 세라믹 물질은 그룹 A에 의해서만 도핑된 PZT 물질에 비해 더 높은 스위칭 필드 세기 및/또는 더 높은 비유전율(relative permitivity)(유전상수)를 가진다.
또한, 낮은 소결 온도로 인하여 세라믹 물질의 입자 크기가 작게 형성되고, 이는 유전 특성에 유리하게 작용한다. 더 정확하게 말하면, PZT 세라믹의 유전 특성은 일반적으로 분역 크기에 의해서도 결정된다. 분역(domains)이란 동일한 분극을 가진 세라믹 내 영역을 의미한다. 분역 크기는 입자 크기에 좌우된다. 입자 당 분역의 수는 입자 크기가 클수록 증가한다. 분역 크기가 달라지면 세라믹의 물질 특성에도 영향을 미친다. 그러므로, 입자 크기 또는 입자 성장을 제어할 수 있는 것이 필요하다.
통상적으로, 본 발명에 따르는 도핑된 납 지르콘산염-티탄산염-세라믹은 페로브스카이트 격자를 포함하고, 페로브스카이트 격자는 일반식 ABO3로 설명될 수 있으며, 위 식에서 A는 페로브스카이트 격자의 A-자리를, B는 B-자리를 나타낸다.
페로브스카이트 격자는 도핑 및 공공에 대한 높은 허용공차를 특징으로 한다.
납 지르콘산염-티탄산염(PZT)의 페로브스카이트 구조는 일반식 ABO3에 의해 설명될 수 있다. PZT 결정 격자의 단위 셀은 입방체에 의하여 설명될 수 있다. A-자리는 입방체의 꼭지점에 위치한 Pb2 + - 이온으로 점유된다. 각 입방체 면의 중앙에는 각각 O2- 이온이 위치한다. 입방체의 중심에는 Ti4 +- 이온 및 Zr4 + -이온이 위치한다(B-자리). 이 구조는 금속 이온을 다른 금속 및 공공으로 치환하는 것에 대한 높은 허용공차를 가지므로, 양호하게 도핑될 수 있다.
도핑에 의하여 주입된 이온과 대체된 이온 간의 크기 차에 따라, 고-대칭 배위 다면체의 일그러짐이 야기될 수 있다. 이러한 일그러짐은 결정의 대칭 중심을 변경할 수 있어서, 분극율에 영향을 미칠 수 있다.
도핑의 다양한 가능성은 도핑 이온의 원자가에 의거하여 분류될 수 있다. 등가 도핑, 즉 어떤 이온을 동일한 원자가의 다른 이온으로 대체하는 것은 세라믹 물질 내에서 가능한 공공에 영향을 미치지 않는다. 낮은 원자가의 양이온(수용체)을 더 높은 원자가를 가진 양이온으로 대체하면, 음이온 격자 내에 공공이 생성된다. 높은 원자가의 양이온(공여체)은, 이러한 양이온이 낮은 원자가의 양이온을 대체하는 경우에 양이온 격자 내의 공공을 발생시킨다. 수용체 및 공여체와의 도핑은 각각 물질 특성의 특징적인 변화를 야기한다. 수용체 도핑된 세라믹은 "하드(hard)" 세라믹, 공여체 도핑된 세라믹은 "소프트(soft)" 세라믹이라고 한다.
예컨대 Nd3 + (또는 주요 청구항에 따른 그룹 A로부터의 다른 희토류 원소)로 A-자리에 도핑하는 것은 공여체 도핑을 나타낸다. 네오듐의 이온 반경으로 인하여 네오듐은 Pb2 + -자리에 구성된다. 전하 균형은 이에 상응하는 Pb 공공의 형성에 의하여 이루어진다. 도핑의 효과는 격자의 미터 변경 및 단위셀들 간에 길게 작용하는 상호작용의 영향이다.
예컨대 K+ 또는 Fe3 +를 이용하여 A-자리 또는 B-자리에 도핑하는 것은 수용체 도핑을 나타낸다. 칼륨의 이온 반경으로 인하여 칼륨은 Pb2 +-자리에 구성되는 반면, Fe3 +는 Zr4 + 또는 Ti4 +-자리에 구성된다. 전하 균형은 Pb2 +-공공(A-공공)의 감소 및/또는 이에 상응하는 산소 공공의 형성에 의하여 이루어진다. 도핑의 효과는 입자 성장, 및 소결 압축을 촉진하는 산소-공공 형성이며, 산소 공공 형성은 소결 온도에서 K-수용체에 의하여 유도된다. 냉각의 진행 중에 Nd-공여체와의 재조합이 이루어져 중성에 가까운 {Nd/K} 결함쌍이 형성될 수 있어서, 완성된 세라믹 내에는 납- 또는 산소-공공 농도가 없거나 매우 근소한 정도로만 존재한다.
