KR101973414B1 - 저온 소성용 유전체 조성물, 이를 포함하는 적층 세라믹 전자 부품 및 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법 - Google Patents

저온 소성용 유전체 조성물, 이를 포함하는 적층 세라믹 전자 부품 및 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 주성분으로 포함되는 BaTiO3; 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO;을 포함하고, 상기 x는 0.10 내지 0.90 이고, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함되는 저온 소성용 유전체 조성물에 관한 것이다.

Description

저온 소성용 유전체 조성물, 이를 포함하는 적층 세라믹 전자 부품 및 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법{Dielectric composition for low temperature sintering, multilayer ceramic electronic device including the same and method for fabricating the multilayer ceramic electronic device}
본 발명은 저온 소성용 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 전자 부품에 관한 것이다.
최근 적층 세라믹 콘덴서(Multilayer Ceramic Condenser; MLCC)를 사용하는 전자 제품이 소형화되고 고성능화됨에 따라, 이에 사용되는 적층 세라믹 콘덴서도 점차 소형화 및 고용량화되어 가고 있다.
즉, MLCC의 초소형화 초고용량화가 요구되면서 용량 구현을 위한 세라믹층의 박층화와 고적층화가 되어가고 있으며, 이에 따른 MLCC의 안정된 용량 구현 및 낮은 손실 계수와 더불어 높은 신뢰성이 요구되고 있다.
특히 소형의 MLCC에서 초고용량을 확보하기 위해서는 필수적으로 초박층의 유전체층의 형성이 가능하여야 한다.
초박층에서 고용량과 낮은 손실계수를 가지며, 동시에 높은 신뢰성을 구현하기 위해서는 우수한 유전 특성을 가지는 유전체 조성물도 중요하지만, 유전체 층과 교대로 적층되는 형태로 형성되는 내부 전극의 연결성 또한 매우 중요하다.
BaTiO3를 포함하는 유전체를 사용하여 적층 세라믹 콘덴서를 제조할 경우, 소결온도가 1200℃를 넘게 되면 니켈 내부 전극이 수축되어 뭉치게 되는데, 내부 전극과 유전체 층의 수축 거동의 차이에 의해 내부에 응력이 발생하게 된다.
또한, 니켈 내부 전극이 수축되어 뭉치면서 쇼트가 발생할 확률이 급격히 상승하게 되며, 내부 전극의 산화로 인하여 전극 연결성 또는 전극의 커버리지(Coverage)가 감소되어 용량저하를 초래하게 된다.
나아가, 용량저하와 더불어 고온(>1200℃)에서의 절연 저항 감소로 인해 신뢰성이 저하될 우려가 높다.
따라서, 1200℃ 이하의 저온에서 소성이 가능한 유전체 조성물이 필요한 실정이다.
하기의 선행기술문헌에 기재되어 있는 특허문헌 1은 적층 세라믹 콘덴서에 관한 발명이다.
한국 공개특허공보 제10-2008-0012178호
본 발명은 저온에서 소성이 가능한 유전체 조성물과 상기 유전체 조성물을 이용하여 제작되는 적층 세라믹 전자 부품을 제공하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 주성분으로 포함되는 BaTiO3; 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO을 포함하고, 상기 x는 0.10 내지 0.90이고, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 1.0 몰% 포함될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 부성분의 녹는점은 1020 ℃ 이하일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제1 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 BaO; 0.3 몰% 포함되는 SiO2; 및 1.0 몰% 포함되는 Al2O3;를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제2 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 Mn3O4; 1.1 몰% 포함되는 ZrO2; 및 5.2 몰% 포함되는 Dy2O3;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품은 주성분으로 BaTiO3를 포함하고, 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 복수의 유전체 층을 적층하여 형성되는 적층 본체; 서로 다른 극성이 교대로 나타나도록, 상기 유전체 층의 상부에 형성되는 제1 내부 전극 및 제2 내부전극; 상기 적층 본체의 일 측면에 형성되어 상기 제1 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극; 및 상기 제1 외부 전극이 형성된 면과 대향하는 면에 형성되어 상기 제2 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극;을 포함하고, 상기 x는 0.10 내지 0.90이고, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함될 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 1.0 몰% 포함될 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 부성분의 녹는점은 1020 ℃ 이하일 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 유전체 층의 치밀도는 97% 이상일 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 제1 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 BaO; 0.3 몰% 포함되는 SiO2; 및 1.0 몰% 포함되는 Al2O3;를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 제2 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 Mn3O4; 1.1 몰% 포함되는 ZrO2; 및 5.2 몰% 포함되는 Dy2O3;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법은 주성분으로 포함된 BaTiO3 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 저온 소성용 유전체 조성물을 마련하는 단계; 상기 유전체 조성물을 이용하여 세라믹 그린 시트를 마련하는 단계; 상기 세라믹 그린 시트의 상부에 내부 전극을 형성하는 단계; 상기 세라믹 그린 시트를 적층 및 압착하여 세라믹 적층체를 마련하는 단계; 및 상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함하고, 상기 x는 0.10 내지 0.90 이고, 상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함될 수 있다.
