KR102137485B1 - Vanadia-based zinc oxide varistors doped with yttria and maunfacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a zinc oxide-vanadia varistor with yttria added, which shows a very high resistance value below a breakdown voltage but shows a low resistance value above the breakdown voltage, and which has excellent nonlinear properties at a specific amount of yttria added and exhibits high interfacial state density and high potential barrier height; and a manufacturing method thereof. In addition, the present invention relates to the zinc oxide-vanadia varistor with yttria added and the manufacturing method thereof, which can act as a donor based on a chemical defect reaction. The present invention can provide a chip varistor using the zinc oxide-vanadia varistor with yttria added.

Description

이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법{VANADIA-BASED ZINC OXIDE VARISTORS DOPED WITH YTTRIA AND MAUNFACTURING METHOD FOR THE SAME}Zinc Oxide-Vanadia Varistor with Yttria added and its manufacturing method{VANADIA-BASED ZINC OXIDE VARISTORS DOPED WITH YTTRIA AND MAUNFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전자기기에 사용되는 전자회로 부품을 서지(surge) 및 이상전압으로부터 보호하는 산화아연 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added and a method for manufacturing the same, more specifically, a zinc oxide varistor that protects electronic circuit components used in electronic devices from surges and abnormal voltages, and It relates to a manufacturing method.

바리스터(varistor)는 휴대단말 등 전자기기에 사용되는 전자회로 및 부품을 써지(surge) 및 펄스성 노이즈 등의 이상전압으로부터 보호하기 위하여 사용되는 소자를 말하는데, 이는 정전기의 발생에 대해 전자회로 및 부품의 보호와 동작 안정성을 담보하면서 노이즈 규제에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.A varistor is a device used to protect electronic circuits and components used in electronic devices such as portable terminals from abnormal voltages such as surge and pulsed noise, which are electronic circuits and components against the generation of static electricity. It ensures effective protection against noise regulation while ensuring the protection and operational stability of the system.

일 예로, LED TV. 스마트폰, 카메라, PC 등은 전기·전자회로에서의 전류나 전압, 전력의 과도적 파형인 서지에 매우 민감하고 취약할 수 있다. 이 때, 60∼80%의 서지는 설비 내부에서 발생되는데, 반도체 소자에 있어서 서지는 상당히 심각한 피해를 입히는 존재라고 할 수 있다.For example, LED TV. Smartphones, cameras, and PCs can be very sensitive and vulnerable to surges, which are transient waveforms of current, voltage, and power in electrical and electronic circuits. At this time, 60 to 80% of surges are generated inside the facility, and in semiconductor devices, surges can be said to cause significant damage.

이러한 바리스터는 전압 의존 저항 또는 비선형 저항을 의미할 수 있다. 바리스터의 저항은 일반적인 저항과 달리 인가 전압(applied voltage)에 따라 변화한다. 따라서 바리스터 효과를 나타내는 재료는 pn 접합이나 활성 입자 경계 또는 활성 계면과 같은 미세구조를 가져야 한다.The varistor may mean a voltage-dependent resistor or a nonlinear resistor. The resistance of the varistor changes with the applied voltage, unlike the normal resistance. Therefore, the material exhibiting the varistor effect must have a microstructure such as pn junction or active particle boundary or active interface.

한편, 산화아연이 포함된 산화아연 바리스터(zinc oxide varistor)는 산화아연에 몇 가지 첨가제를 첨가하여 적절한 온도에서 소성하여 제조될 수 있다. 도핑된 산화아연 바리스터의 미세구조는 수많은 반도체성 산화아연 입자와 결정립계로 구성된 다결정 구조이다. 결정립은 밴드갭이 약 3.2 eV 인 반도체이며, 결정립 경계는 전자에 대해 활성이고 매우 얇은 절연층을 갖는다. 그 결과, 하나의 반도체-절연층-반도체(SIS) 구조가 마이크로 바리스터를 구성하는데, 이러한 마이크로 바리스터는 소결체를 통해 무작위로 분포한다.On the other hand, zinc oxide varistors containing zinc oxide (zinc oxide varistor) can be prepared by firing at an appropriate temperature by adding some additives to the zinc oxide. The microstructure of the doped zinc oxide varistor is a polycrystalline structure composed of numerous semiconducting zinc oxide particles and grain boundaries. The grain is a semiconductor with a bandgap of about 3.2 eV, and the grain boundary is active against electrons and has a very thin insulating layer. As a result, one semiconductor-insulating layer-semiconductor (SIS) structure constitutes a micro varistor, which is distributed randomly through the sintered body.

따라서, 특정 첨가제로 도핑된 산화아연에 대한 소결은 전도 특성에서 특유한 미세구조(micro structure) 및 비선형 특성(nonlinear properties)을 생성할 수 있다. 산화아연 바리스터는 우수한 비선형성으로 인해 다양한 수동 및 능동 소자, 위험한 과도 전압으로부터 전기 및 전자 장비, 번개로부터 전기 설비를 우회(bypass)하는데 효과적으로 적용될 수 있다.Thus, sintering zinc oxide doped with a specific additive can produce microstructures and nonlinear properties that are unique in conduction properties. Due to its excellent nonlinearity, zinc oxide varistors can be effectively applied to bypass electrical equipment from various passive and active devices, electrical and electronic equipment from dangerous transient voltages, and lightning.

오늘날 대부분의 바리스터는 여러 불순물이 도핑되지만 반드시 비스무스는 필수적으로 도핑이며, 특별한 경우에는 프라세오디뮴이 필수적으로 도핑된다. 이러한 바리스터 세라믹은 1000 ℃보다 높은 온도에서 소성되어야하기 때문에, 다층형의 경우 값비싼 Pd 또는 Pt 가 필연적으로 사용된다.Most varistors today are doped with several impurities, but bismuth is essentially doped, and in special cases praseodymium is doped. Since such varistor ceramics must be fired at a temperature higher than 1000°C, expensive Pd or Pt is inevitably used in the case of a multilayer type.

그러나 전도성이 우수한 Ag를 내부 전극으로 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 이 때 Ag의 융점보다 낮은 온도에서 동시 소성이 가능한 바리스터 세라믹이 필요하다. 따라서 바나듐이 도핑된 산화아연 세라믹스가 여기에 적합할 수 있다. 1994년 이후, 바나듐이 도핑된 산화아연 바리스터는 지속적으로 연구되어 왔으나, 현재까지 그 효과가 만족스럽지 않은 실정이다.However, it may be desirable to use Ag having excellent conductivity as an internal electrode. At this time, a varistor ceramic capable of simultaneously firing at a temperature lower than the melting point of Ag is required. Therefore, zinc oxide ceramics doped with vanadium may be suitable for this. Since 1994, zinc oxide varistors doped with vanadium have been studied continuously, but the effect has not been satisfactory to date.

