KR102310618B1 - ZVMNYb-based varistor and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비선형 특성이 아주 우수하고, 높은 계면상태밀도와 높은 전위장벽 높이 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한, 화학적 결함(chemical defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용할 수 있는 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기 ZVMNYb계 바리스터를 이용하 여 칩 바리스터를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a ZVMNYb-based varistor characterized by excellent nonlinear properties, high interfacial density of states, and high potential barrier height, and a method for manufacturing the same.
Further, it relates to a ZVMNYb-based varistor capable of acting as a donor based on a chemical defect reaction and a method for manufacturing the same.
The present invention can provide a chip varistor using the ZVMNYb-based varistor.

Description

ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법{ZVMNYb-based varistor and manufacturing method for the same}ZVMNYb-based varistor and manufacturing method thereof

본 발명은 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전자기기에 사용되는 전자회로 부품을 서지(surge) 및 이상전압으로부터 보호하는 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ZVMNYb-based varistor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a ZVMNYb-based varistor for protecting electronic circuit components used in electronic devices from surge and abnormal voltage, and a method for manufacturing the same.

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 refers to a device used to protect electronic circuits and components used in electronic devices such as mobile terminals from abnormal voltages such as surge and pulse noise. It is possible to effectively respond to noise regulations while ensuring the protection and operation stability of the device.

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, PCs, etc. 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, 60-80% of the surge is generated inside the facility, and it can be said that the surge in the semiconductor device causes serious 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.Such a varistor may mean a voltage-dependent resistor or a non-linear resistor. The resistance of the varistor changes according to the applied voltage, unlike the general resistance. Therefore, materials exhibiting the varistor effect must have microstructures such as pn junctions or active grain boundaries or active interfaces.

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 varistor containing zinc oxide can be manufactured by adding some additives to zinc oxide and firing at an appropriate temperature. The microstructure of the doped zinc oxide varistor is a polycrystalline structure composed of numerous semiconducting zinc oxide particles and grain boundaries. The grains are semiconductors with a bandgap of about 3.2 eV, and the grain boundaries are electron-active and have a very thin insulating layer. As a result, one semiconductor-insulating layer-semiconductor (SIS) structure constitutes microvaristors, and these microvaristors are randomly distributed throughout 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 on zinc oxide doped with certain additives can produce unique microstructure and nonlinear properties in the conduction properties. Due to their excellent nonlinearity, zinc oxide varistors can be effectively applied to various passive and active components, to bypass electrical and electronic equipment from dangerous transient voltages, and electrical installations from lightning.

오늘날 상용 다층 바리스터는 크게 비스무트 기반(bismuth-based), 프라세오디뮴 기반(praseodymium-based) 및 붕규산-납-아연 유리 기반(borosilicate-lead-zinc glass-based)의 세 가지로 분류된다. 이것은 1000 ℃ 이상의 온도에서 소결하여 얻어지며, 배리스터 내의 내부 전극은 고가의 팔라듐 (Pd) 또는 백금 (Pt)이다. Commercial multilayer varistors today are broadly classified into three categories: bismuth-based, praseodymium-based, and borosilicate-lead-zinc glass-based. It is obtained by sintering at a temperature of 1000 °C or higher, and the inner electrode in the varistor is expensive palladium (Pd) or platinum (Pt).

ZnO 바리스터에 V2O5를 첨가하면 세라믹 반도체가 저온에서 소결 될 수 있다. 즉, ZnO-V2O 계 세라믹 반도체는 900℃ 이하에서 소결 될 수 있다. 이는 ZnO-V2O5계 세라믹 반도체는 고가의 Pd 또는 Pt 대신은 Ag 전극과 함께 소성될 수 있어 장점이 있다.Ceramic semiconductors can be sintered at low temperatures by adding V 2 O 5 to ZnO varistors. That is, the ZnO-V 2 O-based ceramic semiconductor may be sintered at 900° C. or less. This is advantageous because the ZnO-V 2 O 5 based ceramic semiconductor can be fired with an Ag electrode instead of expensive Pd or Pt.

다만, 현재 ZnO-V2O5 기반 세라믹 반도체는 특성, 신뢰성 등으로 인해 현장에 적용되지 않는 문제가 있다.However, there is a problem that the current ZnO-V 2 O 5 based ceramic semiconductor is not applied to the field due to characteristics and reliability.

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

본 발명의 목적은 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a ZVMNYb-based varistor 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 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to exhibit a very high resistance value below the breakdown voltage voltage, but exhibit excellent nonlinear characteristics showing a low resistance value above the breakdown voltage, and exhibit high interfacial state density and potential barrier height, thus improving stability and reliability. To provide a ZVMNYb-based varistor and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용할 수 있는 ZVMNYb계 바리스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ZVMNYb-based varistor capable of acting as a donor based on a chemical-defect reaction and a manufacturing method thereof.

본 발명의 다른 목적은 상기 ZVMNYb계 바리스터를 이용하여 칩 바리스터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chip varistor using the ZVMNYb-based varistor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 ZVMNYb계 바리스터는 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2) 및 니오븀 산화물(Nb2O5)을 포함하며, 산화이터븀(Yb203)를 추가로 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, ZVMNYb-based varistor according to an embodiment of the present invention is zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) It includes, and may further include ytterbium oxide (Yb 2 0 3 ).

상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Yb2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05 내지 0.25일 수 있다.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% Yb 2 O 3 , wherein x is from 0.05 to 0.25.

상기 바리스터는 세라믹스 밀도(ρ)가 5.50 내지 5.54g/cm3이다.The varistor has a ceramic density (ρ) of 5.50 to 5.54 g/cm 3 .

상기 바리스터는 ZnO의 평균 입자 크기가 5.3 내지 5.6㎛이다.The varistor has an average particle size of ZnO of 5.3 to 5.6 μm.

상기 바리스터는 XRD 패턴의 회절 각도(θ)가 25.39 내지 33.93°이다.The varistor has a diffraction angle (θ) of an XRD pattern of 25.39 to 33.93°.

상기 바리스터는 비선형 지수(α)가 34.4 내지 70이다.The varistor has a nonlinearity index (α) of 34.4 to 70.

상기 바리스터는 누설 전류 밀도(JL)가 56.8 내지 262.2 μA/cm2이다.The varistor has a leakage current density (J L ) of 56.8 to 262.2 μA/cm 2 .

