KR102558060B1 - 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막 - Google Patents

나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막 Download PDF

Info

Publication number
KR102558060B1
KR102558060B1 KR1020200166751A KR20200166751A KR102558060B1 KR 102558060 B1 KR102558060 B1 KR 102558060B1 KR 1020200166751 A KR1020200166751 A KR 1020200166751A KR 20200166751 A KR20200166751 A KR 20200166751A KR 102558060 B1 KR102558060 B1 KR 102558060B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dielectric
thin film
niobate
nanosheet
delete delete
Prior art date
Application number
KR1020200166751A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220077989A (ko
Inventor
최지원
김진상
강종윤
백승협
김성근
송현철
윤정호
임해나
류소연
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020200166751A priority Critical patent/KR102558060B1/ko
Priority to JP2021193211A priority patent/JP2022088333A/ja
Publication of KR20220077989A publication Critical patent/KR20220077989A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102558060B1 publication Critical patent/KR102558060B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62218—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining ceramic films, e.g. by using temporary supports
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0026—Apparatus for manufacturing conducting or semi-conducting layers, e.g. deposition of metal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/08—Inorganic dielectrics
    • H01G4/12—Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1254—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on niobium or tungsteen, tantalum oxides or niobates, tantalates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/30—Stacked capacitors
    • H01G4/306—Stacked capacitors made by thin film techniques
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3298—Bismuth oxides, bismuthates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc bismuthate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/442—Carbonates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/781—Nanograined materials, i.e. having grain sizes below 100 nm
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)

Abstract

본 명세서에서는, 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 나이오베이트 유전체를 포함하며, 고유전율 및 저유전손실 특성을 갖는, 나노 시트가 제공된다.
[화학식 1]
Sr2(1-x)Bi2xNb3O10
여기서, x는 0<x<0.2

Description

나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막{A NANO SHEET COMPRISING NIOBATE DIELECTRIC AND DIELECTRIC THIN FILM COMPRISING THE SAME}
본 명세서는 고유전율과 저유전손실 특성을 가지는 나이오베이트 유전체 나노 시트 및 이를 포함하는 유전체 박막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고유전율의 유전상수를 유지하면서도 유전손실이 매우 낮은 특성을 나타내는 나이오베이트 유전체 나노 시트 및 이를 포함하는 유전체 박막에 관한 것이다.
최근 이동통신 단말기의 듀플렉서(Duplexer), 대역여파기(Band Pass Filter), 트랜지스터용 절연체, 주파수 필터같은 전자부품, 적층 세라믹 캐패시터(MLCC, multilayer ceramic capacitor), 트랜지스터의 게이트 산화물 (gate oxide) 등 다양한 전자기기의 집적화, 초소형화에 따라 그 안에 사용되는 유전체 재료 또한 소형 및 고성능화가 요구되고 있다.
또한 스마트폰, 스마트카드, 차량용 블루투스 등 고부가 기능들이 탑재되어 있는 고성능의 반도체 소자의 개발에 따라 보다 고성능의 캐패시터의 요구가 증가되고 있고 반도체 가공 기술의 발전에 따라 보다 직접화 된 초소형의 고용량 세라믹 캐패시터의 개발이 필수가 되고 있다. 차세대 디바이스에 적합한 고용량의 MLCC 등의 세라믹 캐패시터를 구현하기 위해서는 유전체 층의 두께를 초 박형으로 줄여야 함은 필수적 이지만 종래 기술에 따르면 유전체의 두께를 줄이는 데에 큰 한계가 있다.
대표적으로 사용되는 유전체 층의 재료로 높은 유전상수를 갖는 (Ba, Sr)TiO3, CaTiO3, 혹은 이들을 조합한 조성등의 티타늄 산화물이 주로 사용 되고 있다. 그러나 이러한 페로브스카이트계 티타늄 산화물 유전체 물질의 경우 수십 나노 두께의 얇은 박막으로 제작하는 경우 열처리 과정에서 나타나는 기판과의 계면 열화문제, 조성의 어긋남, 많은 결정 입계면으로 인하여 유전특성의 저하 및 높은 유전 손실을 야기한다.
또한 기존의 유전체 재료를 합성하여 세라믹 캐패시터를 제작하는 스크린 인쇄 방식을 사용하여 초박막화를 구현하기 위해서는 수 나노 입자로 유전체 재료를 합성해야하는 어려움이 있을 뿐만 아니라 고온부하시의 내구성이 악화되어 고적층화를 구현하는 데에도 한계가 있다. 따라서 차세대 디바이스에 적용이 가능한 초고형 고용량의 세라믹 캐패시터 또는 콘덴서 구현을 위해서는 나노 두께 레벨의 박막에서도 우수한 특성을 갖는 유전체 물질의 연구 개발이 필수적이다.