(특허 문헌 1) KR 10-1948718 B1(Patent Document 1) KR 10-1948718 B1

본 발명의 목적은 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 항복전압 전압 이하에서는 매우 높은 저항값을 나타내지만, 그 이상에서는 낮은 저항 값을 보이는 비선형 특성이 우수하고, 높은 계면상태밀도 및 전위장벽 높이 값을 나타내, 안정성 및 신뢰성이 향상된 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to show a very high resistance value below the breakdown voltage, but above it, it has excellent non-linear characteristics showing low resistance value, high interface state density and potential barrier height value, and improved stability and reliability. It is to provide a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용할 수 있는 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a zinc oxide-vanadia-based varistor added with yttria, which can act as a donor based on a chemical-defect reaction, and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터를 이용하여 칩 바리스터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chip varistor using the yttria-added zinc oxide-vanadia-based varistor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터는 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(바나디아, V2O5), 망간 산화물(MnO2) 및 니오븀 산화물(Nb2O5)을 포함하며, 이트륨 산화물(이트리아, Y2O3)이 추가로 첨가될 수 있다. To achieve the above object, a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added according to an embodiment of the present invention includes zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (vanadia, V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO) 2 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and yttrium oxide (yttria, Y 2 O 3 ) may be additionally added.

상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05 내지 0.25이다.The varistor comprises (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , where x is 0.05 to 0.05 0.25.

상기 바리스터는 비선형 지수(α)가 40 내지 67이다.The varistor has a nonlinear index (α) of 40 to 67.

상기 바리스터의 계면상태밀도(interface state density, Nt)는 2.01×1012 내지 2.30×1012cm-2이며, 전위장벽 높이(barrier height Φb)는 0.77 내지 1.24 eV이다.The interface state density (N t ) of the varistor is 2.01×10 12 to 2.30×10 12 cm -2 , and the barrier height Φ b is 0.77 to 1.24 eV.

상기 바리스터는 도너(donor) 농도가 4.53×1017 -3 내지 5.56×1017-3이다.The varistor has a donor concentration of 4.53 x 10 17 cm -3 to 5.56 x 10 17 cm -3 .

상기 바리스터는 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너로 작용할 수 있다.The varistor may act as a donor based on a chemical-defect reaction.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 바리스터는 상기 이트리아가 첨가된 바나디아계 산화아연 바리스터를 다수 개 적층하여 모듈화하고 그 내부에 은(Ag) 내부전극이 동시소성으로 형성될 수 있다.The chip varistor according to another embodiment of the present invention may be modularized by stacking a plurality of vanadia-based zinc oxide varistors to which the yttria is added, and a silver (Ag) internal electrode may be simultaneously formed therein.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막은 상기 이트리아가 첨가된 바나디아계 산화아연 바리스터를 포함한다. The thin film according to another embodiment of the present invention includes a vanadia-based zinc oxide varistor to which the yttria is added.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터의 제조방법은 1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(바나디아, V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 이트륨 산화물(이트리아, Y2O3)을 칭량하는 단계; 2) 상기 칭량된 조성물은 볼 밀링하여 제1 혼합물을 만드는 단계; 3) 상기 제1 혼합물을 건조하는 단계; 4) 상기 건조한 제1 혼합물은 아세톤 및 폴리비닐부티랄 바인더(polyvinyl butyral binder)와 혼합하고 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 5) 상기 제2 혼합물은 건조한 후 체질(sieving)하여 출발 파우더를 제조하는 단계; 및 6) 상기 출발 파우더를 펠렛 형태로 압축하고 소결 및 냉각하여 소결체를 만드는 단계를 포함한다.Method for manufacturing a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added according to another embodiment of the present invention is 1) zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (vanadia, V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and yttrium oxide (yttria, Y 2 O 3 ); 2) the weighed composition is ball milled to make a first mixture; 3) drying the first mixture; 4) preparing the second mixture by mixing and stirring the dried first mixture with acetone and a polyvinyl butyral binder; 5) preparing the starting powder by sieving the second mixture after drying; And 6) compressing the starting powder into pellets, and sintering and cooling to make a sintered body.

상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05 내지 0.25이다.The varistor comprises (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , where x is 0.05 to 0.05 0.25.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

금속산화물을 첨가제로 하여 소결된 산화아연 바리스터의 미세구조는 다결정의 산화아연 입자들과 이들 입자들 사이의 입계상을 포함한다. 산화아연 바리스터는 우수한 전압의존특성을 나타내는데 이러한 현상을 바리스터 효과라 한다. 즉 산화아연의 결정립(grain)은 매우 높은 전기전도도를 가지고 있는 반면 입계면을 형성하고 있는 다른 산화물은 매우 큰 저항을 갖는다. 금속산화물 바리스터의 전기적인 특성은 수많은 미세 바리스터가 직렬 또는 병렬로 연결된 것으로 표현할 수 있다.The microstructure of a zinc oxide varistor sintered with a metal oxide as an additive includes polycrystalline zinc oxide particles and a grain boundary phase between the particles. Zinc oxide varistors exhibit excellent voltage-dependent characteristics, and this phenomenon is called a varistor effect. That is, the grains of zinc oxide have a very high electrical conductivity, while other oxides forming a grain boundary have a very large resistance. The electrical properties of the metal oxide varistors can be expressed as numerous fine varistors connected in series or in parallel.

예컨대, 바리스터의 두께를 증가시키면 항복전압이 증가하게 된다. 이것은 미세 바리스터가 직렬로 연결되어 있는 것과 마찬가지이다. For example, increasing the thickness of the varistor increases the breakdown voltage. This is the same as if the fine varistors are connected in series.

또, 바리스터의 면적을 증가시키면 서지전류내량이 증가한다. 이것은 미세 바리스터가 서로 병렬로 연결되어 있는 것과 마찬가지가 된다. In addition, if the area of the varistor is increased, the surge current tolerance increases. This is the same as if the fine varistors are connected in parallel to each other.

또, 바리스터의 부피를 두 배로 하면 에너지 내량이 거의 두 배로 올라간다. 에너지를 흡수하는 산화아연 입자의 수가 두 배로 증가하기 때문이다.In addition, if the volume of the varistor is doubled, the amount of energy is almost doubled. This is because the number of zinc oxide particles absorbing energy doubles.

미세구조에서 나타나는 산화아연 입자크기의 분포는 산화아연 바리스터의 항복전압 전압을 결정하는데 매우 중요하다. 즉, 바리스터의 전압은 입계의 직렬수에 따라 변하며 서지내량은 입계의 병렬수에 따라 변화한다.The distribution of the zinc oxide particle size in the microstructure is very important in determining the breakdown voltage of the zinc oxide varistor. That is, the voltage of the varistor changes with the series number of grain boundaries, and the surge withstand voltage changes with the parallel number of grain boundaries.

산화아연 바리스터는 출발 원료, 소결 조건에 따라 입자성장이 영향을 받게 된다. 산화물 첨가제가 첨가된 산화아연 바리스터는 고상 소결 보다는 액상 소결 메커니즘이 지배적이며, 따라서 첨가제의 함량 및 분포는 소결체의 입도 및 그 분포에 영향을 미치게 된다. Zinc oxide varistors are affected by particle growth depending on starting materials and sintering conditions. Zinc oxide varistors with oxide additives dominate the liquid phase sintering mechanism rather than solid phase sintering, so the content and distribution of the additives affect the particle size and distribution of the sintered body.