상기 바리스터는 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용하며, 도너(donor) 농도가 2.46 × 1017-3 내지 7.41 × 1017-3이다.The varistor acts as a donor based on a chemical-defect reaction, and the donor concentration is 2.46 × 10 17 cm -3 to 7.41 × 10 17 cm -3 .

상기 바리스터는 전위장벽 높이(barrier height Φb)가 0.76 내지 1.25 Ev이다.The varistor has a barrier height Φb of 0.76 to 1.25 Ev.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 바리스터는 상기 ZVMNYb계 바리스터를 다수 개 적층하여 모듈화하고 그 내부에 은(Ag) 내부전극이 동시소성으로 형성된 것이다. In the chip varistor according to another embodiment of the present invention, a plurality of ZVMNYb-based varistors are stacked to form a module, and silver (Ag) internal electrodes are formed therein by co-firing.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막은 상기 ZVMNYb계 바리스터를 포함할 수 있다. The thin film according to another embodiment of the present invention may include the ZVMNYb-based varistor.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 ZVMNYb계 바리스터의 제조방법은 1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 산화이터븀(Yhb203)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 압축하는 단계; 6) 상기 압축 단계 이후 소결하는 단계; 7) 상기 소결 단계 이후, 냉각하고, 성형하는 단계; 및 8) 상기 성형된 펠렛의 양면에 은 페이스트를 프린팅하고, 가열하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a ZVMNYb-based varistor according to another embodiment of the present invention is 1) zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and oxidation Weighing ytterbium (Yhb 2 0 3 ); 2) mixing the weighed composition with acetone and ball milling to make a mixture; 3) drying the mixture; 4) preparing granular powder by granulating the dry mixture with a polyvinyl butyral binder; 5) pressing the granular powder and compressing it into a disk shape; 6) sintering after the compression step; 7) after the sintering step, cooling and molding; and 8) printing the silver paste on both sides of the molded pellet, and heating it.

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 한 다. 즉 산화아연의 결정립(grain)은 매우 높은 전기전도도를 가지고 있는 반면 입 계면을 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 zinc oxide varistor sintered using a metal oxide as an additive includes polycrystalline zinc oxide particles and a grain boundary phase between these particles. Zinc oxide varistor exhibits excellent voltage-dependent characteristics, and this phenomenon is called the varistor effect. That is, the grains of zinc oxide have very high electrical conductivity, while other oxides forming the grain interface have very high resistance. The electrical characteristics of metal oxide varistors can be expressed as numerous microvaristors 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 equivalent to a series of microvaristors.

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 withstand capacity is increased. This is equivalent to having microvaristors connected in parallel with each other.

또, 바리스터의 부피를 두 배로 하면 에너지 내량이 거의 두 배로 올라간다. 에너지를 흡수하는 산화아연 입자의 수가 두 배로 증가하기 때문이다.Also, doubling the volume of the varistor almost doubles the energy capacity. This is because the number of zinc oxide particles that absorb energy doubles.

미세구조에서 나타나는 산화아연 입자크기의 분포는 산화아연 바리 스터의 항복전압 전압을 결정하는데 매우 중요하다. 즉, 바리스터의 전압은 입계의 직렬 수에 따라 변하며 서지 내량은 입계의 병렬 수에 따라 변화한다.The distribution of the zinc oxide particle size in the microstructure is very important in determining the breakdown voltage voltage of the zinc oxide varistor. That is, the voltage of the varistor changes according to the series number of grain boundaries, and the surge resistance varies according to 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 varistor grain growth is affected by the starting material and sintering conditions. In the zinc oxide varistor to which the oxide additive is added, the liquid phase sintering mechanism is dominant rather than the solid phase sintering, so the content and distribution of the additive affects the particle size and distribution of the sintered body.

본 발명은 산화아연 바리스터에 Yb2O3의 도핑에 따라 미세 구조, E-J 및 C-V에서의 유전 특성을 확인하였으며, 우수한 비-옴 특성을 나타내는 것을 특징으로 한다. The present invention confirmed the dielectric properties in the microstructure, EJ and CV according to the doping of Yb 2 O 3 in the zinc oxide varistor, and is characterized in that it exhibits excellent non-ohmic properties.

보다 구체적으로, 본 발명의 ZVMNYb계 바리스터는 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2) 및 니오븀 산화물(Nb2O5)을 포함하며, 산화이터븀(Yb203)를 추가로 포함할 수 있다. More specifically, the ZVMNYb-based varistor 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 ytterbium oxide (Yb). 2 0 3 ) may be further included.

상기 본 발명의 바리스터는 산화이터븀을 추가로 포함함에 따라, 미세 구조에 크게 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. As the varistor of the present invention additionally contains ytterbium oxide, it was confirmed that the microstructure was not significantly affected.

반면, 산화이터븀의 첨가에 따라, 바리스터의 전기 및 유전 특성에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. On the other hand, it was confirmed that the addition of ytterbium oxide significantly affected the electrical and dielectric properties of the varistor.

상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Yb2O3를 포함하며, 상기 x는 0.05 내지 0.25일 수 있다. 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% Yb 2 O 3 , wherein x is from 0.05 to 0.25.

상기와 같이 산화이터븀의 함량 범위를 조절함에 따라, 미세 구조에는 영향을 미치지 않지만, 바리스터의 특성, 특히 비저항 계수에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. As described above, it was confirmed that, by controlling the content range of ytterbium oxide, the microstructure was not affected, but the characteristics of the varistor, particularly the resistivity coefficient, were greatly affected.

보다 구체적으로, 상기 바리스터는 세라믹스 밀도(ρ)가 5.50 내지 5.54g/cm3이고, ZnO의 평균 입자 크기는 5.3 내지 5.6㎛이며, XRD 패턴의 회절 각도(θ)는 25.39 내지 33.93°이다.More specifically, the varistor has a ceramic density (ρ) of 5.50 to 5.54 g/cm 3 , an average particle size of ZnO is 5.3 to 5.6 μm, and a diffraction angle (θ) of the XRD pattern is 25.39 to 33.93°.

