KR102598752B1 - 유전 복합체, 및 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자 - Google Patents
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Abstract
유전 복합체와 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자가 제공된다. 유전 복합체는 하기 화학식 1로 표현되는 1종 이상의 제1 유전재료, 및 하기 화학식 2로 표현되는 1종 이상의 제2 유전재료를 포함하되, 제1 유전재료는 1종 이상의 제1 결정구조를 가지고, 제2 유전재료는 상기 제1 결정구조와 다른 제2 결정구조를 가지며, 제1 유전재료와 상기 제2 유전재료는 서로 응집되어 있다.
화학식 1과 화학식 2 및 이에 대한 설명은 상세한 설명에 기재되어 있다.
화학식 1과 화학식 2 및 이에 대한 설명은 상세한 설명에 기재되어 있다.
Description
유전 복합체, 및 이를 포함하는 적층형 커패시터와 전자 소자에 관한 것이다.
적층 세라믹 콘덴서(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC)는 소형의 대용량 콘덴서 소자로, 유전체 자기 조성물과 내부 전극을 교번적으로 적층한 후, 동시 소성하여 제작한 전자 소자이다. 다만, 지속적인 전자 제품의 소형화, 박막화, 고용량화 요구에 따라, 기존 적층 세라믹 콘덴서 구조 대비 더욱 소형화, 박막화, 및 고용량화 가능한 콘덴서의 필요성이 증가하고 있다.
유전체의 용량은 비유전율에 비례하고 두께에 반비례하는 경향을 나타내므로, 적층 세라믹 콘덴서에 함유된 유전체 층의 두께를 최소한 축소하는 방안이 논의되고 있다. 그러나, 일반적으로 알려진 소재를 이용하여 유전체 층을 형성하는 경우, 유전체 층의 두께를 일정 수준 이상으로 축소하는 것에 한계가 있다.
비유전율과 비저항이 우수하고 유전손실이 낮으며, 상온 대비 비교적 고온의 환경에서도 우수한 신뢰성을 나타낼 수 있는 유전 복합체를 제공하고자 한다.
다른 구현예는 전술한 유전 복합체를 포함하는 적층형 커패시터와 전자 소자를 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 1종 이상의 제1 유전재료, 및 하기 화학식 2로 표현되는 1종 이상의 제2 유전재료를 포함하되, 상기 제1 유전재료는 1종 이상의 제1 결정구조를 가지고, 상기 제2 유전재료는 상기 제1 결정구조와 다른 제2 결정구조를 가지며, 상기 제1 유전재료와 상기 제2 유전재료는 서로 응집되어 있는, 유전 복합체가 제공된다.
[화학식 1]
A11 1-xA12 xB1 2O6
[화학식 2]
A21 2(1-y)A22 2yB2 2O7
화학식 1과 화학식 2에서, A11, A12, A21, A22는 각각 독립적으로, +2의 산화수를 가질 수 있는 금속원소의 군에서 선택된 1종 이상이되, A12는 A11보다 큰 이온반경을 가지고, A22는 A21보다 큰 이온반경을 가지며, B1과 B2는 각각 독립적으로, Nb, Ta, V, Zr, W, Mo, Cr 중에서 선택된 1종 이상이고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5이다.
상기 제1 결정구조는 단사정계(monoclinic) 결정구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제2 결정구조는 사방정계(orthorhombic) 결정구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 유전 복합체는 서로 다른 2종 이상의 결정 구조를 포함할 수 있다.
상기 유전 복합체는 서로 다른 3종 이상의 결정구조를 포함할 수 있다.
상기 유전 복합체의 총 몰수를 기준으로, 상기 제2 유전재료에 대한 상기 제1 유전재료의 몰비는 0.5 내지 2일 수 있다.
상기 +2의 산화수를 가질 수 있는 금속원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra을 포함할 수 있다.
상기 유전 복합체는 2 nm 내지 500 nm의 두께에서 20 내지 1500의 비유전율을 나타낼 수 있다.
상기 제1 유전재료는 서로 다른 결정구조를 갖는 유전재료 A와 유전재료 B를 포함할 수 있다.
상기 화학식 1은 0.2≤x≤0.5를 만족할 수 있다.
상기 유전 복합체의 총 몰수를 기준으로, 상기 유전재료 B는 0 몰% 내지 30 몰% 포함될 수 있다.
한편, 다른 일 구현예에서는 내부 전극과 유전체층이 교번적으로 적층된 구조를 갖는 적층형 커패시터(Multi-layered capacitor)로서, 상기 유전체층은 전술한 유전 복합체를 포함하는 적층형 커패시터가 제공된다.
상기 내부 전극과 상기 유전체층은 2 회 이상 교번적으로 적층되어 있을 수 있다.
상기 유전체층의 두께는 2 nm 내지 500 nm 일 수 있다.
한편, 유전 복합체를 포함하는 전자 소자가 제공될 수 있다.
상기 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor), 또는 에너지 저장용 커패시터일 수 있다.
비유전율과 비저항이 우수하고 유전손실이 낮으며, 상온 대비 고온의 환경에서도 우수한 신뢰성을 나타낼 수 있는 유전 복합체를 제공할 수 있다.
또한, 전술한 유전 복합체를 포함하여 유전 특성이 우수한 적층형 커패시터와 전자 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 미세 구조를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Image, SEM) 이미지이고,
도 2는 단일상으로 합성된 제1 유전재료의 SEM 이미지를, 도 3은 단일상으로 합성된 제2 유전재료의 SEM 이미지를 각각 나타낸 것이고,
도 4는 일 구현예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 나타낸 것이고,
도 5는 Sr1-xBaxNb2O6 분말의 바륨 함량 변화에 따른 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 3 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 단일상으로 합성된 제1 유전재료의 SEM 이미지를, 도 3은 단일상으로 합성된 제2 유전재료의 SEM 이미지를 각각 나타낸 것이고,
도 4는 일 구현예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 나타낸 것이고,
도 5는 Sr1-xBaxNb2O6 분말의 바륨 함량 변화에 따른 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 3 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 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.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낸다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
본 명세서에서, 층, 막, 영역, 판 등의 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 비유전율이란 상대 유전율을 의미하며, 진공의 유전율에 대한 다른 물질의 유전율의 비를 의미한다. 진공의 유전율은 8.854 X 10-12 F/m로 상수(constant)이다.
본 명세서에서 "입경"이라 함은 입자가 가질 수 있는 최대 크기를 의미한다. 예를 들어 입자가 타원형이나 이와 유사한 시트, 플레이트 침 형상 등 어느 한 축이 길게 연장된 형상을 갖는 경우는 장축의 길이를, 원형/구형인 경우는 지름의 길이를, 다각형 또는 부정형인 경우는 입자 경계의 임의의 두 점을 잇는 직선의 최장거리를 각각 의미하는 것이다.
또한, 본 명세서에서 입경에 관해서는, 계측법에 의해 수치화하여 집단의 평균 크기를 표현하는 방법이 있지만, 범용적으로 사용되는 것으로 분포의 최대값을 나타내는 모드 직경, 적분 분포 곡선의 중앙값에 상당하는 메디안 직경, 각종 평균 직경(수평균, 길이 평균, 면적 평균, 질량 평균, 체적 평균 등)등이 있고 본 발명에 있어서는 특별히 언급하지 않는 한 평균 입경이란 수평균 직경이고, D50(분포율이 50 % 되는 지점의 입경)을 측정한 것을 의미한다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 구현예에 따른 유전 복합체를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 미세 구조를 나타낸 주사전자현미경(Scanning Electron Image, SEM) 이미지이다.
일 구현예에 따른 유전 복합체는 서로 다른 유전재료들이 응집되어 복합화된 구조를 가지고 있다. 유전 복합체는 1종 이상의 제1 유전재료, 및 1종 이상의 제2 유전재료가 서로 응집되어 도 1에 도시된 바와 같은 유전 복합체를 구성하고 있다.
예를 들어, 일 구현예에 따른 유전 복합체는 2종 이상의 제1 유전재료 및/또는 2종 이상의 제2 유전재료가 서로 응집되어 복합화될 수도 있다.
일 구현예에 따른 유전 복합체는 전술한 제1 유전재료 또는 제2 유전재료를 단독으로 사용하는 경우 대비, 크게 향상된 비유전율 및 유전손실을 나타낼 수 있다. 이에 대해서는 실시예를 통해 후술하도록 한다.
한편, 제1, 제2 유전재료를 각각 단독으로 사용할 경우, 각 재료 고유의 큐리 온도(curie temperature)에 의해 특정 온도 조건을 만족하지 못할 경우 유전체의 성능이 크게 저하될 수 있다. 예를 들어, 유전물질로 일반적으로 사용되는 티탄산바륨계 유전물질의 경우, 강유전체 소재로서 비교적 우수한 비유전율을 나타내지만, 큐리 온도가 약 100 ℃ 내지 120 ℃ 정도이다. 따라서 이러한 티탄산바륨계 유전물질은 차량용 전장부품 등과 같이 비교적 고온이 요구되는 환경에서는 사용이 곤란하다.
반면, 일 구현예에 따른 유전 복합체는 서로 다른 제1, 제2 유전재료가 복합화된 유전 복합체이다. 따라서 제1, 제2 유전 재료가 서로 다른 큐리 온도를 갖더라도, 유전 복합체의 큐리 온도는 두 유전 재료 중 낮은 쪽의 큐리 온도보다는 높게 조절할 수 있다.
유전 복합체의 큐리 온도는 사용한 제1, 제2 유전재료들의 구체적인 종류, 유전 복합체 내 제1, 제2 유전재료 각각이 차지하는 몰분율 등을 조절함으로써 다양하게 조절할 수 있다.
즉, 예를 들어 제1 유전 재료로 큐리 온도가 약 25 ℃ 인 SrNb2O6계 유전재료를, 제2 유전재료로 큐리 온도가 약 1327 ℃인 Sr2Nb2O7계 유전재료를 사용할 경우, 이들이 복합화된 유전 복합체는 상기 제1/제2 유전재료의 종류, 몰비, 구체적인 용도에 따라 달라질 수 있으나, 적어도 80 ℃ 내지 200 ℃ 의 큐리 온도를 갖도록 조절될 수 있다.
이와 같이 일 구현예에 따른 유전 복합체를 이용할 경우, 유전체로서 우수한 비유전율 및 낮은 유전손실 특성을 갖는 동시에, 유전 복합체의 큐리 온도를 조절하기 용이하다. 따라서 일 구현예에 따른 유전 복합체는 상온 대비 비교적 고온의 환경(예를 들어 80 ℃ 이상, 예를 들어 100 ℃ 이상, 예를 들어 150 ℃ 이상, 예를 들어 80 ℃ 내지 200 ℃) 에서도 비유전율 저하 및/또는 유전손실 증가가 최소화될 수 있다. 즉, 일 구현예에 따르면 고온에 대한 신뢰성이 우수한 유전 복합체를 제공할 수 있다.
한편, 일 구현예에 따른 1종 이상의 제1 유전재료는 하기 화학식 1로 표현될 수 있고, 1종 이상의 제2 유전재료는 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
화학식 1과 화학식 2는 각각 다음과 같다.
[화학식 1]
A11 1-xA12 xB1 2O6
[화학식 2]
A21 2(1-y)A22 2yB2 2O7
화학식 1과 화학식 2에서, A11, A12, A21, A22는 각각 독립적으로, +2의 산화수를 가질 수 있는 금속원소의 군에서 선택된 1종 이상이되, A12는 A11보다 큰 이온반경을 가지고, A22는 A21보다 큰 이온반경을 가지며, B1과 B2는 각각 독립적으로, Nb, Ta, V, Zr, W, Mo, Cr 중에서 선택된 1종 이상이고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5이다.