또 다른 실시 예에 있어서, 상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계는 1000 ℃ 내지 1150 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 저온 소성용 유전체 조성물은 주성분으로 BaTiO3를 포함하고, 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO를 포함함으로써, 소성 온도를 낮추어 저온에서 소성이 가능하며, 소성 온도를 낮추는 것과 동시에 저온에서도 치밀한 미세구조를 가지며, 우수한 유전 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법은 본 발명의 저온 소성용 유전체 조성물을 이용함으로써, 1050 ℃ 내지 1150 ℃에서 소결이 가능하므로, 니켈 내부 전극의 뭉침 현상을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명의 저온 소성용 유전체 조성물을 포함하는 적층 세라믹 전자 부품은 높은 치밀도를 가짐으로써, 고용량을 얻을 수 있으며 소성 온도를 낮추어 니켈 내부 전극의 뭉침 현상을 방지함으로써 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성하여 색상 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 밀도를 측정한 것이다.
도 3은 1094 ℃에서 소성된 세라믹 적층체의 소결 후의 미세 구조를 촬영한 것이다.
도 4 및 5는 각각 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 유전율 및 손실계수를 측정한 것이다.
도 6은 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도로 소성한 후의 상온 IR(Insulation Resistance)를 측정한 것이다.
도 7은 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 고온에서 전계에 따른 IR(Insulation Resistance)를 측정한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 개략적인 사시도이고, 도 9은 도 8의 A-A`의 단면도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법의 개략적인 플로우 차트를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 각 실시 예의 도면에 나타난 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하여 설명한다.
도면에서 x 방향은 길이 방향, y 방향은 폭 방향, z 방향은 높이 방향을 의미한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품은 세라믹층인 유전체 층을 이용하며, 상기 유전체 층을 사이에 두고 내부 전극이 서로 대향하는 구조를 가지는 적층 세라믹 커패시터, 적층 베리스터, 서미스터, 압전소자, 다층 기판 등에도 적절하게 이용될 수 있다.
저온 소성용 유전체 조성물
본 발명의 일 실시예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 주성분으로 포함되는 BaTiO3; 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 주성분으로 BaTiO3를 포함한다.
세라믹 전자부품에 일반적으로 사용되는 BaTiO3계 유전체 분말을 사용할 수 있으며, BaTiO3뿐만 아니라, BaTiO3 에 Ca, Zr 등이 일부 고용된 (Ba1 - aCaa)TiO3, Ba(Ti1-bCab)O3, (Ba1 - aCaa)(Ti1 - bZrb)O3, 또는 Ba(Ti1 - bZrb)O3 등을 사용할 수 있다.
상기 BaTiO3계 모재 분말의 평균 입경은 이에 제한되는 것은 아니나, 0.05 내지 0.5㎛이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 부성분으로서 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함한다.
조성비(x)의 범위에 따라, 부성분의 상(Phase)가 달라지게 된다.
부성분의 상이 달라짐에 따라서 부성분의 녹는점이 변화할 수 있다.
부성분의 녹는점을 1020 ℃ 이하로 낮추기 위하여, 부성분의 조성비(x)는 0.10 내지 0.90일 수 있다.
부성분의 조성비(x)가 0.10 내지 0.90인 경우, 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상술한 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3는 녹는점이 1020 ℃ 이하이다.
도 1은 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성하여 색상 변화를 나타낸 것이다.
이하, 저온 소성용 유전체 조성물의 특징을 명확히 설명 및 비교하기 위하여, (1-x)Li2O-xCuO 중에서 0.3Li2O-mCuO 로 CuO의 조성비만 변화하여 실시예 및 비교예에 대해 서술하도록 한다.