ZnO의 평균 입자 크기는 산화이터븀의 첨가에 따라 영향을 받아, 0.05 내지 0.1mol% 첨가시까지는 평균 입자 크기가 감소하였으나, 0.1mol% 내지 0.25mol%로 첨가량이 증가하였을 때는 평균 입자 크기가 증가하였다. The average particle size of ZnO was affected by the addition of ytterbium oxide, and the average particle size decreased until the addition of 0.05 to 0.1 mol%, but the average particle size increased when the addition amount was increased from 0.1 mol% to 0.25 mol%. did.

이는 산화이터븀의 첨가에 따라, YbVO4가 형성되어, ZnO의 입자 성장을 일부 제한하였으나, 첨가되는 함량의 증가에 따라 역으로, ZnO의 입자 성장을 증가시키는 효과를 나타냄에 따른 것이다. This is because, with the addition of ytterbium oxide, YbVO 4 was formed, partially limiting the grain growth of ZnO, but conversely, as the added content increased, the effect of increasing the grain growth of ZnO was exhibited.

또한, 세라믹스 밀도(ρ)는 산화이터븀의 첨가에 따라 증가하였는데, 이는 YbVO4의 형성에 따른 것이다.In addition, the ceramics density (ρ) increased with the addition of ytterbium oxide, which was due to the formation of YbVO 4 .

본 발명의 XRD 패턴의 회절 각도(θ)는 2차 상으로 YbVO4의 형성에 따른 것으로, 25.39 내지 33.93°이다.The diffraction angle (θ) of the XRD pattern of the present invention is due to the formation of YbVO 4 as a secondary phase, and ranges from 25.39 to 33.93°.

또한, 산화이터븀의 첨가량이 증가함에 따라, YbVO4의 피크가 증가하는 것으로 나타났다. In addition, as the amount of ytterbium oxide was increased, the peak of YbVO 4 was found to increase.

상기와 같이, 산화이터븀을 소량 첨가함에 따라, 평균 입자의 크기 및 스위칭 전압에 영향을 미치지 않고, 우수한 비선형성을 나타내어, 안정성 및 신뢰성이 향상된 바리스터를 제공할 수 있다.As described above, when a small amount of ytterbium oxide is added, it is possible to provide a varistor with improved stability and reliability by exhibiting excellent nonlinearity without affecting the average particle size and switching voltage.

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 at grain boundaries (addition defects such as interstitial zinc, interstitial oxygen, and zinc defects). Accordingly, it will be said that the nonlinear index a of the varistor is greatly affected by the Schottky barrier.

본 발명의 바리스터의 제조 시, 산화이터븀을 소량 첨가함에 따라, 마 이너 상(minor phase)으로 YbVO4를 형성하고, 이러한 마이너 상의 함량에 의해 비선 형 지수에 영향을 미친다. 즉, YbVO4가 없거나 초과된 YbVO4는 비선형 지수 a를 감소시킬 수 있다. In the preparation of the varistor of the present invention, as a small amount of ytterbium oxide is added, YbVO 4 is formed as a minor phase, and the content of this minor phase affects the nonlinearity index. That is, YbVO YbVO 4 4 is absent or is more than possible to reduce the non-linear index a.

이는 본 발명의 함량 범위 내에서만 산화이터븀을 첨가하는 경우, 적 합한 마이너 상인 YbVO4를 형성하게 되어, 최적의 비선형 지수 값을 나타낼 수 있게 된다고 할 것이다.This means that when ytterbium oxide is added only within the content range of the present invention, a suitable minor phase, YbVO 4 , is formed, and it will be possible to represent an optimal non-linear index value.

상기 바리스터는 비선형 지수(α)가 34.4 내지 70이다. The varistor has a nonlinearity index (α) of 34.4 to 70.

바람직하게, 본 발명의 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Yb2O3를 포함하며, 상기 x는 0.1일 수 있다. Preferably, the varistor of the invention 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% Yb 2 O 3 , The x may be 0.1.

상기와 같이, Yb2O3가 0.1 mol%일 때, 바리스터의 주요 파라미터로서 비-옴 계수(a)는 최대 값을 나타냈다.As described above, when Yb 2 O 3 was 0.1 mol%, the non-ohmic coefficient (a) as a main parameter of the varistor exhibited a maximum value.

비선형 지수가 크다 함은, 항복전압 전압 이하에서는 저항 값이 매 우 높지만, 그 이상에서는 낮은 저항값을 보임을 의미하고, 이를 통해, 외부의 급 격한 전압 상승을 자체적으로 흡수, 소멸할 수 있음을 의미한다. 서지(Surge) 전압을 흡수하여, 전자회로 부품을 서지 및 이상전압으로부터 보호할 수 있다.A large non-linearity index means that the resistance value is very high below the breakdown voltage voltage, but it shows a low resistance value above the breakdown voltage voltage. it means. By absorbing surge voltage, it is possible to protect electronic circuit components from surge and abnormal voltage.

상기 본 발명의 바리스터는 전위장벽 높이(barrier height, Φb)가 0.76 내지 1.25 Ev일 수 있다. The varistor of the present invention may have a potential barrier height (Φ b ) of 0.76 to 1.25 Ev.

상기 Yb2O3를 0.1mol%로 포함할 때, 전위장벽 높이(Φb) 및 표면 상태 밀도(Ns)도 최대 값을 나타냈다.When the Yb 2 O 3 was included in 0.1 mol%, the potential barrier height (Φ b ) and the surface state density (N s ) also exhibited maximum values.

a, Φb 및 Ns는 동일한 변동 경향을 나타냈다. 결과적으로, E-J 및 C-V의 특성은 전기적으로 밀접하게 관련된다. a, Φ b and N s showed the same trend of fluctuations. Consequently, the properties of EJ and CV are electrically closely related.

즉, 산화이터븀의 도핑 정도에 따른 계면상태밀도 및 전위장벽 높이의 변화 경향은 일치한다. 상기 계면상태밀도 및 전위장벽 높이 값이 커질수록 비선형 특성이 우수함을 의미한다고 할 것이다.That is, the changes in the interface state density and dislocation barrier height according to the doping degree of ytterbium oxide coincide. It will be said that the higher the interface state density and the higher the dislocation barrier height, the better the nonlinear characteristic.