뿐만 아니라 우수한 특성을 가지는 유전체 물질을 개발하더라도 나노시트 입자의 크기가 너무 작다면 많은 grain boundary에서 큰 유전손실을 초래한다. 또한 개발한 나노시트를 가지고 박막을 제작하는데 있어 공정과정에서 균일하고 평탄한 박막을 얻지 못한다면 큰 누설전류를 초래할 뿐만 아니라 박막 제작의 균일도가 떨어지기 때문에 나노시트를 이용하여 보다 치밀하고 균일한 박막을 제작할 수 있는 제조법이 필수적이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 구현예들은 층상 구조의 페로브스카이트 물질인 KSr2(1-x)Bi2xNb3O10 유전체 물질을 다양한 조건에서 합성한 후 K+ 이온을 양이온 치환하여 얻어진 다양한 크기의 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10 단결정 나노시트를 합성하는 법을 제공한다.
또한 나노시트 분산 용액을 이용하는 용액 증착 공정으로 보다 균일하고 평탄한 유전체 박막을 제조하는 방법을 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 나이오베이트 유전체를 포함하며, 고유전율 및 저유전손실 특성을 갖는, 나노 시트를 제공한다.
[화학식 1]
Sr2(1-x)Bi2xNb3O10
여기서, x는 0<x<0.2
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 50 nm 내지 50 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 10 nm 이하의 두께에서 500 이상의 유전율을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 일 구현예에서, 전구체 혼합물을 형성하는 단계; 상기 전구체 혼합물을 하소하여 벌크 나이오베이트 유전체를 형성하는 단계; 및 상기 벌크 나이오베이트 유전체를 층상으로 박리하여 나노 시트를 형성하는 단계;를 포함하는, 나노 시트 제조 방법을 제공한다.
일 구현예에서, 상기 전구체 혼합물은 K2CO3, SrCO3, Bi2O3, 및 Nb2O5를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전구체 혼합물은 볼 밀 공정으로 습식 혼합하여 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 벌크 나이오베이트 유전체는 700-1300 ℃의 온도로 소결하여 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 소결에 앞서 700-1100℃의 온도에서 5-20 시간 동안 하소할 수 있다.
본 발명에 따른 일 구현예에서, 복수의 본 발명의 일 구현예에 따른 나노 시트를 포함하는 유전체층을 포함하며, 상기 복수의 나노 시트는 유전체층에서 단층 구조로 배열된, 나이오베이트 유전체 박막이 제공된다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 복수의 유전체층을 포함하는 다층 적층 구조를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 하부 기판을 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 하부 기판은 전도성 페로브스카이트 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 전극, 및 산화물/금속/산화물 구조의 산화물 투명 전극으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 90% 이상의 커버리지를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 10 nm 이하의 두께에서 500 이상의 유전율을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 0.1 내지 3.0 nm 범위의 거칠기(RMS)를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 일 구현예에서, 복수의 본 발명의 일 구현예에 따른 나노 시트가 분산된 분산 용액을 전개하는 단계; 및 상기 나노 시트를 하부 기판 상에 증착하는 단계를 포함하는, 나이오베이트 유전체 박막 제조 방법이 제공된다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계는 전기영동법 또는 랭뮤어-블로젯법으로 증착되는 것일 수 있다.
일 구현예에서, 증착에 앞서, 전개된 분산 용액을 5-20 분 간 안정화 시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계에서, 소정의 증착 압력을 유지하면서 하부 기판을 이동시켜 유전체층을 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계에서, 0.1 - 20 mm/min의 배리어의 이동속도로 증착 압력에 도달할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계에서 증착 압력은 5-30 mN/m 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 나이오베이트 유전체 나노시트는 유전율이 크고 유전 손실은 낮은 특성을 가지며, 나노 레벨의 두께에서도 선형적이고 우수한 유전율을 가지며 절연 특성을 실현할 수 있는, 저온 소자 제작에 응용 가능한 나노 시트 형태의 유전 물질을 제공할 수 있다. 또한, 출발 입자를 구형이 아닌 시트 형태로 제작함으로써 입계면을 최대한 줄일 수 있을 뿐 아니라 결정질의 시트를 이용할 경우 열처리 공정이 필요 없는 장점을 갖는다.
또한 종래의 유전체 소자 제조공정에서 요구하는 진공 장치나 고가의 증착장비를 필요로 하지 않아, 낮은 가격 및 빠른 제작 시간을 만족하는 소자의 제조공정 설계를 가능하게 하였다.
또한, 나이오베이트 유전체 합성 조건에 따라서 나노 시트 크기를 조절할 수 있어서, 용도에 맞는 크기의 나노시트를 합성할 수 있는 기술을 제공하며 소자에 적용하는 경우 보다 균일한 박막을 제작할 수 있는 방법을 제공한다.