저온 소성용 유전체 조성물은 주성분으로서 BaTiO3가 100 몰% 일 때, 부성분으로서 0.3Li2O-mCuO (m= 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)를 1.0 몰% 첨가하여 제조한 것으로, 상술한 m값을 제외한 다른 보조성분 등의 조건은 동일하게 하였다.
세라믹 적층체를 소성하는 경우, 소성의 정도에 따라 세라믹 소성체의 치밀화가 달라지기 때문에 소성의 정도에 따라 색이 달라지게 된다.
도 1을 참조하면, m이 0인 경우, 소성 온도가 1112 ℃인 경우에는 충분히 소성이 이루어져, 어두운 색을 가지는 것을 알 수 있다.
하지만 소성온도가 약 1100 ℃ 미만인 경우에는 세라믹 적층체를 소성한 후의 색상이 밝은 것을 알 수 있다.
즉, 부성분이 Li2O로만 이루어진 경우, 1110 ℃ 미만에서는 소성이 제대로 이루어지지 않음을 알 수 있다.
이에 비해 m이 0.1인 경우(= 0.75Li2O-0.25CuO), 소성온도가 955 ℃인 경우와 소성온도가 1112 ℃ 경우와 비교하여도 세라믹 적층체를 소성한 후의 색상의 변화가 크지 않을 것을 알 수 있다.
즉, m이 0.1인 경우, 소성온도가 955 ℃인 경우에도 소성이 제대로 이루어져, 세라믹 소성체의 치밀도가 향상된 것을 알 수 있다.
또한, m이 0.1인 경우와 같이 m이 0.2(= 0.6Li2O-0.4CuO), m이 0.3(0.5Li2O-0.5CuO), m이 0.4(=0.43Li2O-0.57CuO)인 경우에도 소성온도가 955 ℃인 경우와 소성온도가 1112 ℃ 경우와 비교하여도 세라믹 적층체를 소성한 후의 색상의 변화가 크지 않을 것을 알 수 있다.
순수한 CuO의 경우, 용융 온도가 1300 ℃ 이상으로 매우 높기 때문에 저온 소성용 소결 조제로 사용되기 적합하지 않다.
하지만 본 개시의 일 실시 예와 같이 (1-x)Li2O-xCuO 화합물로 사용되는 경우, 용융온도가 감소하여 소성온도가 1020 ℃ 이하인 경우에도 액상에 의한 저온 치밀화를 유도하는 것으로 판단된다.
도 2는 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 밀도를 측정한 것이다.
도 2를 참조하면, m이 0인 경우에는 세라믹 적층체의 소성한 후의 밀도가 소성 온도에 따라 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다.
즉, m이 0인 경우, 소결온도 감소 시에 세라믹 적층체의 소성한 후의 밀도가 매우 작은 것을 알 수 있다.
하지만 m이 0.1인 경우(= 0.75Li2O-0.25CuO), 소성온도가 955 ℃인 경우와 소성온도가 1112 ℃ 경우와 비교하여도 세라믹 적층체를 소성한 후의 밀도 차이가 크지 않은 것을 알 수 있다.
또한, m이 0.1인 경우와 같이 m이 0.2(= 0.6Li2O-0.4CuO), m이 0.3(0.5Li2O-0.5CuO), m이 0.4(=0.43Li2O-0.57CuO)인 경우에도 소성온도가 955 ℃인 경우와 소성온도가 1112 ℃ 경우와 비교하여도 세라믹 적층체를 소성한 후의 밀도 차이가 크지 않을 것을 알 수 있다.
순수한 CuO의 경우, 용융 온도가 1300 ℃ 이상으로 매우 높기 때문에 저온 소성용 소결 조제로 사용되기 적합하지 않다.
하지만 본 개시의 일 실시 예와 같이 (1-x)Li2O-xCuO 의 화합물로 사용되는 경우, 용융온도가 감소하여 소성온도가 1020 ℃ 이하인 경우에도 액상에 의한 저온 치밀화를 유도하는 것으로 판단된다.
이는 도 1에 도시된 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 개시의 일 실시 예의 부성분인 (1-x)Li2O-xCuO 의 화합물은 저온에서 BaTiO3의 치밀화를 유도하여 소성 온도를 낮추는 효과가 있음을 알 수 있다.
도 3은 1094 ℃ 에서 소성된 세라믹 적층체의 소결 후의 미세 구조를 촬영한 것이다.