Yb2O3의 도핑 함량에 따라 전자 밀도(Nd)가 증가한다. 즉, 상기 바리스터는 산화이터븀이 포함됨에 따라, 화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용하며, 도너(donor) 농도가 2.46 × 1017-3 내지 7.41 × 1017-3이며, 누설 전류 밀도(JL)가 56.8 내지 262.2 μA/cm2이다.The electron density (N d ) increases with the doping content of Yb 2 O 3 . That is, as the varistor contains ytterbium oxide, it acts as a donor based on a chemical-defect reaction, and the donor concentration is 2.46 × 10 17 cm -3 to 7.41 × 10 17 cm -3 , and a leakage current density (J L ) of 56.8 to 262.2 μA/cm 2 .

Yb2O3의 함량으로 인한 도너의 밀도 증가는 하기의 화학적 결함 반응 표현에 기초하여 Yb와 Zn 사이의 부분 치환에 따른 전자의 생성에 기인하는 것이다:The increase in donor density due to the content of Yb 2 O 3 is due to the generation of electrons due to partial substitution between Yb and Zn based on the following chemical defect reaction expression:

Figure 112020015900977-pat00001
Figure 112020015900977-pat00001

이는 Yb가 첨가되어, 도너로 역할을 나타냄을 의미하며, Yb2O3의 도핑 함량에 의한 누설 전류의 증가는 전자 밀도의 증가에 기인한다고 가정한다.This means that Yb is added and acts as a donor, and it is assumed that the increase in leakage current due to the doping content of Yb 2 O 3 is due to the increase in electron density.

결과적으로, 누설 전류의 증가는 유전 계수(dissipation factor, tana)의 증가를 초래한다.Consequently, an increase in the leakage current results in an increase in the dissipation factor (tana).

상기 유전 계수의 변화 경향은 평균 ZnO 입자 크기와 상관 관계가 있고 할 것이다. The tendency of the dielectric constant to change will correlate with the average ZnO grain size.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 ZVMNYb계 바리스터의 제조방법은 1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 산화이터븀(Yhb203)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 압축하는 단계; 6) 상기 압축 단계 이후 소결하는 단계; 7) 상기 소결 단계 이후, 냉각하고, 성형하는 단계; 및 8) 상기 성형된 펠렛의 양면에 은 페이스트를 프린팅하고, 가열하는 단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a ZVMNYb-based varistor according to another embodiment of the present invention is 1) zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and oxidation Weighing ytterbium (Yhb 2 0 3 ); 2) mixing the weighed composition with acetone and ball milling to make a mixture; 3) drying the mixture; 4) preparing granular powder by granulating the dry mixture with a polyvinyl butyral binder; 5) pressing the granular powder and compressing it into a disk shape; 6) sintering after the compression step; 7) after the sintering step, cooling and molding; and 8) printing the silver paste on both sides of the molded pellet, and heating it.

보다 구체적으로, 1) 단계는 본 발명의 ZVMNYb계 바리스터를 제조하기 위한 성분을 칭량하여, 본 발명의 범위 내의 조성으로 제조하기 위한 것이다.More specifically, step 1) is to weigh the ingredients for preparing the ZVMNYb-based varistor of the present invention, and to prepare a composition within the scope of the present invention.

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

혼합물을 제조한 이후, 120

Figure 112020015900977-pat00002
에서 건조하였다. 건조한 혼합물은 폴리비닐부티랄 바인더로 과립화하여 과립 분말을 제조하였다.After preparing the mixture, 120
Figure 112020015900977-pat00002
dried in The dry mixture was granulated with a polyvinyl butyral binder to prepare a granular powder.

상기 과립 분말은 가압하여 디스크 형태로 압축하고, 소결하였다.The granular powder was compressed into a disk shape by pressing and sintered.

이후, 상기 소결체의 양면에 은 전극을 도포하고 리드선을 납땜한 후 패키지 처리하여 ZVMNYb계 바리스터를 제조한다.Thereafter, silver electrodes are coated on both sides of the sintered body, lead wires are soldered, and then packaged to manufacture a ZVMNYb-based varistor.

본 발명의 ZVMNYb계 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 ZVMNYb-based varistor of the present invention and its manufacturing method, it exhibits a very high resistance value below the breakdown voltage voltage, but has excellent nonlinear characteristics showing a low resistance value above the breakdown voltage, and has a high interfacial state density and potential barrier height. This results in improved stability and reliability.

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

본 발명은 상기 ZVMNYb계 바리스터를 이용하여 칩 바리스터를 제공할 수 있다.The present invention may provide a chip varistor using the ZVMNYb-based varistor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 평균 입자 크기 및 소결 밀도에 관한 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Yb2O3의 함량에 따른 XRD 패턴 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 E-J 특성 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 비선형 계수 및 누설 전류 밀도 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 C-V 특성 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 유전체 특성 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바리스터의 유전 상수 및 손실 계수 결과이다.
1 is an SEM photograph of a varistor according to an embodiment of the present invention.
2 is a measurement result regarding the average particle size and sintering density of the varistor according to an embodiment of the present invention.
3 is an XRD pattern measurement result according to the content of Yb2O3 according to an embodiment of the present invention.
4 is a measurement result of EJ characteristics of a varistor according to an embodiment of the present invention.
5 is a measurement result of a nonlinear coefficient and a leakage current density of a varistor according to an embodiment of the present invention.
6 is a CV characteristic measurement result of a varistor according to an embodiment of the present invention.
7 is a dielectric characteristic result of a varistor according to an embodiment of the present invention.
8 is a result of dielectric constant and loss coefficient of a varistor according to an embodiment of the present invention.

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 of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

ZVMNYb계 바리스터의 제조Manufacture of ZVMNYb-based varistor

산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 산화이터븀(Yb2O3)을 칭량하였다.Zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ) were weighed.

칭량된 원료 분말을 아세톤과 함께 24 시간 동안 볼 밀링하여 혼합 물을 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 dry mixture was granulated with a polyvinyl butyral (PVB) binder to prepare a granular powder.

상기 과립 분말에 100 MPa의 압력을 가하여 직경 10 mm, 두께 1.5 mm의 디스크 형태로 압축하였다.A pressure of 100 MPa was applied to the granular powder and compressed into a disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 1.5 mm.

디스크 형태로 압축한 이후, 마그네시아 판(magnesia plate)에서 900

Figure 112020015900977-pat00003
로 3 시간 동안 소결하였다. 이후, 4 ℃/분의 속도로 온도를 낮춰주며 냉각하였다.After compression to disk form, 900 in a magnesia plate
Figure 112020015900977-pat00003
was sintered for 3 hours. Thereafter, the temperature was lowered at a rate of 4 °C/min and cooled.