따라서 종래의 소자 제조 공정에서 생기는 기판과 유전물질 사이의 열화문제를 해결할 수 있고 차세대 적층 세라믹 캐패시터, 마이크로파 유전체, 트랜지스터용 게이트, 차세대 TFT 등 다양한 종류의 전자기기에 응용될 수 있다. 또한 본 발명의 소자는 상온에서 제작되기 때문에 다양한 종류의 폴리머 기판, 종이 기판 등에 적용될 수 있으며 유기물과 복합하여 적층하는 새로운 구조의 소자를 제작할 수 있어 유기-무기 하이브리드 소자, 분자 일렉트로닉스의 유전체 재료로 사용할 수 있다. 본 발명을 이용한 유전체 소자는 얇은 두께로 종래의 재료를 대체하기 할 수 있으며, 높은 유전율과 양호한 절연 특성을 동시에 실현하기 때문에 막대한 경제적 파급 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모조성 KSr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10의 소결 조건에 따라 달라진 Sr1.8Bi0.2Nb3O10 나노시트의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트 단층막의 C-AFM 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 표면 압력 조건에서 10층 적층 된 Sr1.8Bi0.2Nb3O10 나노 박막의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작 된 Pt/Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10/Nb-SrTiO3 캐패시터의 단면 투과 전자 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트로서 소결 온도를 각각 1225℃(도 5a), 1250℃(도 5b), 1275℃(도 5c), 및 1300℃(도 5d)로 하여 제조된 샘플의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 된 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트 박막의 유전상수 및 유전손실 값을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
나이오베이트 유전체 나노 시트
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 나이오베이트 유전체를 포함하며, 고유전율 및 저유전손실 특성을 갖는, 나노 시트를 제공한다.
[화학식 1]
Sr2(1-x)Bi2xNb3O10
여기서, x는 0<x<0.2
한편 Bi의 치환량과 관련하여, x가 0.2 이상인 경우 Sr 이온의 자리를 치환하기보다는 2차상을 형성하여 층상 구조가 파괴될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 50 nm 내지 50 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나노 시트는 10 nm 이하의 두께에서 500 이상의 유전율을 나타낼 수 있다.
나노 시트 제조 방법
본 발명에 따른 일 구현예에서, 전구체 혼합물을 형성하는 단계; 상기 전구체 혼합물을 소결하여 벌크 나이오베이트 유전체를 형성하는 단계; 및 상기 벌크 나이오베이트 유전체를 층상으로 박리하여 나노 시트를 형성하는 단계;를 포함하는, 나노 시트 제조 방법을 제공한다.
먼저, 전구체 혼합물을 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전구체 혼합물은 칼륨 전구체, 스트론튬 전구체, 비스무스 전구체, 및 나이오베이트 전구체를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 칼륨 전구체, 스트론튬 전구체, 비스무스 전구체, 나이오베이트 전구체는 각각 K2CO3, SrCO3, Bi2O3, 및 Nb2O5일 수 있지만 여기에 한정되는 것이 아니다.
예시적인 구현예에서, 상기 전구체 혼합물은 순도 99% 이상의 K2CO3, SrCO3, Bi2O3, 및 Nb2O5를 이용하여 일반식 KSr2(1-x)Bi(y/3)xNb3O10 +δ를 만족하는 조성비에 따라 칭량한 후 에탄올을 용매로 하는 전구체 혼합물을 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전구체 혼합물은 습식 혼합하여 형성할 수 있으며, 구체적으로 지르코니아 볼과 함께 볼 밀 공정을 통하여 습식 혼합하여 전구체 혼합물을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 전구체 혼합물을 하소하여 벌크 나이오베이트 유전체를 형성할 수 있다.
구체적으로, 형성된 전구체 혼합물을 100 ℃오븐에서 건조한 후 1200℃에서 소결하여 KSBNO를 얻을 수 있다.
여기서, KSBNO은 하기 화학식 1로 나타내어지는 조성을 갖는 고유전율과 저유전손실 특성을 가지는 비스무트 니오베이트 유전체일 수 있다.
[화학식 2]
KSr2(1-x)Bi2xNb3O10 (KSBNO)
(상기 화학식 2에서 몰분율 x는 0<x≤0.2의 범위이다.)
상기 화학식 2의 유전체는 층상 구조를 가지는 KSr2Nb3O10 유전체 물질을 기초로 하여 15족 원소인 Bi를 Sr자리에 치환함으로써 제조된다. 예를 들어, 상기 KSBNO 유전체를 제조하기 위해서, 층상구조를 가지는 KSr2Nb3O10세라믹 의 Sr 사이트를 Bi로 치환하여 일반식 KSBNO으로 표시되는 유전 물질을 제조하는데, Sr 이온과 비교하여 Bi 이온은 작은 이온 반경을 가지고 있기 때문에 x=0.2 이상에서는 Sr 이온의 자리를 치환하기보다는 2차상을 형성하여 층상 구조가 파괴된다. 상기 화학식 2에서 Bi의 산화수는 3+이며, Bi가 2+ 이온으로 치환되는 경우에 비하여 3+ 이온으로 치환되는 경우 더 우수한 유전 특성을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 벌크 나이오베이트 유전체는 700-1300 ℃의 온도로 소결하여 형성할 수 있다. 상기 소결 온도를 조절함으로써, 형성되는 나노 입자의 크기를 제어할 수 있다. 상기 소결 온도가 700 ℃ 미만인 경우 상이 합성되지 않을 수 있고, 1300 ℃ 초과인 경우 이차상이 발생할 수 있다.