이러한 도핑은 물질의 입자 성장에 영향을 미치고, 입자 성장은 주입되는 도핑 농도에 좌우된다. 적은 도핑양은 입자 성장에 기여하는 반면, 너무 많은 양의 도핑 이온은 입자 성장을 방해할 수 있다.
Nd가 Pb-자리를 수용하는 경우의 공여체-도핑된 PZT 물질의 특성은 실질적으로, Pb-공공에 의하여 야기된 분역 이동성 증가에 근거한다. 공공은, 분역들이 낮은 전기장들에 의해서도 이미 영향을 받는 결과를 가져온다. 이로써, 미도핑된 PZT 세라믹에 비하여 분역 경계의 이동성이 더 용이해지고, 유전 상수가 더 크다.
본 발명에 따른 세라믹 물질 내에서 수용체- 및 공여체 도핑은 반드시 동시에 존재한다. 이점은, 두 도핑 방식 중 하나의 도핑 방식으로만 도핑된 세라믹에서 발생하였던 부정적 특성들을 보상한다. 예컨대 수용체-도핑만이 존재하면, 이는 종종 유전 상수 감소를 야기하고, 즉 이때의 유전 상수는 미도핑된 세라믹의 상수에도 미치지 못한다. 오로지 공여체-도핑만 있다면, 입자 성장이 방해받고, 세라믹의 몸체는 원하는 크기에 도달하지 못한다. 그러나 본 발명에 따라 제공되는 도핑의 조합을 통해, 이러한 면에 있어서 미도핑된 세라믹에 비해 긍정적인 효과가 있다. 도핑의 조합은 더 큰 유전 상수를 가지고, 이는 낮은 소결 온도에서도 여전히 제공된다.
본 발명에 따르는 바람직한 실시예에서, 0.1 ≤ x ≤ 0.2 가 적용되며, 이러한 범위에서 분극 곡선이 더욱 양호하게 조절될 수 있다.
본 발명에 따르는 바람직한 실시예에서, 0 ≤ y < 0.05 가 적용된다.
본 발명에 따르는 바람직한 실시예에서, 0.001 < b < 0.12 가 적용되며, 더욱 바람직하게는 d = e = f = 0 이 적용된다.
본 발명에 따르는 다른 바람직한 실시예에서, 0.001 < e < 0.12 가 적용되며, 더욱 바람직하게는 b = d = f = 0 이 적용된다.
다른 바람직한 실시예에서, B는 나트륨(Na)이다. 이는 물질 특성에 매우 유리한 영향을 미치며, 특히 소결 온도는 오로지 희토류 원소를 포함한 PZT 물질에 비해 낮아지고, 동시에 스위칭 필드 세기가 증대된다.
본 발명에 따르는 다른 바람직한 실시예에서, 전기장 세기가 1 kV/mm, 바람직하게는 2 kV/mm일 때의 비유전율은 전기장 세기가 0 kV/mm일 때의 비유전율의 적어도 60%이다. 더욱 바람직하게는, 장 세기가 2 내지 5 kV/mm, 바람직하게는 1 kV/mm 내지 10 kV/mm일 때의 세라믹 물질의 비유전율(유전상수)은 전기장 세기가 0 kV/mm일 때의 비유전율의 적어도 60%이다. 측정은 바람직하게는 세라믹 물질의 온도가 125℃일 때 수행된다.
본 발명에 따르는 다른 바람직한 실시예에서, 전기장 세기가 1 kV/mm, 바람직하게는 2 kV/mm일 때의 세라믹 물질은 적어도 500, 바람직하게는 적어도 1500의 비유전율을 포함한다. 더욱 바람직하게는 전기장 세기가 2 내지 5 kV/mm, 바람직하게는 1 kV/mm 내지 10 kV/mm일 때의 세라믹 물질은 적어도 500, 바람직하게는 적어도 1500의 비유전율을 포함한다. 측정은 바람직하게는 세라믹 물질의 온도가 125℃일 때 수행된다.
