KR102516762B1 - 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하인 유전체 조성물을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 유전체 조성물을 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.

Description

유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품{DIELECTRIC COMPOSITION AND MULTILAYERED ELECTRONIC COMPONENT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품에 관한 것이다.
적층형 전자 부품의 하나인 적층 세라믹 커패시터(MLCC: Multi-Layered Ceramic Capacitor)는 액정 표시 장치(LCD: Liquid Crystal Display) 및 플라즈마 표시 장치 패널(PDP: Plasma Display Panel) 등의 영상 기기, 컴퓨터, 스마트폰 및 휴대폰 등 여러 전자 제품의 인쇄회로기판에 장착되어 전기를 충전시키거나 또는 방전시키는 역할을 하는 칩 형태의 콘덴서이다.
이러한 적층 세라믹 커패시터는 소형이면서 고용량이 보장되고 실장이 용이하다는 장점을 인하여 다양한 전자 장치의 부품으로 사용될 수 있다. 컴퓨터, 모바일 기기 등 각종 전자 기기가 소형화, 고출력화되면서 적층 세라믹 커패시터에 대한 소형화 및 고용량화의 요구가 증대되고 있다.
적층 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화를 달성하기 위해서는 유전체층 및 내부 전극의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 한다. 현재 유전체층 두께가 약 0.6μm 수준까지 도달한 상태이며, 계속해서 박층화가 진행되고 있다.
그러나, 유전체층의 두께가 얇아질수록 신뢰성이 저하되고, 절연 저항, 파괴 전압 등의 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 적층 세라믹 커패시터의 구조적인 측면뿐만 아니라 특히 유전체의 조성적인 측면에서 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 방법이 필요한 실정이다.
현재 수준에서 신뢰성 수준을 한 단계 높일 수 있는 유전체 조성을 확보한다면 더욱 박층화된 적층 세라믹 커패시터를 제작할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적은 신뢰성이 우수한 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 절연 저항이 우수한 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파괴 전압이 높은 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 달성하기 위함이다.
본 발명의 일 측면은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하인 유전체 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은 유전체층 및 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되어 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극;을 포함하고, 상기 유전체층은 유전체 조성물을 포함하며, 상기 유전체 조성물은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하인 적층형 전자 부품을 제공한다.
본 발명의 여러 효과 중 일 효과로서, 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 II-II' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 시험번호 1 내지 3에 대한 가혹 신뢰성 평가(Halt) 결과 그래프이다.
도 5는 시험번호 4 내지 6에 대한 I-V curve이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 나아가, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도면에서, X 방향은 제2 방향, L 방향 또는 길이 방향, Y 방향은 제3 방향, W 방향 또는 폭 방향, Z 방향은 제1 방향, 적층 방향, T 방향 또는 두께 방향으로 정의될 수 있다.
유전체 조성물
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하이다.
ABO3로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분의 경우, 산소가 있어야 할 자리가 비게 되는 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있다. 예를 들어, 환원분위기에서 소성을 진행하는 경우 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있으며, 탈바인더 등에 의해 카본이 ABO3의 산소와 결합하여 CO2 형태로 증발되는 경우에 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있다.
즉, O는 -2가의 charge를 띄게 되는데, 산소가 있어야 할 자리가 비어 있으면 +2가의 charge를 가지는 산소 공공이 발생하며, 인가된 전계에 의해 산소 공공이 이동하게 되면 신뢰성이 떨어지게 되고, 산소 공공이 많을수록 그리고 온도와 전압이 높게 걸릴수록 이동 속도와 이동량이 증가되게 되어 신뢰성을 더욱 악화시키게 된다.
이러한 산소 공공의 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 희토류 원소를 첨가함으로써 산소 공공의 농도를 줄여 신뢰성을 향상시키는 방안이 알려져 있다.
그러나, ABO3 구조에서 A-site에 고용될 수 있는 첨가제 함량은 제한적이며, 희토류 원소 첨가만으로는 산소 공공의 농도를 효과적으로 줄이기 어렵거나, 지나친 반도체화에 의해 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
이에, 본 발명에서는 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분을 포함하는 유전체 조성물에 제1 부성분으로서, 희토류 원소, Nb 및 Mg를 적정량 첨가하여 신뢰성을 향상시키고자 한다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물의 각 성분에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
a) 주성분
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분을 포함한다.