본 발명에서는 바리스터의 결정입 크기 및 입계상의 분포 상에서 첨가물을 도핑하기 전과 후에서 큰 차이를 나타나지 않음에도 불구하고, 비선형 특성을 향상시킨 산화아연 바리스터를 제공하고자 한다. In the present invention, it is intended to provide a zinc oxide varistor with improved non-linear properties, despite no significant difference between before and after doping of the additives on the grain size and grain boundary distribution of the varistor.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터는 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2) 및 니오븀 산화물(Nb2O5)을 포함하며, 이트리아(Y2O3)이 첨가제로 추가로 첨가되는 것을 특징으로 한다. More specifically, the zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added according to an embodiment of the present invention includes zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), and niobium oxide ( Nb 2 O 5 ), and it characterized in that yttria (Y 2 O 3 ) is additionally added as an additive.

상기 이트리아는 바리스터의 제조 시에, 미첨가되는 경우와, 첨가 시 함량 범위를 늘려감에 따라, 소결밀도 및 평균 입자의 크기 변화가 크지 않다. 즉, 이트륨의 도핑은 미세구조에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. In the production of the varistor, the sintering density and the average particle size change are not large when the varistor is manufactured, as it is not added and as the content range is increased when added. That is, it was confirmed that the doping of yttrium does not significantly affect the microstructure.

상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05 내지 0.25이며, 바람직하게는 x는 0.05이다. The varistor comprises (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , where x is 0.05 to 0.05 0.25, preferably x is 0.05.

상기와 같이, 이트리아를 소량 첨가함에 따라, 소결밀도 및 평균 입자의 크기에 영향을 미치지 않고, 우수한 비선형성을 나타내어, 안정성 및 신뢰성이 향상된 바리스터를 제공할 수 있다. As described above, by adding a small amount of yttria, without affecting the sintering density and the average particle size, exhibiting excellent nonlinearity, it is possible to provide a varistor with improved stability and reliability.

기본적으로 전위장벽(potential barrier)은 결정립계에서 다양한 결함(침입형 아연, 침입형 산소, 아연 결함 등의 첨가 결함)의 영향을 받는다. 이에, 바리스터의 비선형 지수 a는 쇼트키 장벽에 의해 크게 영향을 받는다고 할 것이다. Basically, the potential barrier is affected by various defects (additional defects such as intrusive zinc, interstitial oxygen, and zinc defects) at grain boundaries. Therefore, it will be said that the nonlinear index a of the varistor is greatly influenced by the Schottky barrier.

본 발명의 바리스터의 제조 시, 이트리아를 소량 첨가함에 따라, 마이너 상(minor phase)으로 YVO4를 형성하고, 이러한 마이너 상의 함량에 의해 비선형 지수에 영향을 미친다. 즉, YVO4가 없거나 초과된 YVO4는 비선형 지수 a를 감소시킬 수 있다. In the production of the varistor of the present invention, as a small amount of yttria is added, YVO 4 is formed in the minor phase, and the nonlinear index is affected by the content of the minor phase. That is, YVO 4 with or without YVO 4 may reduce the nonlinear index a.

이는 본 발명의 함량 범위 내에서만 이트리아를 첨가하는 경우, 적합한 마이너 상인 YVO4를 형성하게 되어, 최적의 비선형 지수 값을 나타낼 수 있게 된다고 할 것이다. It will be said that when yttria is added only within the content range of the present invention, a suitable minor phase YVO 4 is formed, and thus an optimal nonlinear index value can be exhibited.

누설전류밀도(JL) 및 항복전계(E1 mA/cm 2)는 이트리아의 도핑 함량이 증가할수록 증가하지만, 비선형 지수의 경우에는 상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05인 경우에 최대 값을 나타낸다. Leakage current density (J L ) and breakdown field (E 1 mA/cm 2 ) increase as the doping content of yttria increases, but in the case of a nonlinear index, the varistor is (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , wherein x represents a maximum value when 0.05.

상기 바리스터의 비선형 지수(α)는 40 내지 67이지만, 바람직하게는 Y2O3가 0.05 mol%에서 67로 최대값을 나타냈다.The non-linear index (α) of the varistor is 40 to 67, but preferably, Y 2 O 3 has a maximum value of 0.05 mol% to 67.

비선형 지수가 크다 함은, 항복전압 전압 이하에서는 저항 값이 매우 높지만, 그 이상에서는 낮은 저항값을 보임을 의미하고, 이를 통해, 외부의 급격한 전압 상승을 자체적으로 흡수, 소멸할 수 있음을 의미한다. 서지(Surge) 전압을 흡수하여, 전자회로 부품을 서지 및 이상전압으로부터 보호할 수 있다.A large nonlinear index means that the resistance value is very high below the breakdown voltage, but above it means that the resistance value is low, and through this, it is possible to absorb and extinguish the external sudden voltage rise by itself. . By absorbing the surge voltage, the electronic circuit components can be protected from surge and abnormal voltage.

상기 바리스터의 계면 상태 밀도(interface state density, Nt)는 2.01×1012 내지 2.30×1012cm-2이며, 전위장벽 높이(barrier height Φb)는 0.77 내지 1.24 eV이다. The interface state density (N t ) of the varistor is 2.01×10 12 to 2.30×10 12 cm -2 , and the barrier height Φ b is 0.77 to 1.24 eV.

바람직하게는 상기 바리스터의 계면상태밀도(interface state density, Nt)는 2.30×1012 cm-2이며, 전위장벽 높이(barrier height Φb)는 1.24 eV이다.Preferably, the interface state density (N t ) of the varistor is 2.30×10 12 cm -2 and the barrier height Φ b is 1.24 eV.

이트리아의 도핑 정도에 따른 계면상태밀도 및 전위장벽 높이의 변화 경향은 일치한다. 상기 계면상태밀도 및 전위장벽 높이 값이 커질수록 비선형 특성이 우수함을 의미한다고 할 것이다. The tendency of interstate density and dislocation barrier height to coincide with the degree of doping of yttria is consistent. It will be said that the higher the interfacial state density and the potential barrier height value, the better the nonlinear characteristics.

본 발명의 바리스터는 이트리아를 추가로 첨가함에 따라, 도너(donor) 농도가 4.53 × 1017-3 내지 5.56 × 1017-3이며, 바람직하게는 4.53 × 1017-3이다. 이트륨 도펀트는 하기와 같은 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용할 수 있다:The varistor of the present invention has a donor concentration of 4.53 × 10 17 cm -3 to 5.56 × 10 17 cm -3 , and preferably 4.53 × 10 17 cm -3 as the yttria is further added. Yttrium dopants can act as donors based on the following chemical-defect reactions:

[반응식][Reaction formula]

Figure 112019018608209-pat00001
Figure 112019018608209-pat00001

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바다디아계 바리스터의 제조 방법은 1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(바나디아, V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 이트륨 산화물(이트리아, Y2O3)을 칭량하는 단계; 2) 상기 칭량된 조성물은 아세톤과 혼합하고 볼 밀링하여 혼합물을 만드는 단계; 3) 상기 혼합물을 건조하는 단계; 4) 상기 건조한 혼합물은 폴리비닐부티랄 바인더(polyvinyl butyral binder)로 과립화하여 과립 분말을 제조하는 단계; 5) 상기 과립 분말을 가압하여 디스크 형태로 소결하는 단계; 및 6) 소결하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a zinc oxide-vadiadia varistor to which yttria is added according to another embodiment of the present invention is 1) zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (vanadia, V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and yttrium oxide (yttria, Y 2 O 3 ); 2) the weighed composition is mixed with acetone and ball milled to make a mixture; 3) drying the mixture; 4) preparing the granulated powder by granulating the dried mixture with a polyvinyl butyral binder; 5) pressing the granule powder to sinter into a disk shape; And 6) sintering.