분극 이력(polarisation hysteresis)의 측정은 비유전율(유전 상수)의 결정을 위한 표준 방법이다. 주파수 종속적 측정을 위해 준 정역학적 방법이 공지되어 있으며, 이러한 방법에서 이력 루프는 점별로(pointwise) 측정된다. 예컨대 분극 측정은 aixACCT Systems GmbH 사의 TF Analyser 2000을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르는 다른 바람직한 실시예에서, 세라믹 물질은 반강 유전체이다. 이를 위해 바람직하게는 반강유전성-사방형 상 영역(O-상)으로부터의 기초 물질 PZT가 사용된다. 반강유전성 질서는 복수의 극 부분 격자의 중첩을 특징으로 하고, 극 부분 격자의 전기적 쌍극자 모멘트는 쌍방간에 상쇄된다. 반강유전 결정은 자의적 분극을 갖지 않으나, 매우 유전적 특성을 가진다. 반강유전체에 전기장이 인가되면, 우선 선형 유전체와 같이 거동한다. 특정한 임계 장 세기부터, 강유전상으로 비약적 전이가 유도되고, 이전에 역평행인 쌍극자는 에너지적으로 더 유용한 평행 배향으로 전환된다. 반면, 더 낮은 장 세기에서는 반대의 천이가 일어난다. 이러한 점은 소위 이중 이력 루프에서 나타난다(도 4 내지 도 6 참조, 이 도면들은 각각 전기장의 양의 값에서 이력 루프만을 도시한다).
반강유전 세라믹 물질은 강유전 세라믹 물질에 비하여 분극-장세기-이력이 덜 심하게 두드러진다. 이러한 점은 커패시터에 적용 시에 더 낮은 에너지 손실을 야기한다. 이러한 이유로, 본 발명에 따르면 반강유전 세라믹 물질의 사용이 바람직하다.
순수하게 도핑되고 상이하게 도핑된 납-지르콘산염-티탄산염- (PZT-) 분말들의 제조를 위해 종래 산화물 혼합 방법 또는 소위 "솔-겔(Sol-Gel)"방법이라고도 하는 용제 기반 방법이 사용될 수 있다. 시작 포인트는 예컨대 구성적 금속의 아세테이트 용액 또는 알콜레이트 용액으로, 이 용액은 다양한 건조 방법에 의해 과립화된 크세로겔(xerogel), 즉 세라믹 전구체 물질(precursor)로 바뀐다. 건조를 위해 예컨대 분사 건조 및 분사 냉각 과립화와 이후의 냉각 건조가 제공된다. 이어서, 전구체는 열분해되면서 산화물이 된다. 이와 같이 제조된 분말은 낮은 비용으로 미립화(deagglomeration)될 수 있고, 이후의 공정을 위해 컨디셔닝될 수 있다.
본 발명에 따른 제2 견지에서, 당해 특허 출원은 앞에서 정의된 바와 같은 세라믹 물질 소재의 적어도 하나의 세라믹 층, 및 적어도 하나의 세라믹 층 상에 형성되는 도전 전극을 포함하는 커패시터에 관한 것이다.
다른 바람직한 실시예에서, 도전 전극은 인접한 세라믹 층들 사이에 배치된다. 바람직하게는 커패시터는 다층 커패시터로, 교번적으로 세라믹 층들 및 전극층들로 이루어지는 모놀리식 소결 몸체이다.
다른 바람직한 실시예에서, 도전 전극은 비금속(base metal), 바람직하게는 Ag 또는 Cu를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 내부 전극은 Cu를 포함한다. 특히 바람직하게는, 비금속은 내부 전극의 주요 성분을 형성한다.
본 발명에 따르는 다른 바람직한 실시예에서, 커패시터는 80℃ 내지 150℃의 범위에서, 바람직하게는 -40℃ 내지 150℃의 범위에서 적어도 1 A/μF의 전류 부하 용량을 가진다. 본 발명에 따르는 세라믹 커패시터의 제조를 위해, 예컨대 본 발명에 따른 미소결된 세라믹 분말의 현탁액으로부터 적합한 결합제를 이용하여 얇은 세라믹 호일이 얻어진다. 세라믹 호일에는 스크린인쇄 공정에서, 금속 페이스트, 즉 차후의 전극이 인쇄된다. 금속 페이스트는 Cu, Ag 또는 Pd를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가령 Ag 및 Cu와 같은 비금속이 사용되는데, 이로써 제조 공정 비용이 절감되기 때문이다. 인쇄된 호일지들은 커패시터를 위해 요구되는 층수로 서로 포개어 적층되고, 압축에 의해 고결된다. 세라믹은 비유전율(유전상수)에 따라 포개어지는 층들의 수를 결정하고, 층 두께는 커패시터의 차후 커패시턴스값을 결정한다. 인쇄 및 적층은, 전극들이 하나의 스택 내에서 번갈아서 약간 서로 엇갈려 적층되는 방식으로 이루어지며, 이로써 전극들은 차후에 빗 형으로 일 측에서 연결면들과 접촉될 수 있다.