ABO3로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분에 대한 보다 구체적인 예를 들면, BaTiO3, SrTiO3, (Ba1-xCax)(Ti1-yCay)O3 (여기서, x는 0≤x≤0.3, y는 0≤y≤0.1), (Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3 (여기서, x는 0≤x≤0.3, y는 0≤y≤0.5), 및 Ba(Ti1-yZry)O3 (여기서, 0<y≤0.5)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 상온 유전율이 2000 이상일 수 있다.
상기 주성분은 특별히 제한되는 것은 아니나, 주성분 분말의 평균 입경은 40nm 이상 200nm 이하일 수 있다.
b) 제1 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하인 제1 부성분을 포함한다.
희토류 원소는 ABO3 구조의 A-site를 치환하여 주개(donor) 역할을 수행함으로써 산소 공공의 농도를 줄여 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 희토류 원소는 결정립계에서 전자의 흐름을 막는 장벽으로 작용하여 누설 전류 증가를 억제하는 역할을 한다. 희토류 원소의 함량이 상기 주성분 100몰 대비 0.1몰 미만인 경우에는 상술한 효과가 불충분할 수 있다.
일반적으로 ABO3 구조에서 A-site에 고용될 수 있는 첨가제 함량은 제한적이기 때문에 희토류 원소 첨가만으로는 산소 공공의 농도를 효과적으로 줄이기 어렵거나, 지나친 반도체화에 의해 절연저항이 저하될 수 있다.
ABO3 구조에서 A-site에 고용될 수 있는 첨가제 함량 보다는 B-site에 고용될 수 있는 첨가제 함량이 높기 때문에, 본 발명에서는 희토류 원소와 함께 ABO3 구조의 B-site를 치환하여 주개(donor) 역할을 수행하는 Nb를 첨가하여 신뢰성을 향상시킨다. Nb 함량이 상기 주성분 100몰 대비 0.02몰 미만인 경우에는 상술한 효과가 불충분할 수 있다.
또한, Nb는 유전체 결정립뿐만 아니라, 결정립계에 배치됨으로써, 적층 세라믹 커패시터의 절연 저항 저하를 막아 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
희토류 원소 및 Nb 함량의 합이 증가할수록 신뢰성 향상 측면에서는 유리하나, 일정량 이상에서 반도체화되어 절연체의 특성을 저하시키고 소결성이 떨어지기 때문에, 희토류 원소 및 Nb 함량의 합은 주성분 100몰 대비 1.5몰 이하인 것이 바람직하다.
Mg는 ABO3 구조의 B-site를 치환하여 받개(acceptor) 역할을 수행하며, 전자 농도를 줄이는 역할을 수행할 수 있다.
Mg는 Nb와 ABO3 구조의 B-site를 경쟁적으로 지환하기 때문에 그 함량을 적절히 조절할 필요성이 있다.
Mg 함량이 상기 주성분 100몰 대비 0.25몰 이상 0.9몰 이하인 경우에 n-type화로 인한 신뢰성 개선 효과를 극대화할 수 있으며, Mg 함량이 0.9몰 초과인 경우에는 파괴 전압(BDV)이 낮아질 우려가 있어 바람직하지 못하다. 보다 더 바람직한 Mg 함량의 범위는 주성분 100몰 대비 0.25몰 이상 0.7몰 이하일 수 있다.
한편, 희토류 원소는 특별히 한정하지는 않으며, 예를 들어, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타넘(La), 악티늄(Ac), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오듐(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb), 및 루테늄(Lu) 중 하나 이상일 수 있다.
다만, Dy 보다 이온 반경이 큰 희토류 원소, 예를 들어 란티넘 (La), 사마륨 (Sm) 등을 사용할 경우 Ba 자리를 더 효과적으로 치환할 수 있기 때문에 산소 공공 결함 농도 감소에는 더욱 효과적이지만, 지나친 반도체화로 인하여 절연 저항이 급격히 하락할 우려가 있다. 따라서, 상기 희토류 원소는 Dy 또는 Dy 보다 이온 반경이 작은 원소인 것이 보다 바람직할 수 있다. Dy 보다 이온 반경이 작은 희토류 원소로는 예를 들어, Ho, Y, Er, Yb 등이 있다.