디스크 펠릿을 900 ℃에서 3 시간 동안 소결 한 후, 4 ℃ / 분으로 냉각시켰다.The disk pellets were sintered at 900 °C for 3 h, then cooled at 4 °C/min.

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.It was lapped and polished so that the final disk shape was 8 mm in diameter and 1.0 mm in thickness. An adhesive was applied to one surface of the conductive silver, and after bonding to the surface of the disk, it was heated at 550° C. for 10 minutes.

상기 원료 분말은 (97.4-x)mol% ZnO, 0.5mol% V2O5, 2.0mol% MnO2, 0.1mol% Nb2O5, x% Yb2O3이며, 상기 x는 0.0, 0.05, 0.1 및 0.25 mol이다.The raw material 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 , x% Yb 2 O 3 , where x is 0.0, 0.05, 0.1 and 0.25 mol.

분석 방법Analysis method

(1) 미세구조 분석(1) Microstructure analysis

미세구조 분석을 위해 샘플을 SiC 페이퍼 및 Al2O3 분말을 사용하여 랩핑하고 연마한 다음 HClO4-H2O 용액을 사용하여 화학적으로 에칭하였다.For microstructure analysis, samples were wrapped and polished using SiC paper and Al 2 O 3 powder and then chemically etched using HClO 4 -H 2 O solution.

표면은 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM Model Quanta 200, Czech)을 사용하여 분석하였다. 평균 입자 크기(d)는 선형 인터셉트 방법에 의해 분석하였다.The surface was analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM Model Quanta 200, Czech). The average particle size (d) was analyzed by the linear intercept method.

생성된 세라믹 상은 CuKa 방사선을 사용하여 X-선 회절(XRD Model X'pert-PRO MPD)에 의해 분석하였다.The resulting ceramic phase was analyzed by X-ray diffraction (XRD Model X'pert-PRO MPD) using CuKa radiation.

세라믹 밀도 (α)는 밀도 측정 키트(238490)를 사용하여 측정하였다.The ceramic density (α) was measured using a density measurement kit (238490).

(2) 전기 및 유전 특성 측정(2) Measurement of electrical and dielectric properties

바리스터의 V-I 측정은 고전압 소스 측정 유닛(Model Keithley 237, 미국)을 사용하였다.The V-I measurement of the varistor was performed using a high-voltage source measurement unit (Model Keithley 237, USA).

스위칭 전압(V1 mA)은 전류 밀도 1.0 mA/cm2에서 측정하였고, 누설 전류 밀도 (JL)는 0.80 V1 mA에서 측정하였다.The switching voltage (V 1 mA ) was measured at a current density of 1.0 mA/cm 2 , and the leakage current density (J L ) was measured at 0.80 V 1 mA.

또한, 비저항 계수(a)는 하기 식에 의해 계산하였다:In addition, the resistivity coefficient (a) was calculated by the following formula:

a = 1/(logV2-logV1) a = 1/(logV 2 -logV 1 )

여기서 V1은 1.0mA/cm2 및 V2는 10mA/cm2에 해당하는 스위칭 전압이다.Here, V1 is a switching voltage corresponding to 1.0mA/cm 2 and V2 is 10mA/cm 2 .

바리스터의 C-V 측정은 LCR 미터(Model QuadTech 7600, USA) 및 전위계 (Model Keithley 617, USA)를 사용하여 측정하였다. 도너 밀도(Nd), 전위 장벽 높이 (Φb), 계면 상태 밀도(Ns)는 M. Mukae et al.에 제시된 방법을 이용하여 결정하였다.CV measurement of the varistor was measured using an LCR meter (Model QuadTech 7600, USA) and an electrometer (Model Keithley 617, USA). Donor density (N d ), dislocation barrier height (Φ b ), and interfacial state density (N s ) were determined using the method presented in M. Mukae et al.

f-CAPP' 관계 및 유전 계수(tanδ)는 LCR 미터(Model QuadTech 7600, USA)로 측정하였다.The f-CAPP' relationship and dielectric coefficient (tanδ) were measured with an LCR meter (Model QuadTech 7600, USA).

분석 결과Analysis

(1) 바리스터 미세 구조 분석 결과(1) Varistor microstructure analysis result

Yb2O3의 첨가된 함량에 따른 바리스터의 SEM 사진은 도 1과 같다. 도 1에ㅐ 따르면, Yb2O3의 함량에 관계없이 일반적인 바리스터의 미세 구조를 나타낸다.The SEM image of the varistor according to the added content of Yb 2 O 3 is shown in FIG. 1 . According to FIG. 1 ㅐ, the microstructure of a typical varistor is shown regardless of the content of Yb 2 O 3 .

Yb2O3의 함량에 따른 평균 ZnO 입자 크기 및 세라믹스 밀도(ρ)의 변화 경향은 도 2와 같다.The changes in the average ZnO particle size and ceramics density (ρ) according to the content of Yb 2 O 3 are shown in FIG. 2 .

Yb2O3의 함량이 0 내지 0.1 mol%로 첨가될 때, 평균 ZnO 입자 크기는 5.5에서 5.3μm로 감소하였으나, 이후, 추가로 Yb2O3를 0.25 mol%까지 첨가 시, 5.6μm까지 증가하였다.When the content of Yb 2 O 3 was added to 0 to 0.1 mol%, the average ZnO particle size decreased from 5.5 to 5.3 μm, but then, when Yb 2 O 3 was further added to 0.25 mol%, it increased to 5.6 μm. did.

도 3에 따르면, YbVO4 상은 일반적으로 다른 입자 성장을 제한하지만, YbVO4 상이 너무 많이 형성되면, 다른 입자의 성장을 촉진할 수 있다.According to FIG. 3 , the YbVO 4 phase generally limits the growth of other grains, but if the YbVO 4 phase is formed too much, it may promote the growth of other grains.

한편, 세라믹스 밀도(ρ)는 5.50 내지 5.54g/cm3으로 증가하였다.On the other hand, the ceramics density (ρ) was increased to 5.50 to 5.54 g/cm 3 .