도 3을 참조하면, m이 0인 경우에는 입자가 매우 작고 잔류 기공이 많이 존재하는 것을 알 수 있다.
하지만, m이 0.1인 경우(= 0.75Li2O-0.25CuO)와 m이 0.3(0.5Li2O-0.5CuO)인 경우에는 부성분으로 인한 액상 형성에 의해 치밀한 미세구조를 가지는 것을 알 수 있다.
이와 동시에, m이 0.1 인 경우와 m이 0.3인 경우에는 잔류 기공이 매우 적은 것을 알 수 있다.
즉, 미세 구조 관점에서 저온 소성용 유전체 조성물에 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO 의 화합물을 포함하는 경우, 종래에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 액상에 의해 치밀화를 유도할 수 있으며, 동시에 입성장을 유도할 수 있다.
도 4 및 5는 각각 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 유전율 및 손실계수를 측정한 것이다.
도 4를 참조하면, 부성분인 0.3Li2O-mCuO 에서 m이 0인 경우에는 소성온도에 감소에 따라 유전율이 큰 폭으로 감소하는 것을 알 수 있다.
특히, 도 5를 참조하면 소성온도가 1081 ℃ 이하의 경우, m이 0인 경우, 세라믹 적층체의 치밀화 정도가 낮기 때문에 유전율 감소에 비해서 손실 계수의 감소가 매우 큰 폭으로 상승하는 것을 알 수 있다.
하지만, m이 0.1인 경우(= 0.75Li2O-0.25CuO)에 m이 0인 경우에 비하여 동등한 수준의 유전율을 유지하면서 매우 안정적인 손실 계수 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 저온 소성용 유전체 조성물에 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO의 화합물을 포함하는 경우, (1-x)Li2O-xCuO의 화합물에 의한 액상 형성과 일부 CuO의 B-site 치환(Acceptor)에 의한 손실 계수 안정화의 영향으로 판단된다.
따라서 본 개시의 일 실시 예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물과 같이 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO의 화합물을 포함하는 경우, 유전 특성을 향상시킬 수 있다.
다만, 저온 소성용 유전체 조성물과 같이 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO의 화합물의 함량을 적절히 조절할 필요가 있다.
도 6은 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도 별로 소성한 후의 상온 IR(Insulation Resistance)를 측정한 것이다.
도 6을 참조하면, 0.3Li2O-mCuO에서 m이 0인 경우, 소성 온도가 1051 ℃에서 절연성이 큰 폭으로 감소하는 것을 알 수 있다.
이는 소성 온도가 1051 ℃ 이하인 경우, 세라믹 적층체의 소성이 제대로 이루어지지 않아 치밀화 감소에 의해 소결 밀도가 낮아졌기 때문인 것으로 판단된다.
반면, m이 0.1 내지 0.4 인 경우, 소결 온도가 감소하여도 m이 0인 경우와 비교하였을 때, 절연성 감소가 크지 않고 유지되는 것을 알 수 있다.
또한, CuO의 양이 증가하는 경우에 절연성이 더욱 향상되는 것을 알 수 있다.
즉, 소결 온도가 낮아짐에 따라 저온 영역에서의 절연성은 치밀화 정도와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.
따라서 본 개시의 일 실시 예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물를 이용한 세라믹 적층체는 저온에서도 치밀화가 잘 이루어지기 때문에, 종래에 비해 세라믹 적층체의 절연성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 개시의 저온 소성용 유전체 조성물의 부성분의 조성비를 조절한 뒤, 이를 이용하여 제조된 세라믹 적층체를 소성 온도별로 소성한 후의 고온에서 전계에 따른 IR(Insulation Resistance)를 측정한 것이다.
도 7을 참조하면, 0.3Li2O-mCuO에서 m이 0인 경우에 파괴 전압(Failure Voltage)이 43 V/mm로 낮게 측정되었음을 알 수 있다.
즉, 소결 밀도 저하에 따라 세라믹 적층체의 내부에 잔류기공에 의해 브레이크-다운(Breakdown) 전압이 낮아졌음을 알 수 있다.
반면, m이 0.1인 경우와 m이 0.2인 경우에는 파괴 전압이 각각 약 58 V/mm와 67 V/mm로 m이 0인 경우에 비해서 뛰어난 절연 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
이는 저온 소성용 유전체 조성물에 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO 의 화합물을 포함하는 경우, (1-x)Li2O-xCuO 의 화합물에 의한 액상 형성으로 인해 치밀화가 향상되어 소결 밀도가 상승 되었기 때문인 것으로 판단된다.