또한, 산소 공공 결함 농도 감소 및 절연 저항 확보를 모두 고려하였을 때, 상기 ABO3로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분을 BaTiO3로 하고, 상기 희토류 원소를 Dy로 하는 것이 보다 더 바람직할 수 있다.
b) 제2 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 제2 부성분으로서, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물 혹은 탄산염을 포함할 수 있다.
상기 제2 부성분으로서, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물 혹은 탄산염은 상기 주성분 100 몰에 대하여, 0.1 내지 2.0 몰의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 제2 부성분은 유전체 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 소성 온도 저하 및 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 제2 부성분의 함량 및 후술하는 제3 부성분의 함량은 상기 주성분 100 몰에 대하여 포함되는 양으로서, 특히 각 부성분이 포함하는 금속 이온의 몰로 정의될 수 있다.
상기 제2 부성분의 함량이 0.1 몰 미만이면 소성 온도가 높아지고 고온 내전압 특성이 다소 저하될 수 있다.
상기 제2 부성분의 함량이 2.0 몰 이상의 경우에는 고온 내전압 특성 및 상온 비저항이 저하될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여 0.1 내지 2.0 몰의 함량을 갖는 제2 부성분을 포함할 수 있으며, 이로 인하여 저온 소성이 가능하며 높은 고온 내전압 특성을 얻을 수 있다.
c) 제3 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 제3 부성분으로서, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물을 포함할 수 있다.
상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.001 내지 0.5 몰의 제3 부성분을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 부성분의 함량은 글라스, 산화물 또는 탄산염과 같은 첨가 형태를 구분하지 않고 제3 부성분에 포함된 Si 및 Al 중 적어도 하나 이상의 원소의 함량을 기준으로 할 수 있다.
상기 제3 부성분은 유전체 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 소성 온도 저하 및 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 제3 부성분의 함량이 상기 주성분 100 몰에 대하여, 0.5 몰을 초과하면 소결성 및 치밀도 저하, 2차상 생성 등의 문제가 있을 수 있어 바람직하지 못하다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 유전체 조성물이 0.5 몰 이하의 함량으로 Al을 포함함으로써, Al이 억셉터로 작용하여 오히려 전자 농도를 줄일 수 있어 신뢰성 개선에 효과가 있다.
적층형 전자 부품
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 II-II' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품(100)은 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110); 및 바디(110)에 배치되어 내부 전극(121, 122)과 연결되는 외부 전극(131, 132);을 포함하고, 유전체층(111)은 유전체 조성물을 포함하며, 상기 유전체 조성물은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상 및 Mg: 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하이다.
이하, 상술한 유전체 조성물에서 설명한 내용과 중복되는 부분은 중복된 설명을 피하기 위하여 생략하도록 한다. 또한, 적층형 전자 부품의 일례로서 적층 세라미 커패시터에 대하여 설명하나, 본 발명은 상술한 유전체 조성물을 이용하는 다양한 전자 제품, 예를 들어, 인덕터, 압전체 소자, 바리스터, 또는 서미스터 등에도 적용될 수 있을 것이다.
바디(110)는 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)이 교대로 적층되어 있다.
바디(110)의 구체적인 형상에 특별히 제한은 없지만, 도시된 바와 같이 바디(110)는 육면체 형상이나 이와 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 소성 과정에서 바디(110)에 포함된 세라믹 분말의 수축으로 인하여, 바디(110)는 완전한 직선을 가진 육면체 형상은 아니지만 실질적으로 육면체 형상을 가질 수 있다.
바디(110)는 제1 방향(Z 방향)으로 서로 대향하는 제1 및 제2 면(1, 2), 상기 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제2 방향(X 방향)으로 서로 대향하는 제3 및 제4 면(3, 4), 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제3 및 제4 면(3, 4)과 연결되며 제3 방향(Y 방향)으로 서로 대향하는 제5 및 제6 면(5, 6)을 가질 수 있다.