Yb2O3의 첨가에 따라, 세라믹스 밀도가 증가되는 것은, Yb2O3의 첨가로, YbVO4의 함량이 증가하기 때문이다.In accordance with the addition of Yb 2 O 3, it is that the ceramic density is increased, because the addition of Yb 2 O 3, to increase the content of YbVO 4.

(2) XRD 패턴 분석, 전기 및 유전 특성 측정 결과(2) XRD pattern analysis, electrical and dielectric properties measurement results

Yb2O3의 함량에 대한 바리스터의 XRD 프로파일은 도 3과 같다. The XRD profile of the varistor with respect to the content of Yb 2 O 3 is shown in FIG. 3 .

XRD 패턴은 ZnO 입자가 메이저 상으로 나타나고, Zn3(VO4)2, ZnV2O4 및 VO2와 같은 마이너 상이 존재하는 것으로 나타난다. The XRD pattern shows that ZnO particles appear as a major phase, and minor phases such as Zn 3 (VO 4 ) 2 , ZnV 2 O 4 and VO 2 exist.

또한, Yb2O3를 포함하는 바리스터의 회절 각도 θ = 25.39 및 33.93에서 회절 피크를 보여줌으로써 2차 상으로서의 YbVO4가 존재함을 나타냈다. Yb2O3의 첨가 함량이 증가함에 따라 YbVO4의 피크는 점차 증가하였다. In addition, the presence of YbVO 4 as a secondary phase was indicated by showing diffraction peaks at diffraction angles θ = 25.39 and 33.93 of the varistor containing Yb 2 O 3 . As the content of Yb 2 O 3 increased, the peak of YbVO 4 gradually increased.

YbVO4상은 표 1에 나타낸 바와 같이 V-1 특성에 상당히 영향을 미칠 수 있다. 추정된 미세 구조 특성 파라미터는 표 1과 같다. YbVO 4 phase can significantly affect V-1 properties as shown in Table 1. The estimated microstructure characteristic parameters are shown in Table 1.

Yb2O3 함량
(mol%)
Yb 2 O 3 content
(mol%)
d
(μm)
d
(μm)
ρ
(g/cm3)
ρ
(g/cm 3 )
V1 mA
(V/cm)
V 1 mA
(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 51.051.0 56.856.8 0.050.05 5.45.4 5.515.51 51455145 2.82.8 61.361.3 60.660.6 0.10.1 5.35.3 5.525.52 54945494 2.92.9 70.070.0 84.184.1 0.250.25 5.65.6 5.545.54 45744574 2.62.6 34.434.4 262.2262.2

Yb2O3의 첨가 함량에 따른 바리스터의 V-I 특성(E-J)은 도 4와 같다. The VI characteristic (EJ) of the varistor according to the added content of Yb 2 O 3 is shown in FIG. 4 .

바리스터는 비저항 또는 저항을 통해 전류를 차단하거나 통과시키는 기능이 있다. 전류 차단은 사전 브레이크 다운 영역에서 수행되고 전류 통과는 브레이크 다운 영역에서 수행된다. Varistor has the function of blocking or passing current through resistivity or resistance. Current blocking is performed in the pre-breakdown region and current passing is performed in the breakdown region.

도 4의 곡선 모양을 통해 알 수 있듯이 Yb2O3의 도핑은 바리스터의 비-옴 특성에 크게 영향을 준다. As can be seen from the curve shape of FIG. 4 , the doping of Yb 2 O 3 greatly affects the non-ohmic characteristics of the varistor.

Yb2O3의 도핑 함량이 0.1 mol% 미만일 때 스위칭 전압(V1 mA)이 4874에서 5494 V/cm로 증가한 반면, 0.25 mol%을 첨가하는 경우, V1 mA 값이 최대 4574 V/cm까지 감소하였다. When the doping content of Yb 2 O 3 is less than 0.1 mol%, the switching voltage (V 1 mA ) increases from 4874 to 5494 V/cm, whereas when 0.25 mol% is added, the V 1 mA value increases up to 4574 V/cm decreased.

V1 mA- 값의 변동 추세는 단일 입자 바운더리의 첫 번째 입자 크기 및 두 번째 스위칭 전압(vgb)에 따라 다르다. The fluctuation trend of the V 1 mA- value depends on the first particle size of the single particle boundary and the second switching voltage (vgb).

결과적으로 V1 mA 값은 미세 구조에 영향을 더 받는다고 할 것이다. Consequently, it can be said that the V 1 mA value is more affected by the microstructure.

Yb2O3의 함량에 따른 비저항 계수의 변동 경향과 바리스터의 누설 전류 밀도는 도 5와 같다. The variation trend of the resistivity coefficient according to the content of Yb 2 O 3 and the leakage current density of the varistor are shown in FIG. 5 .

Yb2O3의 도핑 함량이 0.1mol %에 도달할 때까지 a- 값이 51에서 70으로 현저히 증가한 반면, 0.25mol% 첨가 시, 34.4까지 a- 값이 감소하였다. 상기 결과는 Yb2O3의 도핑이 비-옴 특성에 명백한 영향을 미친다는 것을 의미한다. The a-value significantly increased from 51 to 70 until the doping content of Yb 2 O 3 reached 0.1 mol %, while the a-value decreased to 34.4 when 0.25 mol % was added. The above result means that the doping of Yb 2 O 3 clearly affects the non-ohmic properties.

0.1 mol%로 Yb2O3가 첨가된 바리스터는 기존 ZnO-V2O5 기반 바리스터와 비교하여 가장 높은 a값(70)을 나타냈다. The varistor to which Yb 2 O 3 was added at 0.1 mol% showed the highest a value (70) compared to the conventional ZnO-V 2 O 5 based varistor.

결과적으로, ZnO-V2O5 기반 바리스터에 비해, ZVMN-Yb2O3 바리스터에서 우수한 비 저항성을 얻을 수 있다고 할 것이다. As a result, it can be said that superior resistivity can be obtained from ZVMN-Yb 2 O 3 varistors compared to ZnO-V 2 O 5 based varistors.

Yb2O3가 0.25 mol%로 첨가된 바리스터가 Yb2O3-free 보다 낮은 exhibit 값을 나타내는 이유는 XRD 분석에서 언급된 바와 같이 과잉 YbVO4상의 생성에 따른 결과이다. Yb 2 O 3 0.25 The reason that the varistor is added to represent the mol% exhibit lower than Yb 2 O 3 -free is the result of the formation of the over-YbVO 4 As mentioned in the XRD analysis.