적층 및 압축된 스택은 이후에 개별 커패시터들로 분할된다.
절단 후에, 개별화된 커패시터들로부터 우선 결합제가 소성된다. 이후에 연소 공정이 수행된다. 이때 세라믹 분말은 1000℃와 1450℃사이의 온도에서, 바람직하게는 1000℃ 내지 1120℃의 온도에서 소결되고, 세라믹 분말의 최종적인, 주로 결정성 구조를 획득한다. 앞의 연소 공정 후에 비로소, 커패시터는 원하는 유전 거동을 획득한다. 연소 공정 이후에 세정 및 이후에 두 외부 전극을 위한 외부 금속배선이 이루어진다. 세라믹 블록의 정면에 위치한 이러한 금속배선을 통해, 내부 전극들은 병렬로 접속된다. 금속 배선은 동시에 외부의 전기적 연결면이다.
이하, 본 발명에 따르는 세라믹 물질의 특정한 특성이 도면에 의거하여 설명된다:
도 1은 PbZrO3-PbTiO3-혼합 결정 배열의 위상 다이어그램을 도시한다. FT, FR은 강유전성 정방형 또는 능방형 상이다. PC는 상유전성 입방형 상을 가리킨다. AO 및 AT는 반강유전성 사방형 또는 정방형 상을 나타낸다. HT는 고온 상, LT는 저온 상을 나타낸다.
도 2는 Pb0 .895-0.5 xLa0 .07NaxZr0 .86Ti0 .14O3 이며 1050℃에서 소결되었던 세라믹 물질의 소결 수축을 파라미터 x에 따라 도시한다.
도 3은 Pb0 .895+1.105 xLa0 .07(1-x)(Zr0 .86Ti0 .14)1- xNixO3 이며 1050℃에서 소결되었던 물질의 소결 수축을 파라미터 x에 따라 도시한다.
도 4는 Pb0 .88-0.5 xLa0 .08NaxZr0 .80Ti0 .20O3 이며 1250℃에서 소결되었던 물질의 이력 곡선의 비교 도면을 도시한다. 이력 곡선은 x = 0, x = 0.005, x = 0.01, x = 0.03에 대해 도시된다.
도 5는 Pb0 .895+1.105 xLa0 .07(1-x)(Zr0 .86Ti0 .14)1- xNixO3 이며 1050℃에서 소결되었던 세라믹 물질의 이력 곡선의 비교 도면을 도시한다. 이력 곡선은 x = 0.04, x = 0.05에 대해 도시된다.
도 6은 Pb0 .87La0 .07Na0 .05Zr0 .86Ti0 .14O3 인 세라믹 물질 경우에, Cu를 포함한 다층 커패시터의 이력 곡선을 도시한다.
도 7은 Pb0 .87La0 .07Na0 .05Zr0 .86Ti0 .14O3 인 세라믹 물질 경우의 비유전율(유전상수)을 도시하며, 이러한 비유전율은 도 6의 이력 곡선의 아래 분기선의 미분의 결과이다.
도 2 및 도 3은, 어떻게 소결 수축이 Na 또는 Ni의 상대적 양(파라미터 x)에 의해 제어될 수 있는가를 도시한다.
Na의 경우에, 1050℃의 온도에서 x = 0.06 이란 값을 가질 때 소결 수축은 15% 를 초과한다. 이와 유사한 소결 수축은 Na가 없다면 1260℃의 온도에서 비로소 달성된다(도 2). 그러므로, 세라믹 물질 내에 나트륨이 있을 때 낮은 온도에서 소결될 수 있다.
유사한 결과는 소결 보조 재료 Ni의 경우에서 얻어진다. 도 3에서, Pb0.895+1.105xLa0.07(1-x)(Zr0.86Ti0.14)1-xNixO3 인 세라믹 물질은 1050℃에서 소결되었다. 15%를 초과하는 최대 소결 수축은 파라미터 x의 값이 0.03을 초과할 때 얻어진다. 그러므로, 세라믹 물질 내에 니켈이 있을 때 낮은 온도에서 소결될 수 있다.