상기 바리스터의 조성비는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3이며, 상기 x는 0.05 내지 0.25이며, 바람직하게는 x는 0.05이다.The composition ratio of the varistor is (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , and x is 0.05 to 0.05 0.25, preferably x is 0.05.

보다 구체적으로, 1) 단계는 본 발명의 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터를 제조하기 위한 성분을 칭량하여, 본 발명의 범위 내의 조성으로 제조하기 위한 것이다. More specifically, step 1) is for preparing a composition within the scope of the present invention by weighing a component for preparing a zinc oxide-vanadia-based varistor to which the yttria of the present invention is added.

상기 1) 단계에서 성분에 대한 칭량이 완료되면, 아세톤과 혼합하고, 볼 밀링하여 혼합물을 제조한다. 볼 밀링을 통해, 세라믹 원료를 미세분말로 분쇄하고, 균일하게 혼합하기 위한 것이다.When the weighing for the components in step 1) is completed, mix with acetone and ball mill to prepare a mixture. Through ball milling, the ceramic raw material is pulverized into fine powders, and uniformly mixed.

혼합물을 제조한 이후, 120℃에서 건조하였다. 건조한 혼합물은 폴리비닐부티랄 바인더로 과립화하여 과립 분말을 제조하였다.After preparing the mixture, it was dried at 120°C. The dried mixture was granulated with a polyvinyl butyral binder to prepare granular powder.

상기 과립 분말은 가압하여 디스크 형태로 압축하고, 소결하였다.The granulated powder was compressed into a disk shape under pressure and sintered.

이후, 상기 소결체의 양면에 은 전극을 도포하고 리드선을 납땜한 후 패키지 처리하여 바나디아계 산화아연 바리스터를 제조한다.Thereafter, a silver electrode is applied to both surfaces of the sintered body, the lead wire is soldered, and then packaged to prepare a vanadia-based zinc oxide varistor.

본 발명의 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터 및 그 제조방법에 의하면, 항복전압 전압 이하에서는 매우 높은 저항값을 나타내지만, 그 이상에서는 낮은 저항 값을 보이는 비선형 특성이 우수하고, 높은 계면상태밀도 및 전위장벽 높이 값을 나타내, 안정성 및 신뢰성이 향상된다.According to the present invention, the zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added, and a method for manufacturing the same, exhibits a very high resistance value below the breakdown voltage, but more excellent nonlinear characteristics showing a low resistance value above, It shows the interface density and potential barrier height, improving stability and reliability.

또한, 화학적 결함(chemical defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용할 수 있다.In addition, it can act as a donor based on a chemical defect reaction.

본 발명은 상기 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터를 이용하여 칩 바리스터를 제공할 수 있다.The present invention can provide a chip varistor using the zinc oxide-vanadia-based varistor to which the yttria is added.

도 1은 이트리아로 도핑된 시편의 표면 미세구조를 도시한 것으로, 각각 (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol % 및 (d) 0.25 mol %의 이트리아가 첨가된 시편의 SEM 사진이다.
도 2는 이트리아의 함량에 따른 시편의 평균 결정립 크기와 소결밀도를 나타낸 것이다.
도 3은 이트리아로 도핑된 시편의 XRD 패턴을 나타낸 것으로, 각각 (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol % 및 (d) 0.25 mol %로 이트리아가 첨가된 시편의 XRD 패턴이다.
도 4는 이트리아로 도핑된 시편의 J-E 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 이트리아이 도핑된 시편의 비선형 지수(a) 및 누설전류밀도를 나타낸 것이다.
도 6은 이트리아로 도핑된 시편의 C-V 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 이트리아로 도핑된 시편의 유전특성을 나타낸 것으로, (a) 유전상수(εAPP') 및 (b) 손실계수(tand)이다.
도 8은 이트리아이 도핑된 시편의 유전상수 및 손실계수(dissipation factor)를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the surface microstructure of a specimen doped with yttria, wherein (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol% and (d) 0.25 mol% of yttria are shown. SEM photograph of the added specimen.
Figure 2 shows the average grain size and sintering density of the specimen according to the content of yttria.
Figure 3 shows the XRD pattern of the specimen doped with yttria, (a) 0.0 mol%, (b) 0.05 mol%, (c) 0.1 mol% and (d) 0.25 mol% of yttria added XRD pattern of the specimen.
Figure 4 shows the JE properties of the specimen doped with yttria.
FIG. 5 shows the nonlinear index (a) and leakage current density of the ETRI-doped specimen.
6 shows CV characteristics of a specimen doped with yttria.
Figure 7 shows the dielectric properties of a specimen doped with yttria, (a) dielectric constant (ε APP ') and (b) loss coefficient (tand).
8 shows the dielectric constant and dissipation factor of the ETRI-doped specimen.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터의 제조Preparation of yttria-added zinc oxide-vanadia varistor

산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 이트리아(Y2O3)를 칭량하였다.Zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and yttria (Y 2 O 3 ) were weighed.

칭량된 원료 분말을 아세톤과 함께 24 시간 동안 볼 밀링하여 혼합물을 생성하고, 상기의 혼합물을 120℃에서 건조하였다. 건조한 혼합물은 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 바인더로 과립화하여 과립 분말을 제조하였다.The weighed raw powder was ball milled with acetone for 24 hours to produce a mixture, and the mixture was dried at 120°C. The dried mixture was granulated with a polyvinyl butyral (PVB) binder to prepare granular powder.

상기 과립 분말을 1000 kg/cm2의 압력을 가하여 직경 10 mm, 두께 1.5 mm의 디스크 형태로 압축하였다. The granulated powder was compressed into a disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 1.5 mm by applying a pressure of 1000 kg/cm 2 .

디스크 형태로 압축한 이후, 마그네시아 판(magnesia plate)에서 900 ℃로 3 시간 동안 소결하였다. 최종 디스크 형태가 직경 8 mm 및 두께 1.0 mm 가 되도록 랩핑 및 폴리싱하였다. 전도성 은의 일면에 접착제를 도포하고, 상기 디스크의 표면에 접착시킨 후, 550℃에서 10분 동안 가열하였다.After compression in the form of a disc, it was sintered for 3 hours at 900° C. on a magnesia plate. The final disc shape was wrapped and polished to a diameter of 8 mm and a thickness of 1.0 mm. An adhesive was applied to one surface of the conductive silver, and then adhered to the surface of the disc, followed by heating at 550° C. for 10 minutes.

상기 원료 분말은 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Y2O3이며, 상기 x는 0, 0.05, 0.1 및 0.25이다.The raw powder is (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V 2 O 5 , 2.0 mol% MnO 2 , 0.1 mol% Nb 2 O 5 and x mol% Y 2 O 3 , wherein x is 0, 0.05 , 0.1 and 0.25.