바디(110)를 형성하는 복수의 유전체층(111)은 소성된 상태로서, 인접하는 유전체층(111) 사이의 경계는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)를 이용하지 않고 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.
유전체층(111)은 상술한 유전체 조성물을 이용하여 형성될 수 있다.
유전체층(111)은 복수의 결정립 및 인접한 결정립 사이에 배치된 결정립계를 포함할 수 있다.
이때, 유전체 조성물에 포함된 Nb는 상기 복수의 결정립및 결정립계에 포함될 수 있다. Nb가 결정립 뿐만 아니라, 결정립계에 배치됨으로써, 적층 세라믹 커패시터의 절연 저항 저하를 막아 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 결정립의 평균 입경은 200nm 이하일 수 있으며, 이 경우 본 발명에 따른 신뢰성 및 절연 저항 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다.
한편, 바디(110)는 바디(110)의 내부에 배치되며, 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 내부 전극(121) 및 제2 내부 전극(122)을 포함하여 용량이 형성되는 용량 형성부(A)와 상기 용량 형성부(A)의 상부 및 하부에 형성된 커버부(112, 113)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용량 형성부(A)는 커패시터의 용량 형성에 기여하는 부분으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 복수의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 반복적으로 적층하여 형성될 수 있다.
상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 용량 형성부(A)의 상하면에 각각 두께 방향으로 적층하여 형성할 수 있으며, 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 내부 전극을 포함하지 않으며, 유전체층(111)과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
즉, 상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용량 형성부(A)의 측면에는 마진부(114, 115)가 배치될 수 있다.
마진부(114, 115)는 바디(110)의 제6 면(6)에 배치된 마진부(114)와 제5 면(5)에 배치된 마진부(115)를 포함한다. 즉, 마진부(114, 115)는 상기 세라믹 바디(110)의 폭 방향 양 측면에 배치될 수 있다.
마진부(114, 115)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바디(110)를 폭-두께(W-T) 방향으로 자른 단면에서 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 양 끝단과 바디(110)의 경계면 사이의 영역을 의미할 수 있다.
마진부(114, 115)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
마진부(114, 115)는 세라믹 그린시트 상에 마진부가 형성될 곳을 제외하고 도전성 페이스트를 도포하여 내부 전극을 형성함으로써 형성된 것일 수 있다.
또한, 내부 전극(121, 122)에 의한 단차를 억제하기 위하여, 적층 후 내부 전극이 바디의 제5 및 제6 면(5, 6)으로 노출되도록 절단한 후, 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 용량 형성부(A)의 양측면에 폭 방향으로 적층하여 마진부(114, 115)를 형성할 수도 있다.
내부 전극(121, 122)은 유전체층(111)과 교대로 적층된다.
내부 전극(121, 122)는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 바디(110)를 구성하는 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 대향하도록 번갈아 배치되며, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)으로 각각 노출될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 내부 전극(121)은 제4 면(4)과 이격되며 제3 면(3)을 통해 노출되고, 제2 내부 전극(122)은 제3 면(3)과 이격되며 제4 면(4)을 통해 노출될 수 있다.
이때, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 중간에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
바디(110)는 제1 내부 전극(121)이 인쇄된 세라믹 그린 시트와 제2 내부 전극(122)이 인쇄된 세라믹 그린 시트를 번갈아 적층한 후, 소성하여 형성할 수 있다. 내부 전극(121, 122)을 형성하는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다.
예를 들어, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 그들의 합금 중 하나 이상을 포함하는 내부 전극용 도전성 페이스트를 세라믹 그린 시트에 인쇄하여 형성할 수 있다.
상기 내부 전극용 도전성 페이스트의 인쇄 방법은 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등을 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 적층 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화를 달성하기 위해서는 유전체층 및 내부 전극의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 하며, 유전체층 및 내부 전극의 두께가 얇아질수록 신뢰성이 저하되고, 절연 저항, 파괴 전압 등의 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 유전체층 및 내부 전극의 두께가 얇아질수록 본 발명에 따른 신뢰성 향상 효과가 증가될 수 있다.