부성분인 (1-x)Li2O-xCuO의 함량을 조절하여 하기의 [표 1]와 같이 7개의 유전체 조성물을 제작하였다.
조성물 주성분
(mol%)		 부성분
(mol%, 주성분 100 mol% 당)		 제1 보조성분
(mol%, 주성분 100 mol% 당)		 제2 보조성분
(mol%, 주성분 100 mol% 당)
BaTiO3 (1-x)Li2O-xCuO BaO:SiO2:Al2O3 Mn3O4:V2O5 : Dy2O3
#1* 100 0 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#2* 100 0.05 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#3 100 0.1 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#4 100 0.3 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#5 100 0.7 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#6 100 2.0 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
#7* 100 2.1 1.0 : 0.3 : 1.0 1.0 : 1.1 : 5.2
*: 비교예
[표 1]와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 제1 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 BaO, 0.3 몰% 포함되는 SiO2 및 1.0 몰% 포함되는 Al2O3를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조 성분은 소결 조제로서 소결시 소결 온도, 치밀도, IR 등의 특성을 조절하는 것을 보조하는 역할을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 소성용 유전체 조성물은 제2 보조 성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때, 1.0 몰% 포함되는 Mn3O4; 1.1 몰 포함되는 V2O5; 및 5.2 몰% 포함되는 Dy2O3를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 보조성분은 유전율에 크게 영향을 미치지 아니하며, 유전체 조성물의 입성장을 억제하거나, 산소 공공의 이동을 제어하여 소결성, 절연 저항, 절연 파괴 전압 및 평균 수명 시간 등을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
표 1의 조성물들을 이용하여, 적층 세라믹 전자 부품을 제조하여 유전 특성 및 치밀화 정도를 평가하였다.
유전 특성은 유전율 및 손실 계수를 측정하였고, 치밀화 정도는 세라믹 전자 부품의 밀도를 측정하여 평가하였다.
표 1의 조성물을 이용하여 유전 특성을 평가한 결과, #1, #2 및 #7의 유전 특성이 나빠지는 것을 확인할 수 있었다.
이는 부성분의 함량이 증가하여, 상대적인 주성분의 함량의 감소로 인한 것으로 판단된다.
이에 비해, 표 1의 조성물의 치밀화 정도를 판단한 결과 #1 및 #2의 세라믹 적층체의 소성 후의 밀도가 낮게 측정된 것을 알 수 있었다.
이는 부성분이 소성온도를 낮추기 위한 소결조제로서의 양이 부족하여 충분히 액상이 형성되지 못해 치밀화가 이루어지지 못한 것으로 판단된다.
따라서 유전 특성을 향상시키는 것과 동시에 치밀화 정도를 높이기 위해서, 부성분은 주성분이 100 몰% 일 때, 0.1 몰% 내지 5.0 몰% 포함될 수 있다.
바람직하게, 상기 부성분은 주성분이 100 몰% 일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함될 수 있다.
적층 세라믹 전자 부품 및 그 제조 방법
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 개략적인 사시도이고, 도 9은 도 8의 A-A`의 단면도를 도시한 것이다.
도 8 및 9을 참조하면 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 적층 세라믹 전자 부품은 주성분으로 BaTiO3를 포함하고, 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 복수의 유전체 층(10)을 적층하여 형성되는 적층 본체(100); 서로 다른 극성이 교대로 나타나도록, 상기 유전체 층의 상부에 형성되는 제1 내부 전극(20a) 및 제2 내부전극(20b); 상기 적층 본체(100)의 일 측면에 형성되어 상기 제1 내부 전극(20a)과 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극(30a); 및 상기 제1 외부 전극(30a)이 형성된 면과 대향하는 면에 형성되어 상기 제2 내부 전극(20b)과 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극(30b);을 포함할 수 있다.
상기 유전체 층(10)은 전술한 저온 소성용 유전체 조성물을 이용하여 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 다른 저온 소성용 유전체 조성물을 이용함으로써, 니켈 내부 전극이 산화 또는 뭉치는 온도보다 낮은 온도에서 소성이 가능하게 된다.
종래의 경우, 고온에서 니켈 내부 전극이 뭉치는 현상으로 인해 발생하는 단락(short)으로 인해 유전체 층(10)의 두께를 일정 두께 이하로 제작할 수 없었다.