미세구조 특성Microstructure characteristics

미세구조 이미지는 FESEM(Quanta 200)을 이용하여 촬영하였다. Microstructure images were taken using FESEM (Quanta 200).

평균 결정립 크기 d는 하기 식에 의해 계산되었다.The average grain size d was calculated by the following equation.

[식 1] [Equation 1]

d = 1.56 L/MNd = 1.56 L/MN

여기서 L은 현미경 사진의 랜덤선 길이, M은 현미경 사진의 배율, N은 선에 의해 교차된 입계의 수이다. Where L is the random line length of the micrograph, M is the magnification of the micrograph, and N is the number of grain boundaries crossed by the line.

결정상은 CuKα 방사선에 의한 X선 회절계(XRD, Xpertpert-PRO MPD, Panalytical, Almelo, Netherlands)에 의해 확인하였다. 소결된 펠릿의 밀도(ρ)는 전자저울 (AG 245, Mettler Toledo International Inc., 스위스)에 부착된 밀도 결정 키트(238490)를 사용하여 측정하였다.The crystal phase was confirmed by an X-ray diffractometer (XRD, Xpertpert-PRO MPD, Panalytical, Almelo, Netherlands) by CuK α radiation. The density (ρ) of the sintered pellets was measured using a density determination kit (238490) attached to an electronic balance (AG 245, Mettler Toledo International Inc., Switzerland).

도 1은 이트리아이 도핑된 시편의 표면 미세구조를 도시한 것으로, 각각 (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol % 및 (d) 0.25 mol %의 이트리아 함량이 첨가된 시편의 SEM 현미경 사진이고, 도 2는 이트리아의 함량에 대한 시편의 평균 결정립 크기 및 소결밀도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the surface microstructure of the ETRI-I doped specimen, (a) 0.0 mol%, (b) 0.05 mol%, (c) 0.1 mol% and (d) 0.25 mol% yttria content This is a SEM micrograph of the added specimen, Figure 2 shows the average grain size and sintered density of the specimen for the content of yttria.

겉으로 보기에 이트리아이 없는 시험편과 이트리아가 첨가된 시험편의 표면에는 외관상 차이가 없다. 결정상 분포(distribution of phase) 또한 전체적으로 균질하였다. 이트리아 함량에 따른 평균 결정립 크기 d는 도 2와 같다. There is no apparent difference in the surface of the test specimen without the yttrieye and the test specimen containing the yttria. The distribution of crystal phase was also homogeneous throughout. The average grain size d according to the yttria content is shown in FIG. 2.

이트리아 함량이 증가함에 따라, 평균 결정립 크기 d는 이트리아의 함량이 0.1 mol %에 도달할 때까지 5.5㎛에서 5.2㎛로 약간 감소하였다. 이트리아의 함량이 0.1 m ol %를 초과하면, 평균 입자(d)은 5.3 ㎛로 증가하였다. As the yttria content increased, the average grain size d decreased slightly from 5.5 μm to 5.2 μm until the yttria content reached 0.1 mol %. When the yttria content exceeded 0.1 m ol%, the average particle (d) increased to 5.3 μm.

상기 결과를 토대로 살펴보면, 이트리아의 함량에 따른 평균 결정립 크기 d의 변화는 크지 않다고 할 것이다. 평균 결정립 크기 d의 감소는 이트리아를 도핑함으로써 생성된 YVO4의 증가에 의한 것이다. Looking at the results, it will be said that the change in the average grain size d according to the content of yttria is not large. The decrease in the average grain size d is due to the increase in YVO 4 produced by doping yttria.

이트리아의 함량에 따른 소결밀도 ρ는 도 2와 같다. The sintering density ρ according to the content of yttria is shown in FIG. 2.

소결밀도(r)는 0.05 mol%까지 감소하였으며, 이트리아의 함량을 증가시킴에 따라, 소결밀도(ρ)는 5.47 g/cm3 내지 5.51 g/cm3 로 증가하였다. The sintering density (r) decreased to 0.05 mol%, and as the content of yttria increased, the sintering density (ρ) increased from 5.47 g/cm 3 to 5.51 g/cm 3 .

이트리아의 함량이 증가함에 따른 소결밀도(ρ)의 변화 역시, 평균 결정립 크기(d)와 마찬가지로 크지 않다. The change in sintering density (ρ) with increasing yttria content is also not as large as the average grain size (d).

전체적으로, 미세구조에 미치는 이트리아의 도핑 영향은 다른 첨가물과 비교할 때 크지 않다. 이트리아의 함량 차이에 따른 미세구조의 파라미터는 하기 표 1과 같다. Overall, the effect of yttria doping on the microstructure is not significant compared to other additives. The microstructure parameters according to the difference in yttria content are shown in Table 1 below.

하기 표 1은 이트리아가 도핑된 시편의 미세구조 및 전기적 특성 변수를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the microstructure and electrical property parameters of the yttria-doped specimen.

Yttria content
(mol%)
Yttria content
(mol%)
d
(μm)
d
(μm)
ρ
(g/cm3)
ρ
(g/cm 3 )
E1 mA/cm 2
(V/cm)
E 1 mA/cm 2
(V/cm)
vgb
(V/gb)
v gb
(V/gb)
aa JL
(μA/cm2)
J L
(μA/cm 2 )
0.00.0 5.55.5 5.505.50 48744874 2.72.7 5151 56.856.8 0.050.05 5.45.4 5.475.47 49894989 2.72.7 6767 99.799.7 0.10.1 5.25.2 5.495.49 53875387 2.82.8 5353 105.5105.5 0.250.25 5.35.3 5.515.51 53555355 2.82.8 4040 251.6251.6

도 3은 이트리아가 도핑된 시편의 XRD 패턴을 나타낸 것으로, 각각 (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol % 및 (d) 0.25 mol %의 이트리아의 함량이 첨가된 시편의 XRD 패턴이다. Figure 3 shows the XRD pattern of the specimen doped with yttria, the content of yttria of (a) 0.0 mol %, (b) 0.05 mol %, (c) 0.1 mol% and (d) 0.25 mol %, respectively. XRD pattern of the added specimen.

모든 시편은 VO2, ZnV2O4, 및 Zn3(VO4)2 와 같은 2차상(minor phase)을 형성하였다. 이트리아로 도핑된 시편은 2차상으로 YVO4 를 형성하였다.All specimens formed a minor phase such as VO 2 , ZnV 2 O 4 , and Zn 3 (VO 4 ) 2 . The specimen doped with yttria formed YVO 4 as a secondary phase.

전기적 특성Electrical properties

전류-전압(I-V) 특성은 고전압 SMU(Keithley 237)을 사용하여 자동으로 측정하였다. The current-voltage (I-V) characteristic was automatically measured using a high voltage SMU (Keithley 237).

I-V 특성은 전류 밀도-전계(J-E) 특성으로 변환된다. 항복전압(V1 mA/cm 2)은 1.0 mA/cm2 에서 측정하였다. The IV characteristic is converted into a current density-electric field (JE) characteristic. The breakdown voltage (V 1 mA/cm 2 ) was measured at 1.0 mA/cm 2 .

누설전류(IL)는 V1 mA/cm 2의 0.8 배에서 측정하였다. Leakage current (I L ) was measured at 0.8 times V 1 mA/cm 2 .