특히, 내부 전극(121, 122)의 두께(te) 및 유전체층(111)의 두께(td)가 0.41μm 이하인 경우에 본 발명에 따른 신뢰성 및 절연 저항 향상 효과가 현저해질 수 있다.
내부 전극(121, 122)의 두께(te)는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
내부 전극(121, 122)의 두께(te)는 바디(110)의 제3 및 제1 방향 단면(L-T 단면)을 주사전자현미경(SEM, Scanning Eletron Microscope)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다.
예를 들어, 바디(110)의 제2 방향(L 방향) 중앙부에서 절단한 제3 및 제1 방향 단면(W-T 단면)을 주사전자현미경(SEM, Scanning Eletron Microscope)으로 스캔한 이미지에서 추출된 임의의 내부 전극(121, 122)에 대해서, 제3 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다.
상기 등간격인 30개의 지점은 내부 전극(121, 122)이 서로 중첩되는 영역을 의미하는 용량 형성부(A)에서 측정될 수 있다.
유전체층(111)의 두께(td)는 상기 제1 및 제2 내부 전극(121, 122) 사이에 배치되는 유전체층(111)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
내부 전극의 두께(te)와 마찬가지로, 유전체층(111)의 두께(td)도 바디(110)의 제3 및 제1 방향 단면(L-T 단면)을 주사전자현미경(SEM, Scanning Eletron Microscope)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다.
예를 들어, 바디(110)의 제2 방향(L 방향) 중앙부에서 절단한 제3 및 제1 방향 단면(W-T 단면)을 주사전자현미경(SEM, Scanning Eletron Microscope)으로 스캔한 이미지에서 추출된 임의의 유전체층(111)에 대해서, 제3 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다.
상기 등간격인 30개의 지점은 내부 전극(121, 122)이 서로 중첩되는 영역을 의미하는 용량 형성부(A)에서 측정될 수 있다.
또한, 커버부(112, 113)의 두께는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 커버부(112, 113)의 두께(tp)는 20μm 이하일 수 있다.
외부 전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되고 내부 전극(121, 122)과 연결된다.
도 2에 도시된 형태와 같이, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 각각 배치되어, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)과 각각 연결된 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)을 포함할 수 있다.
본 실시 형태에서는 적층형 전자 부품(100)이 2개의 외부 전극(131, 132)을 갖는 구조를 설명하고 있지만, 외부 전극(131, 132)의 개수나 형상 등은 내부 전극(121, 122)의 형태나 기타 다른 목적에 따라 바뀔 수 있을 것이다.
한편, 외부 전극(131, 132)은 금속 등과 같이 전기 전도성을 갖는 것이라면 어떠한 물질을 사용하여 형성될 수 있고, 전기적 특성, 구조적 안정성 등을 고려하여 구체적인 물질이 결정될 수 있으며, 나아가 다층 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 외부 전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되는 전극층(131a, 132a) 및 전극층(131a, 132a) 상에 형성된 도금층(131b, 132b)을 포함할 수 있다.
전극층(131a, 132a)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 전극층(131a, 132a)은 도전성 금속 및 글라스를 포함한 소성 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극일 수 있다.
또한, 전극층(131a, 132a)은 바디 상에 소성 전극 및 수지계 전극이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성되거나, 소성 전극 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성된 것일 수 있다.
전극층(131a, 132a)에 포함되는 도전성 금속으로 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있으며 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 도전성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 그들의 합금 중 하나 이상일 수 있다.
도금층(131b, 132b)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 도금층(131b, 132b)은 Ni 도금층 또는 Sn 도금층일 수 있으며, 전극층(131a, 132a) 상에 Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있고, Sn 도금층, Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 도금층(131b, 132b)은 복수의 Ni 도금층 및/또는 복수의 Sn 도금층을 포함할 수도 있다.
적층형 전자 부품(100)의 사이즈는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 소형화 및 고용량화를 동시에 달성하기 위해서는 유전체층 및 내부 전극의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 하기 때문에, 1005 (길이×폭, 1.0mm×0.5mm) 이하의 사이즈를 가지는 적층형 전자 부품에서 본 발명에 따른 신뢰성 및 절연 저항 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다.