상기와 같이 초과로 생성된 YbVO4상은 결정립계에서 잠재적인 장벽 높이에 상당한 영향을 미친다. The YbVO 4 phase produced in excess as above has a significant impact on the potential barrier height at grain boundaries.

결과적으로 잠재적인 장벽 높이가 감소하고 α- 값이 감소하게 된다. As a result, the potential barrier height decreases and the α-value decreases.

한편, Yb2O3의 첨가 함량이 증가함에 따라 누설 전류 밀도(JL)는 56.8에서 262.2μA/cm2로 증가하였다. On the other hand, as the added content of Yb 2 O 3 increased, the leakage current density (J L ) increased from 56.8 to 262.2 μA/cm 2 .

전체적으로, 비저항 계수는 높지만 샘플의 누설 전류는 높게 측정되었다. 누설 전류는 프리 브레이크 영역(옴성), 브레이크 다운 영역(비 옴성) 및 상승 영역(옴성)의 세 영역 중 프리 브레이크 다운 영역과 관련이 있다. Overall, the resistivity coefficient was high, but the leakage current of the sample was measured to be high. The leakage current is related to the pre-breakdown region of three regions: a pre-breaking region (ohmic), a breakdown region (non-ohmic), and a rising region (ohmic).

프리 브레이크 다운 영역에서 높은 누설 전류는 결정립계에서 정공과 전자 사이의 재결합에 의한 것이다. 또한, JL- 값은 전자 밀도와 무관하며, 추정된 E-J 특성 파라미터는 상기 표 1과 같다.The high leakage current in the pre-breakdown region is due to recombination between holes and electrons at grain boundaries. In addition, the J L- value is independent of the electron density, and the estimated EJ characteristic parameters are shown in Table 1 above.

Yb2O3의 다양한 도핑 함량에 대한 샘플의 CV 특성은 도 6과 같다. 입계 밀도(Nd), 전위 장벽 높이(Φb) 및 결정립계 경계면에서의 계면 상태 밀도와 같은 CV 특성 매개 변수(Ns)는 표 2와 같다. The CV characteristics of the samples for various doping contents of Yb 2 O 3 are shown in FIG. 6 . Table 2 shows the CV characteristic parameters (N s ) such as grain boundary density (N d ), dislocation barrier height (Φ b ), and density of interfacial states at grain boundary interfaces.

Yb2O3 함량
(mol%)
Yb 2 O 3 content
(mol%)
Nd
(1017cm-3)
N d
(10 17 cm -3 )
Φb
(eV)
Φ b
(eV)
Ns
(1012 cm-2)
N s
(10 12 cm -2 )
eAPP'
(1 kHz)
e APP'
(1 kHz)
tanδ
(1 kHz)
tanδ
(1 kHz)
0.00.0 2.462.46 1.011.01 1.531.53 592.7592.7 0.2090.209 0.050.05 4.094.09 1.091.09 2.052.05 536.0536.0 0.2100.210 0.10.1 5.755.75 1.251.25 2.602.60 501.4501.4 0.2210.221 0.250.25 7.417.41 0.760.76 2.302.30 715.9715.9 0.2680.268

Nd- 값은 Yb2O3의 함량이 증가함에 따라 2.46 × 1017 내지 7.41 × 1017cm-3로 증가하였다.The N d- value increased from 2.46 × 10 17 to 7.41 × 10 17 cm -3 as the content of Yb 2 O 3 increased.

입계에서 형성된 전위 장벽 높이(Φb)는 Yb2O3의 함량이 0.1 mol%에 도달할 때까지 1.01 내지 1.25 eV로 증가한 반면, 0.25 mol% 첨가되는 경우, 0.76 eV까지 Φb 값을 다소 감소하였다. The potential barrier height (Φ b ) formed at the grain boundary increased from 1.01 to 1.25 eV until the content of Yb 2 O 3 reached 0.1 mol %, whereas when 0.25 mol % was added, the Φ b value slightly decreased to 0.76 eV did.

Yb2O3의 함량에 따른 Ns- 값의 변동 경향은 Φb- 값의 변동 경향과 유사하다. a, Φb 및 Ns는 동일한 변동 경향을 나타냈다. 결과적으로, E-J 및 C-V 특성은 전기적으로 상관된다.The fluctuation trend of the N s- value according to the content of Yb 2 O 3 is similar to that of the Φ b-value. a, Φ b and N s showed the same trend of fluctuations. Consequently, the EJ and CV characteristics are electrically correlated.

Yb2O3의 함량에 따른 바리스터의 유전 특성은 도 7과 같다. The dielectric properties of the varistor according to the content of Yb 2 O 3 are shown in FIG. 7 .

전체적으로 유전 상수 εAPP'는 주파수가 증가함에 따라 단조롭게 감소하지는 않았지만 감소하였다. 상기 결과는, 전기 쌍극자의 회전과 직접 관련이 있는데, 이로 인해 계면 분극과 주파수에 따른 동양 분극이 유발된다. Overall, the dielectric constant εAPP' did not decrease monotonically with increasing frequency, but decreased. The above result is directly related to the rotation of the electric dipole, which induces the interfacial polarization and the frequency-dependent oriental polarization.

Yb2O3의 함량에 따른 유전 상수 εAPP'(1 kHz)의 변동 경향은 도 8과 같다.A variation trend of the dielectric constant εAPP' (1 kHz) according to the content of Yb 2 O 3 is shown in FIG. 8 .

Yb2O3의 함량이 0.1mol%에 도달할 때까지 유전 상수 εAPP'(1 kHz)는 592.7에서 501.4로 감소하였다. 반면, 0.25 mol% 첨가 시, εAPP'를 715.9까지 감소하였다. Yb2O3의 함량에 따라, 유전 상수 εAPP'의 거동은 미세 구조에서 평균 ZnO 입자 크기의 거동에 영향을 받지만, E-J 특성에서 스위칭 전압과 반대 경향을 보였다. 결과적으로, 유전 특성은 미세 구조에 의해 영향을 받는다고 할 것이다.The dielectric constant εAPP' (1 kHz) decreased from 592.7 to 501.4 until the content of Yb 2 O 3 reached 0.1 mol%. On the other hand, when 0.25 mol% was added, εAPP' was reduced to 715.9. According to the content of Yb 2 O 3 , the behavior of the dielectric constant εAPP' is affected by the behavior of the average ZnO grain size in the microstructure, but the EJ characteristic showed a trend opposite to the switching voltage. Consequently, it will be said that the dielectric properties are influenced by the microstructure.