한편, 소결에 앞서 소정의 온도 및 시간에서 하소를 할 수 있으며, 이를 통하여 나노시트 입자의 크기를 제어할 수 있다. 상기 하소는 700-1100 ℃의 온도에서 2-24 시간 동안 수행될 수 있다. 700-1100 ℃의 온도에서 2-24 시간 동안 하소 되는 경우 원하는 단일상으로 합성할 수 있으며 하소 시간이 증가함에 따라 그레인(Grain) 사이즈 가 증가 될 수 있다. 특히, 소결 공정만을 거치는 경우에 비하여, 소결에 앞서 소정의 온도 및 시간에서 하소시키는 경우 합성되는 입자의 크기를 더 크게 할 수 있으며, 추후 박리 단계를 통하여 형성되는 나노 시트의 입자 크기를 크게 제어할 수 있어서 유리하다.
다음으로, 상기 벌크 나이오베이트 유전체를 층상으로 박리하여 나노 시트를 형성할 수 있다.
예시적 구현예에서, 상기 박리 단계는 벌크 나이오베이트 유전체를 층상으로 화학적 박리하여 나노시트를 형성하는 것일 수 있다. 구체적으로, 조성의 변화를 통하여 높은 유전 특성을 가지는 KSBNO 유전체를 합성한 뒤, 상기 KSBNO 유전체를 기반으로 H+이온을 이용한 K+이온의 치환을 통하여 KSBNO가 갖는 비선형적 유전특성을 선형적 유전특성으로 변화시키고 유전손실을 감소시킴으로써 높은 유전율, 낮은 유전손실, 선형적 유전특성을 가지는 HSBNO 유전체를 합성할 수 있다. 그런 뒤, 상기 HSBNO 유전체의 H+이온을 TBA+ 이온으로 치환하고 박리함으로써 SBNO 유전체를 제조하는 것일 수 있다.
예시적 구현예에서, 화학식 2의 KSBNO에서 K+이온을 H+이온으로 양이온 치환하고 하소하여 화학식 3의 HSBNO 유전체를 제조할 수 있다.
[화학식 3]
HSr2(1-x)Bi2xNb3O10 (HSBNO)
(상기 화학식 3에서 몰분율 x는 0<x≤0.2의 범위이다.)
예를 들어, 상기 HSBNO 유전체 조성물을 제조하기 위하여 상기 합성된 KSBNO 분말을 5 M 혹은 7 M의 HNO3, HCl, H2SO4 등의 산을 이용하여 4일 간 교반하여 SBNO사이에 삽입되어 있는 K+이온을 H+이온으로 치환한다. 치환이 끝난 용액은 원심분리기를 이용하여 DI Water로 수차례 세척한다. 그 후 50℃에서 24 시간 건조하면 HSBNO를 얻을 수 있다.
또한 예시적 구현예에서, 상기 화학식 3의 HSBNO 유전체의 H+이온을 TBA+ 이온으로 치환하고 박리함으로써 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노 시트를 얻을 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 HSBNO 유전체 시편을 테트라부틸암모니움(TBAOH) 용액에 수 일간 교반하면 Sr2(1-x)Bi(y/3)xNb3O10 +δ 층 사이에 존재하고 있는 H+이온을 TBA+이온이 안정화시키며 벌크 시편이 콜로이드화 되고 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10 단결정시트로 1 장씩 박리되게 된다.
상기 본 발명의 일구현예들에 따른 KSBNO 및 HSBNO 유전체는 높은 유전상수를 유지하면서도 매우 낮은 유전손실을 보인다. 특히 Bi 가 과량으로 첨가된 HSBNO의 경우 고유전율 재료로서, 102Hz 내지 107Hz 사이의 주파수 범위에서 er = 460으로 일정한 유전 상수 값과 0<x<0.25 사이의 유전손실을 갖는다. 나아가 상기 HSBNO는 선형적인 유전특성을 나타내므로 적층 세라믹 캐패시터, 마이크로파 유전체, 차세대 TFT의 유전막 등에 사용될 수 있다.
나이오베이트 유전체 박막
본 발명에 따른 일 구현예에서, 복수의 본 발명의 일 구현예에 따른 나노 시트를 포함하는 유전체층을 포함하며, 상기 복수의 나노 시트는 유전체층에서 단층 구조로 배열된, 나이오베이트 유전체 박막이 제공된다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 복수의 유전체층을 포함하는 다층 적층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 2층 이상의 유전체층을 포함하는 다층 적층 구조를 가질 수 있다. 단층 적층 구조의 경우 유전체 박막 층이 하부 기판을 완벽하게 (예컨대 약 100% 커버리지) 커버하지 못하기 때문에 단층 적층 구조를 갖는 나이오베이트 유전체 박막을 소자에 적용하는 경우 누설 전류(leakage current)가 크게 발생할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 하부 기판을 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 하부 기판은 전도성 페로브스카이트 기판(예컨대, Nb-SrTiO3 및 SrRuO3 등), 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 전극(예컨대, 금 및 알루미늄 등), 및 oxide/metal/oxide 구조의 산화물 투명 전극으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 나이오베이트 유전체 나노 시트를 균일하게 증착시킬 수 있는 기판이라면 특별히 제한되지 않는다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 수 nm 수준으로 표면의 거칠기 (RMS) 값이 제어될 수 있으며, 특히, 복수의 유전체층으로 적층하는 경우 나이오베이트 유전체 나노 시트를 균일하게 증착시켜 표면 거칠기를 제어하는 것이 중요하다. 구체적으로, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 0.1 nm 내지 3 nm 범위의 거칠기(RMS)를 가질 수 있다. 상기 거칠기 값이 3 nm 초과인 경우 상부에 적층되는 박막과의 계면접합성이 떨어지며 상부 박막의 균일도를 저하시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 유전체 박막은 적용 분야에 따라서 나노 시트의 커버리지를 달리할 수 있으며, 구체적으로 세라믹커패시터, 트랜지스터 등의 게이트 유전체로 적용되는 경우 높은 커버리지 값을 갖는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 시트는 90% 이상의 커버리지를 가질 수 있으며, 상기 나노 시트는 95% 이상, 98% 이상의 커버리지를 가질 수 있다. 커버리지가 전술한 범위 미만인 경우 유전체 박막 층이 하부 기판을 완벽하게 (예컨대 약 100% 커버리지) 커버하지 못하기 때문에 단층 적층 구조를 갖는 나이오베이트 유전체 박막을 소자에 적용하는 경우 누설 전류(leakage current)가 크게 발생할 수 있다.