따라서, 바디의 제3 및 제4 면 간의 거리를 L, 상기 제5 및 제6 면 간의 거리를 W라고 정의할 때, 상기 L은 1.0mm 이하이고, 상기 W는 0.5mm 이하일 수 있다. 즉, 1005 (길이×폭, 1.0mm×0.5mm) 사이즈 이하의 적층형 전자 부품일 수 있다.
(실시예)
본 발명의 실시예는 주성분인 티탄산바륨(BaTiO3) 분말에, Dy, Nb, Mg 등의 첨가제, 바인더 및 에탄올 등의 유기 용매를 첨가하고, 습식 혼합하여 유전체 슬러리를 마련한 다음 상기 유전체 슬러리를 캐리어 필름상에 도포 및 건조하여 세라믹 그린시트를 마련하며, 이로써 유전체층을 형성할 수 있다.
상기 세라믹 그린시트는 세라믹 분말, 바인더, 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 닥터 블레이드 법으로 수 μm의 두께를 갖는 시트(sheet)형으로 제작할 수 있다.
다음으로, 니켈 입자 평균 크기가 0.1 내지 0.2 μm이며, 40 내지 50 중량부의 니켈 분말을 포함하는 내부 전극용 도전성 페이스트를 마련할 수 있다.
상기 그린시트 상에 상기 내부 전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄공법으로 도포하여 내부 전극을 형성한 후 내부 전극 패턴이 배치된 그린시트를 적층하여 적층체를 형성한 이후, 상기 적층체를 압착 및 커팅하였다.
이후, 커팅된 적층체를 가열하여 바인더를 제거한 후 고온의 환원 분위기에서 소성하여 세라믹 바디를 형성하였다.
상기 소성 과정에서는 환원 분위기(0.1% H2/99.9% N2, H2O/H2/N2 분위기)에서 1100 ~ 1200℃의 온도에서 2시간 소성한 후, 1000℃에서 질소(N2) 분위기에서 재산화를 3시간 동안 실시하여 열처리 하였다.
다음으로, 소성된 세라믹 바디에 대하여 구리(Cu) 페이스트로 터미네이션 공정 및 전극 소성을 거쳐 외부 전극을 완성하였다.
또한, 세라믹 바디(110) 내부의 유전체층(111)과 내부 전극(121, 122)은 소성 후 평균 두께가 0.4 μm 이하가 되도록 제작하였다.
(실시예 1)
우선, Dy 및 Nb 함량의 합이 신뢰성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상술한 제작 과정으로 상기 주성분 100몰 대비 Dy 및 Nb 함량의 합이 1.5몰(시험번호 1), 1.8몰(시험번호 2), 2.1몰(시험번호 3)이 되도록 시험번호 1 내지 3을 제작하였다.
상기와 같이 완성된 프로토 타입 적층 세라믹 커패시터(Proto-type MLCC) 시편인 시험번호 1 내지 3에 대해 가혹 신뢰성 평가(Halt)를 수행하였다.
도 4는 시험번호 1 내지 3에 대한 가혹 신뢰성 평가(Halt) 결과 그래프이다. 가혹 신뢰성 평가는 125℃에서 기준 전압의 1.5배를 12 시간 동안 인가하여 절연 저항의 변화를 측정한 것이다.
도 4(a)는 시험번호 1의 경우로서, Dy 및 Nb 함량의 합이 주성분 100몰 대비 1.5몰이 되도록 첨가하였으며, 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 없어 신뢰성이 우수함을 알 수 있다.
시험번호 1의 경우 공칭 용량(Nominal Capacity)이 101%이고, 파괴 전압(BDV)이 63V로서, 용량 및 BDV 측면에서의 신뢰성 평가에서도 우수함을 알 수 있다.
도 4(b)는 Dy 및 Nb 함량의 합이 주성분 100몰 대비 1.8 몰을 첨가한 시험번호 2의 경우이고, 도 4(c)는 Dy 및 Nb 함량의 합이 주성분 중 Ti 100몰 대비 2.1 몰을 첨가한 시험번호 3의 경우이다.
시험번호 2 및 3의 경우 모두 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 다수 발생하는 것으로서 신뢰성 저하가 확인되었다.