한편, 손실 계수(tanδ)는 주파수가 증가하는 모든 바리스터에서 유사하고 고유한 곡선을 나타냈다. 즉, 모든 바리스터는 주파수가 증가함에 따라 밸리 *?*포인트 및 피크 포인트를 나타냈다. On the other hand, the loss factor (tanδ) showed similar and unique curves for all varistors with increasing frequency. That is, all varistors exhibited valley *?* points and peak points as the frequency increased.

일반적으로 바리스터에서 상기 현상을 쉽게 확인할 수 있다. In general, the above phenomenon can be easily confirmed in the varistor.

밸리 포인트는 최소 유전 손실을 보여주고 εAPP'- 값은 일정하다. 반면, 피크-포인트, 즉 흡수 피크는 손실 피크를 나타내고, εAPP'- 값은 급격한 감소를 나타낸다. The valley point shows the minimum dielectric loss and the εAPP'- value is constant. On the other hand, the peak-point, that is, the absorption peak, shows a loss peak, and the εAPP'- value shows a sharp decrease.

Yb2O3의 함량에 따른 손실 계수(tanδ, 1kHz)의 거동은 도 8과 같다. The behavior of the loss coefficient (tanδ, 1 kHz) according to the content of Yb 2 O 3 is shown in FIG. 8 .

tanδ 값은 Yb2O3의 함량에 따라 0.209에서 0.268로 증가하였다. Yb2O3의 함량에 따른 tanδ- 값의 변동 경향은 JL- 값 및 Nd- 값의 변동 경향과 유사하다. The tanδ value increased from 0.209 to 0.268 according to the content of Yb 2 O 3 . The fluctuation trend of the tanδ- value according to the content of Yb 2 O 3 is similar to that of the J L- value and the N d- value.

tanδ, JL 및 Nd의 변동 경향에 비추어 볼 때, JL- 값은 Nd- 값에 의해 영향을 받고 tanδ는 JL- 값에 의해 영향을 받다. In view of the fluctuation trends of tanδ, J L and Nd, J L- value is affected by N d- value and tanδ is affected by J L-value.

본 발명에 따른 ZVMN-Yb2O3 바리스터는 관련 데이터를 기반으로 특성이 전기적 및 유전적으로 관련되어 있다고 할 것이다.It will be said that the ZVMN-Yb 2 O 3 varistor according to the present invention has electrically and genetically related properties based on the relevant data.

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 embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the

Claims (12)

산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2) 및 니오븀 산화물(Nb2O5)을 포함하며,
산화이터븀(Yb203)를 추가로 포함하는 바리스터이며,
상기 바리스터는 ZnO의 평균 입자 크기가 5.3 내지 5.6㎛이며,
화학적 결함(chemical-defect) 반응에 기초하여 도너(donor)로 작용하며, 도너(donor) 농도가 2.46 Х 1017-3 내지 7.41 Х 1017-3
ZVMNYb계 바리스터.
including zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ),
It is a varistor further comprising ytterbium oxide (Yb 2 0 3 ),
In the varistor, the average particle size of ZnO is 5.3 to 5.6 μm,
Acts as a donor based on a chemical-defect reaction, with a donor concentration of 2.46 Х 10 17 cm -3 to 7.41 Х 10 17 cm -3
ZVMNYb Varistor.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 (97.4-x) mol% ZnO, 0.5 mol% V2O5, 2.0 mol% MnO2, 0.1 mol% Nb2O5 및 x mol% Yb2O3를 포함하며,
상기 x는 0.05 내지 0.25인
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
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% Yb 2 O 3 ,
wherein x is 0.05 to 0.25
ZVMNYb Varistor.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 세라믹스 밀도(ρ)가 5.50 내지 5.54g/cm3
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a ceramics density (ρ) of 5.50 to 5.54 g/cm 3
ZVMNYb Varistor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바리스터는 XRD 패턴의 회절 각도(θ)가 25.39 내지 33.93°인
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a diffraction angle (θ) of 25.39 to 33.93° of the XRD pattern.
ZVMNYb Varistor.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 비선형 지수(α)가 34.4 내지 70인
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a nonlinear index (α) of 34.4 to 70
ZVMNYb Varistor.
제1항에 있어서,
상기 바리스터는 누설 전류 밀도(JL)가 56.8 내지 262.2 μA/cm2
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a leakage current density (J L ) of 56.8 to 262.2 μA/cm 2
ZVMNYb Varistor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바리스터는 전위장벽 높이(barrier height, Φb)가 0.76 내지 1.25 Ev인
ZVMNYb계 바리스터.
According to claim 1,
The varistor has a potential barrier height (Φ b ) of 0.76 to 1.25 Ev
ZVMNYb Varistor.
삭제delete 제1항에 따른 ZVMNYb계 바리스터를 포함하는
박막.
A ZVMNYb-based varistor according to claim 1
pellicle.
1) 산화아연(ZnO), 바나듐 산화물(V2O5), 망간 산화물(MnO2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 산화이터븀(Yb203)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 압축하는 단계;
6) 상기 압축 단계 이후 소결하는 단계;
7) 상기 소결 단계 이후, 냉각하고, 성형하는 단계; 및
8) 상기 성형된 펠렛의 양면에 은 페이스트를 프린팅하고, 가열하는 단계를 포함하는
ZVMNYb계 바리스터의 제조방법.
1) Weighing zinc oxide (ZnO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), manganese oxide (MnO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and ytterbium oxide (Yb 2 0 3 );
2) mixing the weighed composition with acetone and ball milling to make a mixture;
3) drying the mixture;
4) preparing granular powder by granulating the dry mixture with a polyvinyl butyral binder;
5) pressing the granular powder and compressing it into a disk shape;
6) sintering after the compression step;
7) after the sintering step, cooling and molding; and
8) printing a silver paste on both sides of the molded pellet, and heating
A method for manufacturing a ZVMNYb-based varistor.
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