한편, 상기 유전체 박막이 연료전지, 물분해 전극 등에 적용 되는 경우 전극의 표면을 완전히 덮어버리면 특성이 저하 될 가능성이 있으므로 90% 이하의 낮은 커버리지를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 나이오베이트 유전체 박막은 10 nm 이하의 두께에서 500 이상의 유전율을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 구현예에 따른 나이오베이트 유전체 박막은 우수한 유전 특성을 가지며 이에 적층 세라믹 캐패시터, 마이크로파 유전체, 차세대 TFT의 유전막 등에 적용될 수 있다.
나이오베이트 유전체 박막 제조 방법
본 발명에 따른 일 구현예에서, 복수의 본 발명의 일 구현예에 따른 나노 시트가 분산된 분산 용액을 전개하는 단계; 및 상기 전개된 나노 시트를 하부 기판 상에 증착시켜 나노 시트를 포함하는 유전체층을 형성하는 단계;를 포함하는, 나이오베이트 유전체 박막 제조 방법이 제공된다.
먼저, 복수의 나노 시트가 분산된 분산 용액을 전개시킬 수 있다.
예시적 구현예에서, 상기 분산 용액은 전술한 바와 같이 화학식 1로 표시되는 조성을 갖는 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노 시트가 분산된 분산 용액일 수 있다.
예를 들어, 페로브스카이트 구조의 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트가 분산된 불투명의 콜로이드 용액을 LB(Langmuir-Blodgett) 트러프에 채워진 초순수에 분산시킬 수 있다.
다음으로, 나노 시트를 하부 기판 상에 증착할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계는 용액 증착 공정을 통하여 수행될 수 있으며, 구체적으로 전기영동법, 랭뮤어-블로젯법, LBL법, 및 spin-coating 법 중 하나 이상의 공정으로 증착되는 것일 수 있다. 특히, Langmuir-Blodgett 법을 통하여 한층씩 정밀한 제어가 가능한 균일한 박막을 얻을 수 있는 조건을 제공할 수 있다.
또한 예를 들어, 유전체 나노시트 콜로이드를 아세톤 혹은 에탄올 등의 용액에 분산시켜 농도를 조절한 뒤 (+)극에는 하부전극 기판을 위치시키고 (-)극에는 상대전극으로 Pt plate를 위치시켜 DC power supply로 전계를 가하여 전기영동법으로 유전체 박막을 증착할 수 있다.
일 구현예에서, 증착에 앞서, 전개된 분산 용액을 5-20 분 간 안정화 시킬 수 있다. 이러한 안정화 과정을 통하여 분산 용액의 수면의 안정 및 하층액의 온도가 일정하게 되도록 할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계에서, 소정의 증착 압력을 유지하면서 하부 기판을 이동시켜 유전체층을 형성할 수 있다. 이와 같이 수직 방향으로 하부 기판을 이동시키는 경우 전개된 나노 시트가 하부 기판에 증착되게 되고, 그로 인하여 수면 상에 전개된 나노 시트의 증착 압력이 감소될 수 있으며, 증착 압력의 감소는 증착된 유전체층의 안정성을 해칠 수 있다. 이에 증착 압력을 유지하기 위하여 LB(Langmuir-Blodgett) 트러프에서 배리어를 소정의 이동 속도로 이동시키는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 증착 단계에서, 0.1-20 mm/min의 이동 속도를 가지는 양측의 배리어를 이용하여 분산 용액의 표면 압력을 원하는 증착 압력까지 도달시킬 수 있다. 배리어를 이동하여 증착 압력에 도달 한 이후에는 0.1-20 mm/min의 속도로 기판을 수직 또는 수평 하강시키며 양측에 있는 배리어 이동을 통하여 표면 압력을 유지시키면서 기판 표면으로 단층 막을 전이시킬 수 있다. 배리어의 이동 속도가 0.1 mm/min 미만인 경우 나노시트 입자의 안정성이 떨어져 표면에서 가라 앉아 원하는 압력에 도달하는데 시간이 오래 걸릴 수 있고, 20 mm/min 초과인 경우 너무 빠른 이동속도로 인하여 나노시트끼리 겹쳐지는 부분이 생길 수 있다.