E1 mA/cm 2 = V1 mA/cm 2/DE 1 mA/cm 2 = V 1 mA/cm 2 /D

a = 1/log(V10 mA/cm 2/ V1 mA/cm 2)a = 1/log(V 10 mA/cm 2 / V 1 mA/cm 2 )

IL/SI L /S

와 같은 식으로부터 항복전계 E1 mA/cm 2, 비선형 지수 a 및 누설전류밀도 JL 를 계산한다. Calculate the breakdown field E 1 mA/cm 2 , the nonlinear index a and the leakage current density J L from the equation.

여기서 D는 시편의 두께(1mm), S는 전극의 면적이다. Where D is the thickness of the specimen (1mm), S is the area of the electrode.

커패시턴스-전압(C-V) 특성은 DC 소스에서 주파수 1 kHz, 0 내지 100V 범위의 바이어스 전압 하에서 정밀 LCR 미터(QuadTech 7600) 및 전위계(Keithley 617)를 사용하여 측정하였다.Capacitance-voltage (C-V) characteristics were measured using a precision LCR meter (QuadTech 7600) and an electrometer (Keithley 617) under a bias voltage ranging from 0 to 100 V at a frequency of 1 kHz at a DC source.

도너 농도(Nd) 및 장벽 높이(Φb)은 하기 식에 의해 결정하였다.The donor concentration (N d ) and barrier height (Φ b ) were determined by the following equation.

[식 2][Equation 2]

(1/Cb-1/2Cbo)2 = 2(Φb + Vgb)/qεNd (1/C b -1/2C bo ) 2 = 2(Φ b + V gb )/qεN d

결정립계와 입계면에서의 계면상태밀도(interface state density, Nt)는 하기 식에 의해 계산하였다.The interface state density (N t ) at grain boundaries and grain boundaries was calculated by the following equation.

[식 3][Equation 3]

Nt = (2εNdΦb/q)1/2 N t = (2εN d Φ b /q) 1/2

겉보기 커패시턴스(CAPP') 및 손실계수(tanδ)는 RLC 미터(QuadTech 7600)를 사용하여 10 Hz 내지 1 MHz에서 측정하였다. The apparent capacitance (C APP ') and loss factor (tanδ) were measured at 10 Hz to 1 MHz using an RLC meter (QuadTech 7600).

유전상수(εAPP')는 하기 식에 의해 계산하였다.The dielectric constant (ε APP ') was calculated by the following equation.

[식 4][Equation 4]

CAPP'= εAPP'S/DC APP '= ε APP 'S/D

도 4는 여러 이트리아 함량으로 도핑된 시편의 J-E 특성을 나타낸 것이고, 도 5는 이트리아 함량에 대한 시편의 비선형 지수(a) 및 누설전류밀도를 나타낸 것이다.FIG. 4 shows the J-E characteristics of specimens doped with various yttria contents, and FIG. 5 shows the nonlinear index (a) and leakage current density of specimens with respect to the yttria content.

J-E 특성은 문턱 전압(knee voltage)보다 높은 임피던스 영역과 문턱 전압보다 낮은 임피던스 영역으로 구성된다. The J-E characteristic consists of an impedance region higher than the threshold voltage and an impedance region lower than the threshold voltage.

J-E 곡선의 분포는 이트리아의 도핑이 비선형 특성에 크게 영향을 준다는 것을 보여준다. 이트리아의 함량이 증가함에 따라, 항복전압 면적(E1 mA/cm 2)은 이트리아의 함량이 0.1 mol%에 도달할 때까지 4874 V/cm 내지 5387 V/츠로 증가하였다. The distribution of the JE curve shows that yttria doping significantly affects the nonlinear properties. As the yttria content increased, the breakdown voltage area (E 1 mA/cm 2 ) increased from 4874 V/cm to 5387 V/tsu until the yttria content reached 0.1 mol%.

이트리아의 함량이 0.1 mol%를 초과하면, 0.25 mol%의 이트리아에서 E1 mA/cm 2가 5355 V/cm까지 감소하였다. 이트리아의 함량이 증가함에 따라 E1 mA/cm 2 의 거동은 평균 결정립 크기 d에 의존하였다. When the yttria content exceeds 0.1 mol%, the E 1 mA/cm 2 decreases to 5355 V/cm in 0.25 mol% yttria. As the yttria content increased, the behavior of E 1 mA/cm 2 depended on the average grain size d.

따라서, 평균 결정립 크기의 감소는 입계의 수의 증가를 가져왔다. 모든 시편은 이트리아 함량에 관계없이 결정 입계 당 항복전압 전압에서 vgb = 2.7 V/gb 내지 2.8 V/gb를 나타냈다.Therefore, a decrease in the average grain size resulted in an increase in the number of grain boundaries. All specimens exhibited v gb = 2.7 V/gb to 2.8 V/gb at breakdown voltage per grain boundary regardless of yttria content.

이트리아 함량에 따른 비선형 지수 a는 도 5와 같다. 바리스터 세라믹의 J-E 곡선은 비선형 지수 a로 표시하였다. The nonlinear index a according to the yttria content is shown in FIG. 5. The J-E curve of the varistor ceramic is indicated by the nonlinear index a.

이트리아 함량이 증가함에 따라, 비선형 지수 a는 이트리아의 함량이 0.05 mol%에 도달할 때까지 51에서 67로 크게 증가하였다. 이트리아의 함량이 0.05 mol%를 초과하면 0.25 mol%의 이트리아에서 비선형 지수가 40으로 감소하였다. As the yttria content increased, the nonlinear index a increased significantly from 51 to 67 until the yttria content reached 0.05 mol%. When the content of yttria exceeds 0.05 mol%, the nonlinear index decreases to 40 in 0.25 mol% of yttria.

0.05 mol%의 이트리아로 도핑된 시험편은 ZnO-V2O5 시스템에서 가장 큰 a(a = 67)를 나타냈다. Specimens doped with 0.05 mol% yttria showed the largest a (a = 67) in the ZnO-V 2 O 5 system.

이는 0.25 mol %의 이트리아가 첨가됨에 따른 비선형 지수 a의 급격한 감소는 결정립계에서 전위장벽 높이의 감소에 따른 것이다. This is due to the decrease in the dislocation barrier height at the grain boundary, where the sharp decrease in the nonlinear index a with the addition of 0.25 mol% yttria.

기본적으로 잠재 장벽(potential barrier)은 결정립계에서 다양한 결함(침입형 아연, 침입형 산소, 아연 결함 등의 첨가 결함)에 의해 영향을 받고, 비선형 지수 a는 쇼트키 장벽에 크게 영향을 받는다. Basically, the potential barrier is influenced by various defects (additional defects such as interstitial zinc, interstitial oxygen, and zinc defects) at the grain boundaries, and the nonlinear index a is greatly influenced by the Schottky barrier.

이트리아의 함량에 따른 비선형 지수 a의 거동은 YbVO4 함량과 연결될 수 있다. 즉, YVO4가 없거나 초과된 YVO4는 비선형 지수 a를 감소시킬 수 있다. The behavior of the nonlinear index a depending on the content of yttria can be linked to the YbVO 4 content. That is, YVO 4 with or without YVO 4 may reduce the nonlinear index a.