도 4에는 Pb0 .88-0.5 xLa0 .08NaxZr0 .80Ti0 .20O3 이며 1250℃에서 소결된 세라믹 물질에 있어서 파라미터 x가 분극율 및 스위칭 필드 세기에 미치는 영향이 도시된다. x가 더 큰 값이면, 즉 세라믹 물질 내에 Na의 비율이 더 크다면 더 낮은 분극율 및 스위칭 필드 세기 증가가 얻어지며, 이는 이력 루프의 감소 곡선에서 나타난다.
이와 유사한 결과는 도 5에서 Pb0 .895+1.105 xLa0 .07(1-x)(Zr0 .86Ti0 .14)1- xNixO3 이며 1050℃에서 소결된 세라믹 물질에서 얻어진다. 위 도면에서는 x 라는 파라미터가 0.04 또는 0.05일 경우를 비교하여, 세라믹 물질 내에서 Ni의 비율이 증가하면 분극율이 감소하고 스위칭 필드 세기는 증가한다는 점을 시사한다.
도 6에서, Cu 전극을 포함하는 다층 커패시터의 이력 곡선이 도시되며, 이러한 커패시터는 Pb0 .87La0 .07Na0 .05Zr0 .86Ti0 .14O3 인 세라믹 물질을 포함한다. 세라믹 물질은 약 8 kV/mm 이라는 높은 스위칭 필드 세기를 가진다. 높은 스위칭 필드 세기는 커패시터 내에 상대적으로 많은 에너지를 저장할 수 있도록 해준다. 또한, 세라믹 물질은 근소하게 두드러지는 분극-장 세기-이력 곡선을 가지므로, 커패시터는 낮은 에너지 손실만을 포함한다.
도 7에는 도 6의 이력 곡선의 아래 분기선의 미분 결과인 비유전율(유전상수)을 도시된다. 이는 반강유전성 물질에 있어서 특직적인 흐름이다. 비유전율은 약 8 kV/mm일 때 최대값 3800에 도달한다. 이러한 최대값은 스위칭 필드 세기에 상응한다.

Claims (15)

  1. 다층 기술의 커패시터를 위한 세라믹 물질에 있어서,
    상기 세라믹 물질은
    일반식:
    Pb(1-1.5a-0.5b+1.5d+e+0.5f)AaBb(Zr1-xTix)(1-c-d-e-f)LidCeFefSicO3 + y·PbO (I)
    을 가지고, 위 식에서
    A는 La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb로 구성된 그룹으로부터 선택되고;
    B는 Na, K, Ag로 구성된 그룹으로부터 선택되고;
    C는 Ni, Cu, Co, Mn으로 구성된 그룹으로부터 선택되며; 그리고
    0 < a < 0.12; 0.1 ≤ x ≤ 0.2; 0 ≤ b < 0.12; 0 ≤ c < 0.12; 0 ≤ d < 0.12; 0 ≤ e < 0.12; 0 ≤ f < 0.12; 0 ≤ y < 1 이며, 이때
    b + d + e + f > 0 인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    0.1 < x < 0.2 인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    0.001 < b < 0.12; 인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    0.001 < e < 0.12; 인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    B는 Na 인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전기장 세기가 1 kV/mm일 때의 비유전율은 전기장 세기가 0 kV/mm일 때의 비유전율의 적어도 60%인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전기장 세기가 2 내지 5 kV/mm일 때의 비유전율은 전기장 세기가 0 kV/mm일 때의 비유전율의 적어도 60%인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전기장 세기가 1 kV/mm일 때의 세라믹 물질은 적어도 500 이라는 비유전율을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전기장 세기가 2 내지 5 kV/mm 일 때의 세라믹 물질은 적어도 500 이라는 비유전율을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 반강유전성 유전체인 것을 특징으로 하는 세라믹 물질.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 세라믹 물질로 이루어진 적어도 하나의 세라믹 층; 및
    상기 적어도 하나의 세라믹 층 상에 형성된 도전 전극을 포함하는 커패시터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 도전 전극은 인접한 세라믹 층들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 커패시터.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 도전 전극은 비금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터.
  14. 청구항 11에 있어서,
    전류 부하 용량은 100℃에서 적어도 1 A/μF 인 것을 특징으로 하는 커패시터.
  15. 청구항 11에 있어서,
    전류 부하 용량은 80℃ 내지 150℃의 범위에서, 적어도 1 A/μF 인 것을 특징으로 하는 커패시터.
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