일 구현예에서, 상기 증착 단계에서 증착 압력은 5-30 mN/m 범위로 유지될 수 있다. 증착 압력이 5 mN/m 미만인 경우 나노시트가 가스상(gas phase) 상태로 박막의 균일도가 떨어지며 10% 이하의 커버리지를 가지는 형태로 증착 될 수 있고, 30 mN/m 초과인 경우 액체 응축상(Liquid-condensed phase) 상태로 나노시트가 겹치는 부분이 많이 생겨 커버리지는 98% 이상으로 우수하지만 박막의 표면거칠기가 악화 될 수 있다.
예시적 구현예에서, 나노 시트를 증착시키는 단계는 수회 반복될 수 있으며, 이를 통하여 나노 시트 단일층인 유전체층을 복수로 포함하여 다층 적층 구조를 갖는 나이오베이트 유전체 박막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노 시트 증착 단계는 2회 이상 반복 수행되어 하부 기판이 노출되지 않도록 성막할 수 있다. 단층 적층 구조의 경우 유전체 박막 층이 하부 기판을 완벽하게 (예컨대 약 100% 커버리지) 커버하지 못하기 때문에 단층 적층 구조를 갖는 나이오베이트 유전체 박막을 소자에 적용하는 경우 누설 전류(leakage current)가 크게 발생할 수 있다.
한편, 증착에 앞서 하부 기판을 에탄올 및/또는 아세톤으로 세척한 뒤 UV를 조사하여 친수성 표면을 갖도록 표면처리할 수 있다. 나노 시트 박막의 증착은 공기-물 계면(air-water interface)에서 전이되므로 친수성 표면을 형성시켜 보다 우수한 접합 특성을 얻을 수 있다.
예시적 구현예에서, 증착 단계 이후, Pt 또는 Au 전극을 스퍼터링(sputtering)하여 증착하여 유전체 박막 커패시터, 박막 트랜지스터의 유전체 게이트 층에 필요로 하는 상부전극을 형성할 수 있다.
또한, UV-Ozone 또는 UV 처리를 통하여 유기물을 제거할 수 있다. 한편, 유기물의 제거를 위하여 나이오베이트 유전체 박막을 500 ℃ 이하에서 열처리할 수 있다.
따라서 본 발명의 구현예에 따른 나이오베이트 유전체 박막 제조 방법을 통하여 형성된 페로브스카이트 나노 시트 박막은 10 nm 이하의 박막 두께에서도 500 이상의 높은 비유전율을 가지며 우수한 절연특성 있기 때문에 기존의 고유전율 산화물 재료를 뛰어넘는 차세대 재료로 사용될 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 1] Sr 1 . 8 Bi 0 . 2 Nb 3 O 10 나노시트 제조( 하소 온도 900℃, 소결 온도 1200℃)
Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트는 화학적 박리법을 이용하여 얻어졌다. 나노시트를 얻기 위한 모조성으로 K2CO3, SrCO3, Bi2O3 및 Nb2O5를 이용하여 일반식 KSr1.8Bi0.2Nb3O10을 만족하는 조성비에 따라 칭량한 후 에탄올을 용매로 하여 지르코니아 볼과 함께 볼 밀 공정을 사용하여 습식혼합 후 100℃ 오븐에서 건조한 후 1200 ℃의 소결 온도를 선택하여 벌크 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10를 수득하였다. 이 때 수득 나노시트의 입자 크기를 조절하기 위해서는 소결 전 900 ℃ 에서 10 시간 동안 하소를 진행하여 모조성의 입자 크기를 조절하였다.
그 후 HNO3, HCl, H2SO4 등을 사용한 양이온 치환을 통하여 HSr2(1-x)Bi2xNb3O10 나이오베이트 조성물을 얻고 TBAOH, TMAOH 등의 유기 양이온 치환을 통하여 단결정의 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10 나이오베이트 유전체 나노시트 조성물을 얻었다. 구체적으로, K+ 이온이 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10층 사이에 삽입되어 층상구조를 가지고 있는 본 발명 KSr2(1-x)Bi2xNb3O10 시편을 산 용액에 수 일간 교반하여 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10층 사이에 존재하고 있는 K+ 이온을 H+ 이온으로 치환하고, 양이온성 유기물인 TBA+ 이온 용액에 수 일간 교반하여 벌크 시편을 콜로이드화시켜 Sr2(1-x)Bi2xNb3O10 단결정의 나노 시트로 박리하였다(도 1에서 '900-1200℃ synthesize').
콜로이드화 된 나노시트 박막을 고분해능 투과형 전자 현미경 관찰로 분석한 사진이 도 1에 나타나 있다. 도 1에 나타난 나노시트는 가로 및 세로 100 nm의 입자 크기를 갖지만 이것에 국한되지 않고 크게는 수 십 m의 입자크기를 가질 수 있다. 박리된 나노 시트는 두께가 5 nm 이하로 구성되며 입자의 가로 및 세로의 크기는 50 nm 에서 50 μm로 확인 되었다(도 1).