이트리아의 함량에 따른 누설전류밀도(JL)는 도 5와 같다. Leakage current density (J L ) according to the amount of yttria is shown in FIG. 5.

이트리아의 함량이 증가함에 따라, 누설전류밀도(JL)은 56.8μA/cm2에서 251.6 μA/cm2로 증가하였다. With increasing amount of yttria, the leakage current density (J L) is increased from 56.8μA / cm 2 to 251.6 μA / cm 2.

J-E 특성 매개 변수는 상기 표 1과 같다. 상기 표 1의 결과에 따르면, 이트리아의 도핑은 미세구조보다 J-E 특성에 큰 영향을 미친다.J-E characteristic parameters are shown in Table 1 above. According to the results in Table 1, yttria doping has a greater effect on J-E properties than microstructures.

도 6은 이트리아가 첨가된 시편의 커패시턴스-전압(C-V) 특성을 나타낸 것이다. 이트리아의 함량에 따른 C-V 특성 매개 변수는 앞선 표 1과 같다.Figure 6 shows the capacitance-voltage (C-V) characteristics of the yttria-added specimen. C-V characteristic parameters according to the content of yttria are shown in Table 1 above.

이트리아 함량이 증가함에 따라, 도너(donor) 농도는 2.46 × 1017 -3 에서 5.56 × 1017 -3 로 증가하였다. 이트륨 도펀트는

Figure 112019018608209-pat00002
와 같은 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용한다.As the yttria content increased, the donor concentration increased from 2.46 × 10 17 cm -3 to 5.56 × 10 17 cm -3 . Yttrium dopant
Figure 112019018608209-pat00002
Based on a chemical-defect reaction such as acts as a donor.

이트리아의 함량이 증가함에 따라, 장벽 높이(Φb)는 이트리아의 함량이 0.05 mol%에 도달 할 때까지 1.01 내지 1.24 eV로 증가하였다. As the yttria content increased, the barrier height (Φ b ) increased from 1.01 to 1.24 eV until the yttria content reached 0.05 mol%.

이트리아의 함량이 0.05 mol%를 초과하면, Φb는 0.77eV로 감소하였다. When the yttria content exceeded 0.05 mol%, Φ b decreased to 0.77 eV.

Φb의 변화 경향은 이트리아의 함량이 증가함에 따른 J-E 특성에서의 비선형 지수의 경향과 일치하였다. The tendency of change in Φ b was consistent with the tendency of the nonlinear index in JE properties as the yttria content increased.

일반적으로 Φb가 높을수록 비선형 특성이 우수함을 의미한다. In general, the higher the Φ b , the better the nonlinearity.

한편, 계면상태밀도(interface state density, Nt)의 변화 경향은 이트리아 함량에 따른 Φb의 경향과 일치하였다. 이는 장벽 높이는 계면상태밀도와 밀접하게 연결되기 때문이다.On the other hand, the tendency to change the interface state density (N t ) was consistent with the tendency of Φ b according to the yttria content. This is because the barrier height is closely related to the density of the interfacial state.

도 7은 이트리아가 도핑된 시편의 유전특성을 나타낸 것으로, (a)는 유전상수(εAPP'), (b)는 손실계수(tand)이다. 도 8은 이트리아의 함량에 대한 표본의 유전상수 및 손실계수(dissipation factor)를 나타낸 것이다.Figure 7 shows the dielectric properties of the yttria-doped specimen, (a) is the dielectric constant (ε APP '), (b) is the loss factor (tand). 8 shows the dielectric constant and dissipation factor of the sample for the yttria content.

도 7 (a)를 참조하면, 주파수가 증가할 때 유전상수(εAPP')가 1 kHz 미만에서 급격히 감소하고, 100 kHz 이상에서 점차적으로 감소하였다. 도 7과 같이, 이트리아의 도핑에 따른 유전상수(εAPP')의 영향은 다른 특성과 비교할 때 크지 않다. Referring to FIG. 7 (a), when the frequency increases, the dielectric constant (ε APP ') rapidly decreases below 1 kHz and gradually decreases above 100 kHz. As shown in FIG. 7, the influence of dielectric constant (ε APP ') due to doping of yttria is not large compared to other characteristics.

이트리아의 함량에 따른 유전상수(εAPP', 1kHz)의 거동은 도 8과 같다. 이트리아의 함량이 증가함에 따라, 유전율(εAPP', 1 kHz)은 이트리아 함량이 0.1 mol%에 도달할 때까지 592.7에서 549.1로 감소하였다. The behavior of the dielectric constant (ε APP ', 1 kHz) according to the amount of yttria is shown in FIG. 8. As the yttria content increased, the dielectric constant (ε APP ', 1 kHz) decreased from 592.7 to 549.1 until the yttria content reached 0.1 mol%.

이트리아 함량이 0.1 mol%를 초과하는 경우인, 0.25 mol%에서는 유전상수(εAPP')가 568.6까지 증가하였다. 유전상수(εAPP')의 변화 경향은 미세구조와 관련이 있다.The dielectric constant (ε APP ') increased to 568.6 at 0.25 mol%, when the yttria content was more than 0.1 mol%. The tendency to change the dielectric constant (ε APP ') is related to the microstructure.

한편, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 모든 시료에서 손실계수(tanδ)는 약 20 kHz까지 급격하게 감소하였다. 모든 시험편은 약 300 kHz에서 흡수 피크를 나타냈고, 주파수가 300 kHz를 초과하면 다시 감소하였다. On the other hand, as shown in Fig. 7 (b), the loss coefficient (tanδ) in all samples rapidly decreased to about 20 kHz. All specimens showed absorption peaks at about 300 kHz, and decreased again when the frequency exceeded 300 kHz.

이트리아의 함량에 따른 손실계수(dissipation factor, tanδ, 1 kHz)의 변화 경향은 도 8과 같다.The tendency of change of the dissipation factor (tanδ, 1 kHz) according to the amount of yttria is shown in FIG. 8.

손실계수(tanδ)는 이트리아의 함량이 증가함에 따라, 0.209 내지 0.313로 증가하였다. 손실계수(tanδ)의 변화 경향은 누설 전류와 밀접하게 관련된다. The loss coefficient (tanδ) increased from 0.209 to 0.313 as the amount of yttria increased. The tendency to change the loss factor (tanδ) is closely related to the leakage current.

한편, 모든 표본에서 높은 손실계수(tanδ)는 상대적으로 높은 누설 전류로 인한 것이다. 이트리아의 함량에 따른 유전체 매개 변수는 하기 표 2와 같다. On the other hand, the high loss factor (tanδ) in all samples is due to the relatively high leakage current. Dielectric parameters according to the content of yttria are shown in Table 2 below.

구체적으로 표 2는 C-V 및 여러 이트리아 함량으로 도핑된 시편의 유전특성 파라미터를 나타낸 것이다.Specifically, Table 2 shows dielectric property parameters of specimens doped with C-V and various yttria contents.