또한, 시험번호 2 의 경우에는 공칭 용량 (Nominal Capacity)이 90%이고, 파괴 전압(BDV)이 58V이며, 시험번호 3의 경우에는 공칭 용량 (Nominal Capacity)이 82%이고, 파괴 전압(BDV)가 47V로서, 모두 기준에 미달함을 알 수 있다.
따라서, Dy 및 Nb 함량의 합이 주성분 중 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과하는 경우 신뢰성이 저하되며, 소결성 부족으로 용량을 확보하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 2)
Mg 함량의 변화에 따른 전기적 특성을 확인하기 위하여, 상술한 제작 과정으로 주성분 중 Ti 100몰 대비 Dy, Nb 및 Mg가 하기 표 1에 기재된 함량을 가지도록 시험번호 4 내지 6을 제작하였다.
상기와 같이 완성된 프로토 타입 적층 세라믹 커패시터(Proto-type MLCC) 시편인 시험번호 4 내지 6에 대해 용량, DF(손실계수, Dissipation Factor), BDV(파괴 전압, Breaking Down Voltage)를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
도 5는 시험번호 4 내지 6에 대한 I-V curve로서, 도 5(a)는 시험번호 4에 대한 I-V curve이며, 도 5(b)는 시험번호 5에 대한 I-V curve이고, 도 5(c)는 시험번호 6에 대한 I-V curve이다.
시험번호 Dy(몰) Nb(몰) Mg(몰) 용량(μF) DF(%) BDV(V)
4 0.9 0.05 0.467 4.91 3.3 78
5 0.9 0.05 0.7 5.25 3.5 72
6 0.9 0.05 0.93 5.17 3.5 58
상기 표 1, 도 5(a) 및 도 5(b)에서 확인할 수 있듯이, 시험번호 4 및 5는 Mg 함량이 주성분 100몰 대비 0.25몰 이상 0.9몰 이하를 만족하는 경우로서, 용량 및 손실 계수 및 BDV 특성이 모두 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 시험번호 4 및 5가 Mg가 첨가되지 않은 시험번호 1 내지 3에 비하여 높은 BDV값을 가지는 것을 알 수 있다.
그러나, Mg를 과량 첨가한 시험번호 6의 경우, 상기 표 1 및 도 5(c)에서 확인할 수 있듯이, Mg 함량이 주성분 100몰 대비 0.9몰을 초과하여 BDV가 급격히 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 용량도 Mg 함량이 주성분 100몰 대비 0.7몰인 시험번호 5 보다 낮은 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 적층형 전자 부품
110: 바디
121, 122: 내부 전극
111: 유전체층
112, 113: 커버부
114, 115: 마진부
131, 132: 외부 전극

Claims (18)

  1. 유전체층 및 내부 전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디에 배치되어 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극;을 포함하고,
    상기 유전체층은 유전체 조성물을 포함하며,
    상기 유전체 조성물은 ABO3(A는 Ba, Sr 및 Ca 중 적어도 하나이고, B는 Ti, Zr 및 Hf 중 적어도 하나임)로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 주성분 및 제1 부성분을 포함하며,
    상기 제1 부성분은 상기 주성분 100몰 대비, 희토류 원소: 0.1몰 이상, Nb: 0.02몰 이상을 포함하고, 상기 희토류 원소와 Nb 함량의 합은 1.5몰 이하이고,
    상기 희토류 원소는 Dy이고, 상기 유전체층의 평균 두께는 0.41μm 이하인
    적층형 전자 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부성분은 Mg를 더 포함하며, 상기 Mg는 상기 주성분 100몰 대비, 0.25몰 이상 0.7몰 이하인
    적층형 전자 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.1 내지 2.0 몰의 제2 부성분을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.001 내지 0.5 몰의 제3 부성분을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극의 평균 두께는 0.41μm 이하인
    적층형 전자 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 전자 부품의 사이즈는 1005 (길이×폭, 1.0mm×0.5mm) 이하인
    적층형 전자 부품.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.1 내지 2.0 몰의 제2 부성분을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 상기 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.001 내지 0.5 몰의 제3 부성분을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제8항에 있어서,
    상기 내부 전극의 평균 두께는 0.41μm 이하인
    적층형 전자 부품.
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