[실시예 2] Sr 1.8 Bi 0.2 Nb 3 O 10 나노시트 제조(소결 온도 1200℃)
소결 전 900 ℃ 에서 10 시간 동안 하소시키는 것을 생략한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 시트를 제조하였다(도 1에서 '1200℃ synthesize').
[ 실시예 3] Sr 1 . 8 Bi 0 . 2 Nb 3 O 10 나노시트 제조(소결 온도 1225℃, 1250℃, 1275℃, 1300℃)
소결 온도를 각각 1225℃, 1250℃, 1275℃, 및 1300℃으로 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 시트를 제조하였다.
[ 실시예 4] Langmuir - Blodgett 법을 통한 Sr 1 . 8 Bi 0 . 2 Nb 3 O 10 나이오베이트 유전체 단층 구조 박막 증착
실시예 1 및 2에서 제조된 나노 시트를 하부 기판 상에 증착하여 나이오베이트 유전체 박막을 제조하였다.
하부 전극 기판을 에탄올 및 아세톤으로 세척한 뒤 UV를 조사하여 친수성 표면을 갖도록 처리한다. 다음으로 페로브스카이트 구조의 Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10 나노시트가 분산된 불투명의 콜로이드 용액을 LB(Langmuir-Blodgett) 트러프에 채워진 초순수에 분산시켰다. 상기 분산 용액을 전개 후, 수면의 안정 및 하층액의 온도가 일정하게 되는 것을 목적으로 10분간 안정화 시간을 가진 후 Pt 하부 전극이 증착 된 Si 기판을 이용하여 수직 또는 수평 하강시키며 배리어는 양측에서 12 mN/m의 표면 압력을 유지시킬 만큼 0.1 mm/sec의 속도로 압축하여 기판 표면으로 단층 막을 전이 시켰다. 한편, 표면 압력은 Langmuir-blodgett 장비상에 달려있는 초 고감도 압력 센서로 표면 압력을 감지하여 측정하였으며, 압력 감지를 위해 백금 판과 함께 표준화 된 Wilhelmy 방법을 사용하였다.
도 2에 나타난 원자힘 현미경 분석을 통하여 하부 전극 위에 나노시트가 원자 레벨로 평평하고 치밀하게 증착 된 것을 확인할 수 있다. 또한 도 2의 오른쪽 그림인 단층막에 전계를 가하며 측정한 원자힘 현미경 사진을 통하여 비전도성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
[ 실시예 5] Langmuir - Blodgett 법을 통한 Sr 1 . 8 Bi 0 . 2 Nb 3 O 10 나이오베이트 유전체 다층 적층 구조 박막 증착
실시예 4의 증착 방법을 수 회 반복하여 다층 적층 구조를 갖는 페로브스카이트 나노 시트 박막을 제작하였고 제조된 박막에 남아있는 유기 폴리머는 UV 처리를 통하여 제거되었다. 그 후 상부전극으로 Pt 또는 Au 전극을 sputtering 법으로 증착하였다. 이렇게 제작한 유전체 소자의 투과전자현미경 사진을 도 3에 나타내었다.
[실험예 1] Sr 1.8 Bi 0.2 Nb 3 O 10 나이오베이트 유전체 박막의 유전 특성 측정
실시예 4의 나이오베이트 유전체 박막에서 남아있는 유기물 제거를 위하여 UVO 처리를 실행하였다. 그 후 상부전극으로 사용 될 Pt를 전자주사현미경 내에서 증착하였다.
제작 된 Pt/Sr1 . 8Bi0 . 2Nb3O10/Nb-SrTiO3 캐패시터의 단면 투과 전자 현미경 사진을 도 4 에 나타내었으며, 측정된 유전 특성을 도 6 에 나타내었다. 나노시트는 10 nm 이하의 두께에서도 500 이상의 우수한 유전특성과 우수한 유전손실 값을 나타내었다.
따라서 본 발명의 구현예에 따른 나이오베이트 유전체 박막은 10 nm 이하의 박막 두께에서도 500 이상의 높은 비유전율을 가지며 우수한 절연특성 있기 때문에 기존의 고유전율 산화물 재료를 뛰어넘는 차세대 재료로 사용될 수 있다.
[ 실험예 2] 소결 온도에 따른 Sr 1 . 8 Bi 0 . 2 Nb 3 O 10 나노 시트 모조성의 입자 크기 변화
실시예 3에서 제조된 나노 시트의 모조성을 주사 전자 현미경 관찰로 분석하였으며 그 결과를 도 5a 내지 5d에 도시하였다.