Yttria content
(mol%)
Yttria content
(mol%)
Nd
(1017cm-3)
N d
(10 17 cm -3 )
Φb
(eV)
Φ b
(eV)
Nt
(1012 cm-2)
N t
(10 12 cm -2 )
εAPP'
(1 kHz)
ε APP ''
(1 kHz)
tand
(1 kHz)
tand
(1 kHz)
0.00.0 2.462.46 1.011.01 1.531.53 592.7592.7 0.2090.209 0.050.05 4.534.53 1.241.24 2.302.30 559.8559.8 0.2330.233 0.10.1 5.185.18 1.031.03 2.232.23 549.1549.1 0.2480.248 0.250.25 5.565.56 0.770.77 2.012.01 568.6568.6 0.3130.313

본 발명에서는 0 내지 0.25 mol %의 이트륨을 첨가함에 따른 산화아연-바나디아계 세라믹스의 바리스터 특성을 포괄적으로 확인하였다. In the present invention, the varistor properties of zinc oxide-vanadia-based ceramics by adding yttrium of 0 to 0.25 mol% were comprehensively confirmed.

이트리아의 도핑이 바리스터 세라믹의 미세구조에 미치는 영향은 다른 첨가물과 비교할 때 크지 않았다. The effect of yttria doping on the microstructure of varistor ceramics was not significant compared to other additives.

구체적으로 평균 결정립 크기는 5.2 ㎛ 내지 5.5 ㎛의 좁은 범위에서, 소결밀도는 5.47 g/cm3 내지 5.51 g/cm3의 좁은 범위에서 변화하였다. Specifically, the average grain size was changed in a narrow range of 5.2 μm to 5.5 μm, and the sintering density was changed in a narrow range of 5.47 g/cm 3 to 5.51 g/cm 3 .

그러나, 비선형 특성은 이트리아 함량의 작은 변화에도 불구하고 큰 영향을 나타냈다. However, the nonlinear properties showed a great effect despite small changes in yttria content.

비선형 특성에 대해서는 이트리아를 0.05 mol% 첨가할 때, 가장 큰 영향을 나타내는 것으로 확인되었다. For non-linear properties, it was confirmed that the most significant effect was obtained when 0.05 mol% of yttria was added.

또한, 이트리아를 첨가하게 되는 경우, 전자 농도의 증가에 비추어 볼 때, 도너(donor)의 역할을 수행할 수 있을 것으로 예상된다. 이에 본 발명과 같은 함량 범위 내로, 이트리아가 도핑된 산화아연-바나디아계 바리스터는 다양한 측면으로 활용될 것이다.In addition, when yttria is added, in view of an increase in electron concentration, it is expected that it can serve as a donor. Therefore, within the same content range as the present invention, yttria-doped zinc oxide-vanadia-based varistors will be utilized in various aspects.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims (10)

산화아연(ZnO) (97.4-x) mol%, 바나듐 산화물(V2O5) 0.5 mol%, 망간 산화물(MnO2) 2.0 mol% 및 니오븀 산화물(Nb2O5) 0.1 mol%을 포함하며,
x mol%의 이트리아(Y2O3)가 추가로 첨가되며,
상기 이트리아의 첨가로 인해 형성된 마이너 상(Minor phase)인 YV04를 포함하며,
상기 x는 0.05 내지 0.25이며,
비선형 지수(α)가 40 내지 67인
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터.
Zinc oxide (ZnO) (97.4-x) mol%, vanadium oxide (V 2 O 5 ) 0.5 mol%, manganese oxide (MnO 2 ) 2.0 mol% and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) 0.1 mol%,
x mol% of yttria (Y 2 O 3 ) is additionally added,
YV0 4 is a minor phase (Minor phase) formed by the addition of the yttria,
The x is 0.05 to 0.25,
The nonlinear index (α) is 40 to 67
Zinc oxide-vanadia varistor with yttria added.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바리스터의 계면상태밀도(interface state density, Nt)는 2.01×1012 내지 2.30×1012 cm-2이며,
전위장벽 높이(barrier height Φb)는 0.77 내지 1.24 eV인
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터.
According to claim 1,
The interface state density (N t ) of the varistor is 2.01×10 12 to 2.30×10 12 cm -2 ,
The potential barrier height (Φ b ) is 0.77 to 1.24 eV
Zinc oxide-vanadia varistor with yttria added.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 도너(donor) 농도가 4.53 × 1017 -3 내지 5.56 × 1017 -3
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a donor concentration of 4.53 × 10 17 cm -3 to 5.56 × 10 17 cm -3 .
Zinc oxide-vanadia varistor with yttria added.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용하는
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor acts as a donor based on a chemical-defect reaction.
Zinc oxide-vanadia varistor with yttria added.
제1항에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터를 다수 개 적층하여 모듈화하고 그 내부에 은(Ag) 내부전극이 동시소성으로 형성된
칩 바리스터.
According to paragraph 1 A number of zinc oxide-vanadia-based varistors with yttria added are stacked and modularized, and a silver (Ag) internal electrode is formed by co-firing.
Chip varistor.
제1항에 따른 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터를 포함하는
박막.
According to paragraph 1 Zinc oxide-vanadia varistor containing yttria
pellicle.
1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 이트리아(Y2O3)을 칭량하는 단계;
2) 상기 칭량된 조성물은 아세톤과 혼합하고 볼 밀링하여 혼합물을 만드는 단계;
3) 상기 혼합물을 건조하는 단계;
4) 상기 건조한 혼합물은 폴리비닐부티랄 바인더(polyvinyl butyral binder)로 과립화하여 과립 분말을 제조하는 단계; 및
5) 상기 과립 분말을 가압하여 디스크 형태로 소결하는 단계를 포함하는
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터의 제조방법에 있어서,
상기 1) 단계는 산화아연(ZnO) (97.4-x) mol%, 바나듐 산화물(V2O5) 0.5 mol%, 망간 산화물(MnO2) 2.0 mol% 및 니오븀 산화물(Nb2O5) 0.1 mol%을 포함하며,
x mol%의 이트리아(Y2O3)가 추가로 첨가되며,
상기 이트라이의 첨가로 인해 형성된 마이너 상(Minor phase)인 YV04를 포함하며,
상기 x는 0.05 내지 0.25이며,
상기 단계에 의해 제조된 이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터는 비선형 지수(α)가 40 내지 67인
이트리아가 첨가된 산화아연-바나디아계 바리스터의 제조방법.
1) Weighing zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and yttria (Y 2 O 3 );
2) the weighed composition is mixed with acetone and ball milled to make a mixture;
3) drying the mixture;
4) preparing the granulated powder by granulating the dried mixture with a polyvinyl butyral binder; And
5) pressing the granule powder to sinter into a disc shape
In the method of producing a zinc oxide-vanadia-based varistor to which yttria is added,
In step 1), zinc oxide (ZnO) (97.4-x) mol%, vanadium oxide (V 2 O 5 ) 0.5 mol%, manganese oxide (MnO 2 ) 2.0 mol% and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) 0.1 mol %,
x mol% of yttria (Y 2 O 3 ) is additionally added,
YV0 4 that is a minor phase (Minor phase) formed due to the addition of the yttri,
The x is 0.05 to 0.25,
The yttria-added zinc oxide-vanadia-based varistor prepared by the above step has a nonlinear index (α) of 40 to 67
Method for manufacturing zinc oxide-vanadia varistor to which yttria is added.
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