하지만 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 전자 부품은 저온 소성용 유전체 조성물을 이용하여 유전체층을 형성한 후, 저온에서 소성하게 되므로 니켈 내부 전극의 뭉침 현상의 발생이 매우 적다.
따라서 유전체 층(10)의 두께를 얇게 하는 경우에도 신뢰성이 떨어지지 않으며, 고용량(고성능)을 확보할 수 있다.
그러므로 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서, 상기 유전체 층(10)의 두께는 1 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있다.
상기 유전체 층(10)의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 인접하는 내부 전극(20a, 20b)이 서로 접하여 단락이 발생할 수 있으며, 상기 유전체 층의 두께가 2 ㎛를 초과하는 경우, 초고용량을 확보하기 어렵다.
상기 유전체 층(10)의 치밀도는 97% 이상 일 수 있다.
종래의 경우, 1000 ℃ 내지 1150 ℃에서 세라믹 그린 시트를 소성하는 경우에는 치밀도가 97% 미만으로 떨어지게 된다.
하지만 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 층(10)은 저온 소성용 유전체 조성물을 사용함으로써 치밀도를 97% 이상으로 확보할 수 있다.
상기 제1 내부 전극(20a)은 상기 유전체 층(10)의 상부에 제1 외부 전극(30a)과 연결되게 형성된다.
또한, 상기 제2 내부 전극(20b)은 상기 유전체 층(10)의 상부에 제2 외부 전극(30b)과 연결되게 형성된다.
상기 제1 내부 전극(20a)이 형성된 유전체 층(10)과 상기 제2 내부 전극(20b)이 형성된 유전체 층(10)을 교대로 적층하여 적층 본체(100)를 마련할 수 있다.
예를 들어, 제1 외부 전극(30a)에 + 전압을, 제2 외부 전극(30b)에 - 전압을 연결함으로써, 상기 제1 내부 전극(20a)과 상기 제2 내부 전극(20b)이 서로 다른 극성을 가질 수 있게 된다.
따라서, 상기 제1 내부 전극(20a)과 상기 제2 내부 전극(20b) 사이에 위치하는 유전체 층(10)에 쌍극자가 형성되어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 전자 부품은 캐패시터로서 작동하게 된다.
상기 제1 외주 전극(30a)과 상기 제2 외부 전극(30b)은 상기 적층 본체의 길이 방향의 양면에 각각 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법의 개략적인 플로우 차트를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법은 주성분으로 포함된 BaTiO3 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 저온 소성용 유전체 조성물을 마련하는 단계(S110); 상기 유전체 조성물을 이용하여 세라믹 그린 시트를 마련하는 단계(S120); 상기 세라믹 그린 시트의 상부에 내부 전극을 형성하는 단계(S130); 상기 세라믹 그린 시트를 적층 및 압착하여 세라믹 적층체를 마련하는 단계(S140); 및 상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계(S150);를 포함할 수 있다.
상기 유전체 조성물을 마련하는 단계(S110)는 상기 부성분으로 사용되는 (1-x)Li2O-xCuO을 제조하기 위하여 Li2O는 Li2O를 직접 사용하거나 Li2CO3를 출발원료로 사용하고, CuO는 CuO를 직접 사용하거나 Cu2O를 출발원료로 사용한다.
상기한 Li2O와 CuO를 적정비로 칭량하여 건식 또는 습식(알코올)법으로 혼합 후 건조하였다.
이후, (1-x)Li2O-xCuO 를 형성하기 위하여, 상합성 온도인 500 ℃ ~ 750 ℃범위에서 60분 유지하였다.
상기 세라믹 그린 시트를 마련하는 단계(S120)에서, 상기 세라믹 그린 시트는 상기 저온 소성용 유전체 조성물과 바인더, 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 닥터 블레이드 법으로 수 ㎛의 두께를 갖는 시트(sheet)형으로 제작할 수 있다.
그리고, 상기 세라믹 그린 시트 상에 상기 도전성 페이스트를 이용하여 내부전극을 형성(S130)할 수 있다.
상기 내부 전극은 도전성 금속 분말을 포함하는 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 도전성 금속 분말은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 은(Ag), 납(Pb), 백금(Pt), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 등이 있고, 이들을 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이와 같이 내부 전극이 형성된 후 세라믹 그린시트를 캐리어 필름으로부터 분리시킨 후 복수의 세라믹 그린시트 각각을 서로 겹쳐서 적층하여 세라믹 적층체를 형성(S140)할 수 있다.
이후 압착, 소성, 절단 및 연마하여 세라믹 적층체를 제조(S150)할 수 있다.
특히, 본 발명의 적층 세라믹 전자 부품은 상술한 본 발명의 저온 소성용 유전체 조성물을 이용하기 때문에, 소성 시 1000 ℃ 내지 1150 ℃에서 수행될 수 있다.
따라서, 상기 내부 전극의 뭉침 현상이나 산화를 방지할 있어, 적층 세라믹 전자 부품의 용량(성능)과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계(S150)를 수행한 후에 상기 세라믹 적층체에 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되는 외부 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 전극을 형성하는 단계는 상기 세라믹 적층체의 길이 방향으로 면, 즉 내부 전극이 노출되어 있는 면에 도전성 페이스트를 이용하여 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
10: 유전체 층
20a: 제1 내부 전극 20b: 제2 내부 전극
30a: 제1 외부 전극 30b: 제2 외부 전극
100: 적층 본체

Claims (15)

  1. 주성분으로 포함되는 BaTiO3; 및
    부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO;을 포함하고,
    상기 x는 0.1 내지 0.9 이고,
    상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함되며, 상기 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 저온 소성용 유전체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 1.0 몰% 포함되는 저온 소성용 유전체 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부성분의 녹는점은 1020 ℃ 이하인 저온 소성용 유전체 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때,
    1.0 몰% 포함되는 BaO;
    0.3 몰% 포함되는 SiO2; 및
    1.0 몰% 포함되는 Al2O3;를 더 포함하는 저온 소성용 유전체 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    제2 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때,
    1.0 몰% 포함되는 Mn3O4;
    1.1 몰% 포함되는 ZrO2; 및
    5.2 몰% 포함되는 Dy2O3;를 더 포함하는 저온 소성용 유전체 조성물.
  7. 주성분으로 BaTiO3를 포함하고, 부성분으로 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 복수의 유전체 층을 적층하여 형성되는 적층 본체;
    서로 다른 극성이 교대로 나타나도록, 상기 유전체 층의 상부에 형성되는 제1 내부 전극 및 제2 내부전극;
    상기 적층 본체의 일 측면에 형성되어 상기 제1 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극; 및
    상기 제1 외부 전극이 형성된 면과 대향하는 면에 형성되어 상기 제2 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극;을 포함하고,
    상기 x는 0.10 내지 0.90이고,
    상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함되며, 상기 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 적층 세라믹 전자 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 1.0 몰% 포함되는 적층 세라믹 전자 부품.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 부성분의 녹는점은 1020 ℃ 이하인 적층 세라믹 전자 부품.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 유전체 층의 치밀도는 97% 이상인 적층 세라믹 전자 부품.
  12. 제7항에 있어서,
    제1 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때,
    1.0 몰% 포함되는 BaO;
    0.3 몰% 포함되는 SiO2; 및
    1.0 몰% 포함되는 Al2O3;를 더 포함하는 적층 세라믹 전자 부품.


  13. 제7항에 있어서,
    제2 보조성분으로서 상기 주성분이 100 몰%이라고 할 때,
    1.0 몰% 포함되는 Mn3O4;
    1.1 몰% 포함되는 ZrO2; 및
    5.2 몰% 포함되는 Dy2O3;를 더 포함하는 적층 세라믹 전자 부품.
  14. 주성분으로 포함된 BaTiO3 및 부성분으로서 포함되는 (1-x)Li2O-xCuO 를 포함하는 저온 소성용 유전체 조성물을 마련하는 단계;
    상기 유전체 조성물을 이용하여 세라믹 그린 시트를 마련하는 단계;
    상기 세라믹 그린 시트의 상부에 내부 전극을 형성하는 단계;
    상기 세라믹 그린 시트를 적층 및 압착하여 세라믹 적층체를 마련하는 단계; 및
    상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계;를 포함하고,
    상기 x는 0.10 내지 0.90 이고,
    상기 부성분은 상기 주성분이 100 몰%일 때, 0.1 몰% 내지 2.0 몰% 포함되며, 상기 부성분은 Li6CuO4, Li2CuO2 및 Li2Cu2O3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들의 혼합물인 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 세라믹 적층체를 소성하는 단계는 1000 ℃ 내지 1150 ℃에서 수행되는 적층 세라믹 전자 부품의 제조 방법.
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