즉, 제1 유전재료와 제2 유전재료는 A 원소의 위치에 각각 A12, A22가 치환되어 있는 것일 수 있다. 그러나, 일 구현예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, A12 및/또는 A22 가 존재하지 않을 수도 있다 (화학식 1 내지 화학식 2에서 x 및/또는 y 가 0인 경우).
일 구현예에서, 화학식 1과 화학식 2의 A 위치(A11, A12, A21, A22 )에 오는 금속 원소는 알칼리토금속 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 1종 이상의 제1 유전재료는 1종 이상의 제1 결정구조를 가질 수 있다. 일 구현예에서, 상기 제1 결정구조는 단사정계(monoclinic) 결정구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
일 구현예에서, 동종의 제1 유전재료는 같은 제1 결정구조를 가질 수 있다. 한편, 일 구현예에서, 이종(異種)의 제1 유전재료(예컨대, 화학식 1에서 x값이 상이한 경우)는 서로 다른 제1 결정구조를 가질 수 있다. 다만, 일 구현예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이종의 제1 유전재료를 갖더라도 서로 동일한 제1 결정구조를 가질 수도 있다.
한편, 일 구현예에 따른 1종 이상의 제2 유전재료는 제2 결정구조를 가질 수 있다. 일 구현예에서, 상기 제2 결정구조는 사방정계(orthorhombic) 결정 구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 구현예에서, 동종의 제2 유전재료는 같은 제2 결정구조를 가질 수 있으며, 이종(異種)의 제2 유전재료라 하더라도(예컨대, 화학식 2에서 y값이 상이한 경우라 하더라도), 서로 동일한 제2 결정구조를 가질 수 있다.
제1, 제2 유전재료가 각각 전술한 결정구조들을 갖는 경우, 유전 복합체는 적어도 서로 다른 2종 이상의 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 유전재료가 2종 이상의 제1 결정구조를 가질 경우, 유전 복합체는 적어도 서로 다른 3종 이상의 결정 구조를 가질 수도 있다.
이와 같이 제1, 제2 유전재료가 유전 복합체를 형성하고 있음에도, 유전 복합체는 서로 구별되는 2 이상의 결정 구조를 가지게 된다.
도 2는 단일상으로 합성된 제1 유전재료의 SEM 이미지를, 도 3은 단일상으로 합성된 제2 유전재료의 SEM 이미지를 각각 나타낸 것이다.
예컨대, 도 2와 도 3에 나타난 바와 같이 제1, 제2 유전재료가 단일상을 갖도록 형성할 경우, 제1 결정구조는 비교적 입체적으로 각이 진 입자 형상을 가지고 있고, 제2 결정구조는 비교적 납작한 판 형상의 입자 형상을 가지고 있다.
반면, 일 구현예에 따른 유전 복합체는 도 1에 나타난 바와 같이 도 2의 제1 입자 형상과 도 3의 제2 입자 형상이 혼재되어 있되, 각 입자들이 서로 응집되어 복합화된 것을 확인할 수 있다. 일 구현예에 따른 유전 복합체는 소결(열처리)을 통해 제1, 제2 유전 재료를 응집/복합화하더라도, 유전 복합체 내에서 제1, 제2 유전 재료 고유 결정 구조가 큰 변화를 이루지 않고 기존 고유 결정 구조를 유지하고 있을 수 있다. 그 결과, 유전 복합체가 서로 다른 2 이상의 결정 구조를 가질 수 있게 된다.
일 구현예에서, 제1 유전재료는 2종의 서로 다른 유전재료 (유전재료 A와 유전재료 B)를 포함할 수 있다. 상기 유전재료 A와 유전재료 B는 각각 서로 다른 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 유전재료 A가 단사정계 결정구조를 갖는 경우, 유전재료 B는 정방정계 결정구조 및/또는 사방정계 결정구조를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 각각 서로 다른 결정 구조를 갖는 유전재료 A와 유전재료 B를 갖기 위한 조건으로, 예를 들어 전술한 화학식 1에서 x의 범위를 0.2≤x≤0.5로 조절할 수도 있다.
일 구현예에서, 유전재료 B는 유전재료 A 보다 적게 함유되어 있을 수 있다. 즉, 유전재료 A는 제1 유전재료의 주 결정구조를 이루며, 유전재료 B는 미량 함유되어 부 결정구조를 이루고 있을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 유전재료 B는 유전 복합체 총 몰수를 기준으로, 예를 들어 0 (존재하지 않는 경우를 포함) 이상, 예를 들어 10 몰% 이상, 예를 들어 15 몰% 이상, 예를 들어 20 몰% 이상일 수 있고, 예를 들어 50 몰% 이하, 예를 들어 40 몰% 이하일 수 있으며, 예를 들어 0 내지 50 몰%, 예를 들어 0 내지 30 몰%, 예를 들어 10 몰% 내지 30 몰% 일 수 있다. 상기 유전재료 B가 유전 복합체에 대하여 전술한 범위 내로 포함될 경우, 유전재료 A와 함께 유전 복합체의 비유전율 향상에 기여할 수 있다.
유전 복합체 내 제1, 제2 유전재료의 몰비는 유전 복합체의 용도를 고려하여 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어 제1, 제2 유전재료 각각의 큐리 온도, 비유전율, 비저항, 유전손실 등을 고려하여 제1, 제2 유전재료의 몰비를 다양하게 조절할 수 있다.
한편, 일 구현예에 따른 유전 복합체의 총 몰수를 기준으로, 제2 유전재료에 대한 상기 제1 유전재료의 몰비는 예를 들어 0.25 이상, 예를 들어 0.3 이상, 예를 들어 0.4 이상, 예를 들어 0.5 이상일 수 있고, 예를 들어 4 이하, 예를 들어 3 이하. 예를 들어 2 이하일 수 있으며, 예를 들어 0.25 내지 4, 예를 들어 0.5 내지 2, 예를 들어 대략 1일 수 있다.
유전 복합체 내 제1, 제2 유전재료의 몰비가 전술한 범위를 만족할 경우, 유전 복합체가 제1, 제2 유전재료 각각의 유전 특성 대비 크게 향상된 비유전율 및 유전손실을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 유전 복합체는 예를 들어 1 마이크로미터 미만, 예를 들어 800 nm 이하, 예를 들어 600 nm 이하, 예를 들어 500 nm 이하, 예를 들어 400 nm 이하, 예를 들어 300 nm 이하, 예를 들어 100 nm 이하의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 2 nm 이상, 예를 들어 10 nm 이상, 예를 들어 20 nm 이상, 예를 들어 40 nm 이상의 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어 2 nm 이상 1 마이크로미터 미만, 예를 들어 2 nm 내지 500 nm, 예를 들어 2 nm 내지 100 nm 의 두께를 가질 수 있다.
전술한 두께 범위를 갖는 유전 복합체는 예를 들어 20 이상, 100 이상, 200 이상의 비유전율을 나타낼 수 있고, 예를 들어 1500 이하, 예를 들어 1000 이하의 비유전율을 나타낼 수 있으며, 예를 들어 20 내지 1500, 예를 들어 100 내지 1500, 예를 들어 200 내지 1500의 비유전율을 나타낼 수 있다.
유전 복합체가 전술한 바와 같은 두께를 갖는 경우, 전술한 바와 같이 유전체로서 요구되는 수준의 유전 특성을 나타내면서도 기존의 유전체 층 두께 이하의 두께를 가질 수 있다.
따라서, 일 구현예에 따른 유전 복합체를 이용할 경우, 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자를 소형화, 박막화, 고용량화할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 구현예에 따른 유전 복합체는 두께를 나노미터 수준으로 얇게 형성하더라도 일정 수준 이상의 유전 특성을 나타낼 수 있으며, 제1, 제2 유전재료의 몰비 조절 등을 통하여 큐리 온도, 및 유전 특성을 상세히 제어할 수 있다. 따라서, 일 구현예에 따른 유전 복합체를 이용할 경우, 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자를 소형화, 박막화, 고용량화할 수 있으며, 상온 대비 비교적 고온의 환경이 요구되는 다양한 분야에도 용이하게 적용할 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 일 구현예에 따른 유전 복합체를 포함하는 적층형 커패시터의 구성을 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 기본적으로 내부전극(12)과 유전체층(11)이 교번적으로 적층된 구조를 가지되, 유전체층(11)은 전술한 유전 복합체를 포함한다.
일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 내부 전극(12)과 유전체층(11)이 2 회 이상 교번적으로 적층되어 있을 수 있다. 이에 따라, 이웃하는 내부전극과 그 사이에 배치된 유전체층이 하나의 단위 커패시터로서 기능할 수 있다.
또한, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)의 경우, 내부 전극(12)과 유전체층(11)이 2 회 이상, 예를 들어 3 회 이상, 예를 들어 4 회 이상, 예를 들어 5 회 이상 교번적으로 적층되어 있을 수 있으며, 이에 따라 적층형 커패시터(1)는 내부의 단위 커패시터들간 병렬 배치 구조에 기인한 정전용량을 나타낼 수 있다.
내부전극(12)은 유전체층(11)의 면적보다 작은 면적을 가지도록 형성될 수 있다. 한편, 내부전극(12)들은 서로 동일한 면적을 가지되, 이웃하는 내부전극들끼리는 서로 완전히 덮히지 않고 도 4에 도시된 바와 같이 지그-재그 패턴으로 배치되어 적층될 수 있다.
유전체층(11)은 내부전극(12)의 면적보다 큰 면적을 가지도록 형성될 수 있으며, 이웃하는 유전체층들끼리는 서로 연결되어 도 4에 도시된 바와 같이 단면이 전체적으로 사행 형상(Serpentine Shape)을 이루고 있을 수 있다.
한편, 일 구현예에 따르면, 적층형 커패시터(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 유전체층(11)과 내부전극(12)이 이루는 적층 구조의 양 측면을 둘러싸고 있는 한 쌍의 외부전극(13)을 더 포함할 수 있다. 다만, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 외부전극을 생략하고 내부전극들을 상기 유전체층과 내부전극이 이루는 적층 구조 양 측으로 길게 연장하거나, 외부전극 없이 바로 내부전극에 전원을 연결하는 구조 등도 가능하다.
일반적으로 적층형 커패시터는 다수의 유전체층과 내부전극이 존재하며, 이 중 유전체층의 총 두께는 적층형 커패시터의 소형화, 박막화를 결정하는 중요한 요인이다. 그러나 기존 적층형 커패시터의 유전체층은 유전체 소재로 BaTiO3 등을 사용하게 되므로, 전술한 바와 같이 두께를 일정 수준 이하로 감소시키기 어렵고, 상온 대비 비교적 고온의 환경에서 사용이 어렵다.
따라서 기존 적층형 커패시터에서 유전체층의 총 두께를 박막화 할 경우, 유전체층 한 층 당 두께는 약 0.5 마이크로미터 정도가 한계이며, 약 80 ℃ 내지 200 ℃ 가량의 온도 환경에서 유전체의 신뢰성이 매우 낮다.
그러나, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)의 경우, 유전체층(11)이 전술한 유전 복합체를 포함하므로 유전체층(11) 한 층당 두께를 500 nm 이하, 예를 들어 400 nm 이하, 예를 들어 200 nm 이하, 예를 들어 100_ nm 이하, 예를 들어 40 nm 이하, 예를 들어 20 nm 이하로 형성할 수 있고, 예를 들어 약 2 nm 내지 약 500 nm, 예를 들어 약 2nm 내지 약 100 nm 수준까지도 박막화 할 수 있다.
상기 유전체층(11) 한 층당 두께를 상기 범위 수준으로 축소시키더라도, 유전체층(11) 한 층당 20 이상, 100 이상, 200 이상의 비유전율을 나타낼 수 있고, 예를 들어 1500 이하, 예를 들어 1000 이하의 비유전율을 나타낼 수 있으며, 예를 들어 20 내지 1500, 예를 들어 100 내지 1500, 예를 들어 200 내지 1500의 비유전율을 나타낼 수 있다.
즉, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 기존 유전체층을 이루는 소재의 한계를 넘어 유전체층(11) 한 층당 두께를 더욱 축소하고, 유전체층(11)의 큐리온도를 다양하게 제어할 수 있다. 따라서, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 대폭 향상된 정전 용량을 갖는 동시에, 약 80 ℃ 내지 200 ℃ 가량의 온도 환경을 요구하는 다양한 기술분야의 커패시터로 용이하게 적용 가능하다.
한편, 다른 구현예에 따르면 전술한 유전 복합체를 포함하는 전자 소자가 제공될 수 있다. 상기 전자 소자는 전술한 유전 복합체를 단일 층으로 구성할 수도 있고, 전술한 적층형 커패시터(1)와 같이 다중 층으로 구성할 수도 있다. 일 구현예에 따른 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor)와 같은 일종의 가변 저항의 기능을 수행하는 소자일 수도 있고, 에너지 저장용 커패시터일 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 기술적 내용을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 명세서의 권리 범위가 제한되어서는 아니된다.
실시예 1
(1) Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말의 합성
고상 합성법을 이용하여 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 -을 합성한다.
구체적으로, Sr, Ba, Nb가 전술한 조성을 만족하도록 SrCO3, BaCO3, 및 Nb2O5을 칭량한 후, 에탄올과 지르코니아 볼 미디어를 추가하여 24 시간 동안 볼 밀링 방법으로 혼합한다. 이후, 혼합물을 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 교반하면서 건조하여 분말을 얻고, 얻어진 분말을 알루미나 도가니에 투입하고 1200 ℃, 공기 분위기에서 하소한다. 이후, 도가니를 상온으로 냉각한 후 하소된 분말을 꺼내어 잘게 분쇄함으로써, 미분쇄된 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말을- 합성할 수 있다. 얻어진 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말은 전술한 도 2와 같은 미세 구조를 갖는다.
(2) Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말의 합성
Sr, Ba, Nb가 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 의 조성을 만족하도록 SrCO3, BaCO3, 및 Nb2O5 을 칭량하는 것을 제외하고는, 전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 - 합성법과 동일한 과정을 거쳐 미분쇄된 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을- 합성할 수 있다. 얻어진 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말은 전술한 도 3과 같은 미세 구조를 갖는다.
(3) 유전 복합체의 제조
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 2:1 의 몰비가 되도록 혼합한 후, 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 1400 ℃로 2 시간 동안 공기 분위기에서 소결함으로써 실시예 1에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 1에 따른 유전 복합체의 미세 구조는 전술한 도 1과 같다.
실시예 2
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 1:1 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법을 거쳐 실시예 2에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 3
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 1:2 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 방법을 거쳐 실시예 3에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 4
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr0.8Ba0.2Nb2O6 분말을, Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말 대신 Sr1.6Ba0.4Nb2O7 분말을 각각 제조한다.
이후, 제조된 Sr0.8Ba0.2Nb2O6 분말과 Sr1.6Ba0.4Nb2O7 분말을 2:1의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 4에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 5
전술한 Sr0.8Ba0.2Nb2O6 분말과 Sr1.6Ba0.4Nb2O7 분말을 1:1의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 5에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 6
전술한 Sr0.8Ba0.2Nb2O6 분말과 Sr1.6Ba0.4Nb2O7 분말을 1:2의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 6에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 7
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr0.7Ba0.3Nb2O6 분말을, Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말 대신 Sr1.4Ba0.6Nb2O7 분말을 각각 제조한다.
이후, 제조된 Sr0.7Ba0.3Nb2O6 분말과 Sr1.4Ba0.6Nb2O7 분말을 2:1의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 7에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 8
전술한 Sr0.7Ba0.3Nb2O6 분말과 Sr1.4Ba0.6Nb2O7 분말을 1:1의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 8에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 9
전술한 Sr0.7Ba0.3Nb2O6 분말과 Sr1.4Ba0.6Nb2O7 분말을 1:2의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 9에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 10
(1) SrNb2O6 분말의 합성
고상 합성법을 이용하여 SrNb2O6 -을 합성한다.
구체적으로, Sr, 및 Nb가 전술한 조성을 만족하도록 SrCO3, 및 Nb2O5을 칭량한 후, 에탄올과 지르코니아 볼 미디어를 추가하여 24 시간 동안 볼 밀링 방법으로 혼합한다. 이후, 혼합물을 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 교반하면서 건조하여 분말을 얻고, 얻어진 분말을 알루미나 도가니에 투입하고 1200 ℃, 공기 분위기에서 하소한다. 이후, 도가니를 상온으로 냉각한 후 하소된 분말을 꺼내어 잘게 분쇄함으로써, 미분쇄된 SrNb2O6 -분말을- 합성할 수 있다.
(2) Sr2Nb2O7 분말의 합성
Sr, Nb가 Sr2Nb2O7 의 조성을 만족하도록 SrCO3, 및 Nb2O5을 칭량하는 것을 제외하고는, 전술한 SrNb2O6 -합성법과 동일한 과정을 거쳐 미분쇄된 Sr2Nb2O7 분말을- 합성할 수 있다.
(3) 유전 복합체의 제조
전술한 SrNb2O6 분말과 Sr2Nb2O7 분말을 2:1 의 몰비가 되도록 혼합한 후, 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 dry 1% H2/N2 (N2 1L, H2 10cc) 분위기에서 1250 ℃로2 시간 동안 환원한 다음, Air 분위기에서 900 ℃로 2 시간 동안 재산화함으로써, 실시예 10에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 11
전술한 SrNb2O6 분말과 Sr2Nb2O7 분말을 1:1 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 10과 동일한 과정을 거쳐 실시예 11에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 12
전술한 SrNb2O6 분말과 Sr2Nb2O7 분말을 1:2 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 10과 동일한 과정을 거쳐 실시예 12에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 13
(1) Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말의 합성
고상 합성법을 이용하여 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 -을 합성한다.
구체적으로, Sr, Ba, Nb가 전술한 조성을 만족하도록 SrCO3, BaCO3, 및 Nb2O5을 칭량한 후, 에탄올과 지르코니아 볼 미디어를 추가하여 24 시간 동안 볼 밀링 방법으로 혼합한다. 이후, 혼합물을 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 교반하면서 건조하여 분말을 얻고, 얻어진 분말을 알루미나 도가니에 투입하고 1200 ℃, 공기 분위기에서 하소한다. 이후, 도가니를 상온으로 냉각한 후 하소된 분말을 꺼내어 잘게 분쇄함으로써, 미분쇄된 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말을- 합성할 수 있다.
(2) Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말의 합성
Sr, Ba, Nb가 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 의 조성을 만족하도록 SrCO3, BaCO3, 및 Nb2O5을 칭량하는 것을 제외하고는, 전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 - 합성법과 동일한 과정을 거쳐 미분쇄된 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을- 합성할 수 있다.
(3) 유전 복합체의 제조
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 2:1 의 몰비가 되도록 혼합한 후, 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 dry 1% H2/N2 (N2 1L, H2 10cc) 분위기에서 1250 ℃로2 시간 동안 환원한 다음, Air 분위기에서 900 ℃로 2 시간 동안 재산화함으로써, 실시예 13에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 14
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 1:1 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 13과 동일한 과정을 거쳐 실시예 14에 따른 유전 복합체를 제조한다.
실시예 15
전술한 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말과 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 1:2 의 몰비가 되도록 혼합하는 것을 제외하고는 전술한 실시예 13과 동일한 과정을 거쳐 실시예 15에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 1
Sr 과 Nb가 SrNb2O6 의 조성을 만족하도록 SrCO3과 Nb2O5을 칭량하는 것을 제외하고는, 전술한 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 미분쇄된 SrNb2O6 분말을 얻는다.
얻어진 SrNb2O6 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 1400 ℃로 2 시간 동안 공기 분위기에서 소결함으로써 비교예 1에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 2
Sr 과 Nb가 Sr2Nb2O7 의 조성을 만족하도록 SrCO3과 Nb2O5을 칭량하는 것을 제외하고는, 전술한 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 미분쇄된 Sr2Nb2O7 분말을 얻는다.
얻어진 Sr2Nb2O7 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 1400 ℃로 2 시간 동안 공기 분위기에서 소결함으로써 비교예 2에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 3
실시예 1 제조 과정 중에서 얻어지는 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 1400 ℃로 2 시간 동안 공기 분위기에서 소결함으로써 비교예 3에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 4
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 비교예 4에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 5
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr0.8Ba0.2Nb2O6분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 비교예 5에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 6
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr1.6Ba0.4Nb2O7 분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 비교예 6에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 7
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr0.7Ba0.3Nb2O6분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 비교예 7에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 8
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr1.4Ba0.6Nb2O7 분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 3과 동일한 과정을 거쳐 비교예 8에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 9
실시예 10 제조 과정 중에 얻어지는 SrNb2O6 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 dry 1% H2/N2 (N2 1L, H2 10cc) 분위기에서 1250 ℃로2 시간 동안 환원한 다음, Air 분위기에서 900 ℃로 2 시간 동안 재산화함으로써, 비교예 9에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 10
실시예 10 제조 과정 중에 얻어지는 Sr2Nb2O7 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 dry 1% H2/N2 (N2 1L, H2 10cc) 분위기에서 1250 ℃로2 시간 동안 환원한 다음, Air 분위기에서 900 ℃로 2 시간 동안 재산화함으로써, 비교예 10에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 11
실시예 13 제조 과정 중에서 얻어지는 Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말을 직경 10 mm 의 다이에 투입한 후, 250 MPa, 3 분 조건으로 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 수행하여 펠렛 형상으로 성형한다.
이후, 성형된 펠렛을 dry 1% H2/N2 (N2 1L, H2 10cc) 분위기에서 1250 ℃로2 시간 동안 환원한 다음, Air 분위기에서 900 ℃로 2 시간 동안 재산화함으로써, 비교예 11에 따른 유전 복합체를 제조한다.
비교예 12
Sr0.9Ba0.1Nb2O6 분말 대신 Sr1.8Ba0.2Nb2O7 분말을 이용하여 펠렛 성형 및 소결을 진행하는 것을 제외하고는 전술한 비교예 11과 동일한 과정을 거쳐 비교예 12에 따른 유전 복합체를 제조한다.
평가 1: Sr
1-x
Ba
x
Nb
2
O
6
분말의 결정 구조 분석
비교예 1(x=0), 실시예 1(x=0.1), 실시예 4(x=0.2), 실시예 7(x=0.3)에 따른 유전 복합체 제조 과정에서 각각 얻을 수 있는 Sr1-xBaxNb2O6 분말에 대하여, X선 회절 분석 장치를 이용하여 각 분말의 결정 구조를 분석한다.
도 5는 Sr1-xBaxNb2O6 분말의 바륨 함량 변화에 따른 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면, 전술한 화학식 1에서 A 위치를 기준으로 바륨을 함유하지 않는 경우의 회절 피크는, 바륨을 x=0.1 몰비 또는 x=0.2 몰비만큼 포함하는 경우의 회절 피크와 실질적으로 동일한 것을 확인할 수 있다. 상기 회절 피크로부터 얻을 수 있는 결정 구조는 P21/c (14)의 단사정계 결정 구조이다.
한편, 바륨을 x=0.3 몰비만큼 포함할 경우, 전술한 회절 피크와 유사한 피크를 갖되, 추가로 도 5의 화살표로 표시된 회절 피크들이 더 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 5의 화살표 표시된 회절 피크로부터 얻을 수 있는 결정 구조는 P4bm (100)의 정방정계 결정 구조이다.
이를 통해, 중간체인 Sr1-xBaxNb2O6 내에서 바륨의 함량을 변화시킴에 따라 서로 다른 2종 이상의 결정 구조를 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
평가 2: 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 3 내지 비교예 4에 따른 유전복합체의 결정 구조 분석
실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 3 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체 각각에 대하여 X선 회절 분석 장치를 이용하여 각 분말의 결정 구조를 분석한다.
도 6은 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 3 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
우선 비교예 3과 비교예 4에 따른 유전 복합체는 각각 도 6에 나타난 바와 같은 회절 피크를 갖는다. 한편, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 유전 복합체는 비교예 3과 비교예 4의 회절 피크를 합친 회절 피크의 개형을 나타낸다. 이를 통해, 실시예 1 내지 실시예 3의 유전 복합체는 Sr1-xBaxNb2O6 로부터 유래하는 제1 결정구조와 Sr2(1-y)Ba2yNb2O7로부터 유래하는 제2 결정구조를 모두 가지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 순으로 Sr2(1-y)Ba2yNb2O7 함량이 점차 증가함에 따라, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에서 Sr2(1-y)Ba2yNb2O7 에 해당하는 회절 피크의 강도가 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다.
평가 3: 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체의 유전 특성 분석
실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 유전 복합체 각각에 대하여, 1 kHz의 주파수에서의 비유전율, 1 kHz의 주파수에서의 유전손실, 200 V의 전압 인가 시의 비저항을 각각 측정한 후, 하기 표 1에 나타낸다.
| 비유전율 (@ 1kHz) |
유전손실 (tanδ, @ 1kHz) |
비저항 (ohm·cm, @ 200V) |
|
| 실시예 1 | 56 | 0.07 | 3.0 x 1010 |
| 실시예 2 | 87 | 0.07 | 1.1 x 1011 |
| 실시예 3 | 161 | 0.01 | 6.0 x 1011 |
| 비교예 1 | 26 | 0.05 | 1.3 x 1011 |
| 비교예 2 | 44 | 0.11 | 4.7 x 1010 |
| 비교예 3 | 28 | 0.03 | 7.8 x 1010 |
| 비교예 4 | 45 | 0.09 | 2.2 x 1010 |
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 유전 복합체는 바륨이 치환되지 않은 비교예 1, 비교예 2 각각은 물론, 실시예들과 같은 몰비로 바륨이 치환된 비교예 3, 비교예 4와 비교하더라도 높은 비유전율 및 우수한 비저항을 나타내며, 유전손실 또한 낮은 수준임을 확인할 수 있다.
평가 4: 실시예 4 내지 실시예 6과 비교예 5 내지 비교예 6에 따른 유전 복합체의 유전 특성 분석
실시예 4 내지 실시예 6과 비교예 5 내지 비교예 6에 따른 유전 복합체 각각에 대하여, 전술한 평가 3에서와 동일한 기준으로 비유전율, 유전손실, 비저항을 각각 측정한 후, 하기 표 2에 나타낸다.
| 비유전율 (@ 1kHz) |
유전손실 (tanδ, @ 1kHz) |
비저항 (ohm·cm, @ 200V) |
|
| 실시예 4 | 658 | 0.03 | 3.0 x 1011 |
| 실시예 5 | 336 | 0.02 | 2.3 x 1011 |
| 실시예 6 | 171 | 0.03 | 1.5 x 1011 |
| 비교예 5 | 119 | 0.04 | 6.6 x 1010 |
| 비교예 6 | 55 | 0.31 | 5.3 x 109 |
표 2를 참고하면, 실시예 4 내지 실시예 6에 따른 유전 복합체는 실시예들과 같은 몰비로 바륨이 치환된 비교예 5, 비교예 6와 비교하더라도 매우 높은 비유전율과 비저항, 및 낮은 유전손실을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 4 내지 실시예 6으로부터, Sr1-xBaxNb2O6 과 Sr2(1-y)Ba2yNb2O7의 몰비를 조절함으로써 비교예 대비 최대 12 배 가량의 비유전율 향상 효과, 최대 57 배 가량의 비저항 향상 효과가 있음을 확인할 수 있다.
평가 5: 실시예 7 내지 실시예 9와 비교예 7 내지 비교예 8에 따른 유전 복합체의 유전 특성 분석
실시예 7 내지 실시예 9와 비교예 7 내지 비교예 8에 따른 유전 복합체 각각에 대하여, 전술한 평가 3에서와 동일한 기준으로 비유전율, 유전손실, 비저항을 각각 측정한 후, 하기 표 3에 나타낸다.
| 비유전율 (@ 1kHz) |
유전손실 (tanδ, @ 1kHz) |
비저항 (ohm·cm, @ 200V) |
|
| 실시예 7 | 696 | 0.03 | 8.1 x 1010 |
| 실시예 8 | 356 | 0.03 | 4.4 x 1010 |
| 실시예 9 | 178 | 0.04 | 6.2 x 1011 |
| 비교예 7 | 189 | 0.07 | 1.8 x 1011 |
| 비교예 8 | 67 | 0.39 | 1.3 x 109 |
표 3을 참고하면, 실시예 7 내지 실시예 9에 따른 유전 복합체는 실시예들과 같은 몰비로 바륨이 치환된 비교예 7, 비교예 8과 비교하더라도 매우 높은 비저항 및 낮은 유전손실을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 7 내지 실시예 9로부터, Sr1-xBaxNb2O6 과 Sr2(1-y)Ba2yNb2O7의 몰비를 조절함으로써 비교예 대비 최대 10 배 가량의 비유전율 향상 효과, 최대 62 배 가량의 비저항 향상 효과가 있음을 확인할 수 있다.한편, 전술한 표 1, 표 2와 표 3을 함께 참고할 경우, 유전 복합체 내 바륨의 몰비가 증가할수록 비유전율이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 바륨 몰비가 전체 몰수 대비 30 몰%인 실시예 7 내지 실시예 9의 경우 주 상으로 SrNb2O6로 표현되는 상과, 보조 상으로 Sr0.744Ba0.247Nb2O6으로 표현되는 보조 상이 함께 형성된다. 이에 따라, 유전 복합체 내 바륨 몰비는 유전 복합체의 비유전율 향상에 기여함을 알 수 있다.
평가 6: 실시예 10 내지 실시예 12와 비교예 9 내지 비교예 10에 따른 유전 복합체의 유전 특성 분석
실시예 10 내지 실시예 12와 비교예 9 내지 비교예 10에 따른 유전 복합체 각각에 대하여, 전술한 평가 3에서와 동일한 기준으로 비유전율, 유전손실, 비저항을 각각 측정한 후, 하기 표 4에 나타낸다.
| 비유전율 (@ 1kHz) |
유전손실 (tanδ, @ 1kHz) |
비저항 (ohm·cm, @ 200V) |
|
| 실시예 10 | 74 | 0.76 | 2.7 x 109 |
| 실시예 11 | 73 | 0.98 | 2.4 x 109 |
| 실시예 12 | 64 | 0.88 | 1.0 x 109 |
| 비교예 9 | 17 | 0.2 | 1.0 x 1010 |
| 비교예 10 | 41 | 0.59 | 2.3 x 109 |
표 4를 참고하면, 유전 복합체가 바륨을 포함하지 않는 실시예 10 내지 실시예 12의 경우에도, 비교예 9, 비교예 10 대비 비유전율이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 표 4의 결과로부터, 바륨을 포함하지 않는 유전 복합체의 경우에도 우수한 비유전율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
평가 7: 실시예 13 내지 실시예 15와 비교예 11 내지 비교예 12에 따른 유전 복합체의 유전 특성 분석
실시예 13 내지 실시예 15와 비교예 11 내지 비교예 12에 따른 유전 복합체 각각에 대하여, 전술한 평가 3에서와 동일한 기준으로 비유전율, 유전손실, 비저항을 각각 측정한 후, 하기 표 5에 나타낸다.
| 비유전율 (@ 1kHz) |
유전손실 (tanδ, @ 1kHz) |
비저항 (ohm·cm, @ 200V) |
|
| 실시예 13 | 225 | 0.26 | 2.4 x 109 |
| 실시예 14 | 164 | 0.31 | 2.0 x 109 |
| 실시예 15 | 102 | 0.37 | 2.0 x 109 |
| 비교예 11 | 32 | 0.33 | 9.1 x 109 |
| 비교예 12 | 38 | 0.56 | 3.0 x 109 |
표 5를 참고하면, 실시예 13 내지 실시예 15에 따른 유전 복합체의 경우, 전술한 실시예 1 내지 실시예 3과 열처리 조건을 달리하더라도 실시예 1 내지 실시예 3과 마찬가지로 비교예들 대비 우수한 비유전율, 유전손실, 및 비저항 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.
1: 적층형 커패시터 11: 유전체층
12: 내부 전극 13: 외부전극
12: 내부 전극 13: 외부전극
Claims (16)
- 하기 화학식 1로 표현되는 1종 이상의 제1 유전재료, 및
하기 화학식 2로 표현되는 1종 이상의 제2 유전재료를 포함하되,
상기 제1 유전재료는 1종 이상의 제1 결정구조를 가지고, 상기 제2 유전재료는 상기 제1 결정구조와 다른 제2 결정구조를 가지며,
상기 제1 유전재료와 상기 제2 유전재료는 서로 응집되어 있는, 유전 복합체:
[화학식 1]
A11 1-xA12 xB1 2O6
[화학식 2]
A21 2(1-y)A22 2yB2 2O7
화학식 1과 화학식 2에서,
A11, A12, A21, A22는 각각 독립적으로, +2의 산화수를 가질 수 있는 금속원소의 군에서 선택된 1종 이상이되, A12은 A11보다 큰 이온반경을 가지고, A22는 A21보다 큰 이온반경을 가지며,
B1과 B2는 각각 독립적으로, Nb, Ta, V, Zr, W, Mo, Cr 중에서 선택된 1종 이상이고,
0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5이다. - 제1항에서,
상기 제1 결정구조는 단사정계(monoclinic) 결정구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나 이상인, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 제2 결정구조는 사방정계(orthorhombic) 결정 구조, 및 정방정계(tetragonal) 결정구조 중에서 선택된 어느 하나인, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 유전 복합체는 서로 다른 2종 이상의 결정 구조를 포함하는, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 유전 복합체는 서로 다른 3종 이상의 결정구조를 포함하는, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 유전 복합체의 총 몰수를 기준으로, 상기 제2 유전재료에 대한 상기 제1 유전재료의 몰비는 0.5 내지 2인, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 +2의 산화수를 가질 수 있는 금속원소는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra을 포함하는, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 유전 복합체는 2 nm 내지 500 nm의 두께에서 20 내지 1500의 비유전율을 나타내는, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 제1 유전재료는 서로 다른 결정구조를 갖는 유전재료 A와 유전재료 B를 포함하는, 유전 복합체. - 제1항에서,
상기 화학식 1은 0.2≤x≤0.5를 만족하는, 유전 복합체. - 제9항에서,
상기 유전 복합체의 총 몰수를 기준으로, 상기 유전재료 B는 0 몰% 내지 30 몰% 포함되는, 유전 복합체. - 내부 전극과 유전체층이 교번적으로 적층된 구조를 갖는 적층형 커패시터(Multi-layered capacitor)로서,
상기 유전체층은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 유전 복합체를 포함하는, 적층형 커패시터. - 제12항에서,
상기 내부 전극과 상기 유전체층은 2 회 이상 교번적으로 적층되어 있는, 적층형 커패시터. - 제12항에서,
상기 유전체층의 두께는 2 nm 내지 500 nm 인, 적층형 커패시터. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 유전 복합체를 포함하는, 전자 소자.
- 제15항에서,
상기 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor), 또는 에너지 저장용 커패시터인, 전자 소자.
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2019
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Also Published As
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