그 결과 소결 온도의 증가에 따라서 나노 시트의 입자 크기를 결정하는 나노 시트 모조성의 입자 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. Sr1.8Bi0.2Nb3O10 로 이루어지는 나노시트가 반복 적층되어 유전체 박막을 이루며,
    상기 유전체 박막의 표면거칠기는 0.1~3nm이며,
    상기 유전체 박막은 10nm 이하 두께에서 500 이상의 유전율을 나타내는 것을 특징으로 하는 나이오베이트 유전체 박막.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 나이오베이트 유전체 박막은 하부 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 나이오베이트 유전체 박막.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하부 기판은 전도성 페로브스카이트 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 전극, 및 산화물/금속/산화물 구조의 산화물 투명 전극으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나이오베이트 유전체 박막.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 나노 시트는 유전체층에서 90% 이상의 커버리지를 갖는 것을 특징으로 하는, 나이오베이트 유전체 박막.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
KR1020200166751A 2020-12-02 2020-12-02 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막 KR102558060B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200166751A KR102558060B1 (ko) 2020-12-02 2020-12-02 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막
JP2021193211A JP2022088333A (ja) 2020-12-02 2021-11-29 ニオベート誘電体を含むナノシートおよびこれを含む誘電体薄膜

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200166751A KR102558060B1 (ko) 2020-12-02 2020-12-02 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220077989A KR20220077989A (ko) 2022-06-10
KR102558060B1 true KR102558060B1 (ko) 2023-07-25

Family

ID=81982290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200166751A KR102558060B1 (ko) 2020-12-02 2020-12-02 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2022088333A (ko)
KR (1) KR102558060B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010161330A (ja) * 2008-12-08 2010-07-22 Hitachi Cable Ltd 圧電薄膜素子

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575667B1 (ko) * 2008-05-23 2015-12-08 코쿠리츠켄큐카이하츠호징 붓시쯔 자이료 켄큐키코 유전체 막과 유전체 소자 및 그 제조 방법
KR101398553B1 (ko) * 2013-01-29 2014-05-27 한국과학기술연구원 나이오베이트 유전체 조성물 및 이를 사용하는 나노시트 박막
KR101495093B1 (ko) * 2013-05-27 2015-03-09 한국과학기술연구원 고유전율과 저유전손실 특성을 가지는 비스무트 니오베이트 유전체 조성물
KR101522666B1 (ko) * 2013-12-16 2015-05-26 한국과학기술연구원 적층세라믹캐패시터 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010161330A (ja) * 2008-12-08 2010-07-22 Hitachi Cable Ltd 圧電薄膜素子

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220077989A (ko) 2022-06-10
JP2022088333A (ja) 2022-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101575667B1 (ko) 유전체 막과 유전체 소자 및 그 제조 방법
KR101398553B1 (ko) 나이오베이트 유전체 조성물 및 이를 사용하는 나노시트 박막
KR102325821B1 (ko) 2차원 페로브스카이트 소재, 이를 포함하는 유전체 및 적층형 커패시터
Kim et al. 2D perovskite nanosheets with thermally-stable high-κ response: A new platform for high-temperature capacitors
KR101425833B1 (ko) 층상 니오븀-함유 금속 산화물 나노콜로이드의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조된 층상 니오븀 산화물 나노콜로이드 및 상기 니오븀 산화물 나노콜로이드를 이용한 고유전체 박막의 제조방법
CN109928746B (zh) 陶瓷电介质、其制造方法、陶瓷电子组件和电子设备
Liu et al. Comprehensive dielectric performance of bismuth acceptor doped BaTiO 3 based nanocrystal thin film capacitors
KR102392041B1 (ko) 유전체, 그 제조 방법, 이를 포함하는 유전체 소자 및 전자 소자
Viruthagiri et al. Synthesis and characterization of pure and nickel doped SrTiO3 nanoparticles via solid state reaction route
CN113963951A (zh) 介电材料、其制备方法、包括其的器件、和存储器单元
TW201716317A (zh) 介電質薄膜、電容元件及電子構件
CN110828170A (zh) 多层陶瓷电容器
Koo et al. Stability of co-fired CuAg/(Bi0. 37Na0. 37Sr0. 26) TiO3 multilayer piezoelectric device
Zubair et al. Effect of processing temperature on structural, optical and frequency dependent electrical responses of solid-state sintered bismuth sodium titanate
KR102558060B1 (ko) 나이오베이트 유전체를 포함하는 나노시트 및 이를 포함하는 유전체 박막
JP5855159B2 (ja) 高誘電率と低誘電損失特性を持つニオブ酸ビスマス誘電体組成物
JP6368751B2 (ja) 銀置換ニオブ酸ストロンチウム誘電体組成物及びその製造方法
Dewi et al. The effect of heating rate on BaZrxTi1-xO3 thin film for x= 0.4 and x= 0.6 as capacitors
KR102417137B1 (ko) 유전 분산이 없는 칼슘 리튬 나이오베이트 유전체 조성물 및 그 제조방법
Lv et al. Microstructure and dielectric properties of Na and Ni co-substituted CaCu3Ti4O12 ceramics with high dielectric constant and low loss
Yim et al. Advances in dielectric performance of atomically engineered Sr1. 8Bi0. 2Nb3O10 perovskite nanosheet thin films
KR101572614B1 (ko) 나이오베이트 유전체 조성물 및 이를 사용하는 나노시트 박막
Shen et al. Fabrication of high-performance Ba0. 95Ca0. 05Ti0. 85Zr0. 15O3 ceramics by aqueous chemical coating method
KR102274761B1 (ko) 은이 치환된 스트론튬 나이오베이트 유전체 조성물 및 그 제조방법
Wang et al. Microstructure and dielectric properties of Nd doped CaCu 3 Ti 4 O 12 synthesized by sol–gel method

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant