KR19980063028A

KR19980063028A - 마이크로파용 온도보상형 유전체 세라믹 조성물

Info

Publication number: KR19980063028A
Application number: KR1019960082445A
Authority: KR
Inventors: 김효태; 김윤호; 노영호
Original assignee: 박원훈; 한국과학기술연구원
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 1998-10-07
Also published as: KR0178328B1

Abstract

본 발명에 따라 (Zn_1-xMg_x)Ti₂O₅(단, x는 0.10~0.50 임)의 조성을 갖는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물이 제공된다. 본 발명에 따른 조성물은, 1100 ~ 1500℃의 비교적 낮은 온도에서 소결되고, 소결조제 없이도 치밀한 미세구조와 우수한 마이크로파 유전특성을 가지며, 다양한 온도보상 범위를 가질 뿐 아니라 비교적 저렴한 금속산화물 원료만으로 구성된다는 특징을 갖는다.

Description

마이크로파용 온도보상형 유전체 세라믹 조성물

본 발명은 고주파용 유전체 자기 조성물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 본 발명은 특히 1 mol의 ZnO에 대해 2 mol의 TiO₂를 조합하여 얻은 ZnTi₂O₅를 기본 조성으로 하고, 여기서 Zn을 0.10~0.50 mol의 Mg로 치환하여 된, (Zn_1-xMg_x)Ti₂O₅(x=0.10~0.50)으로 구성되는 고주파용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.

최근 무선 전화기, 휴대용 전화 등 이동통신용 기기와 위성통신을 이용한 송수신기에 사용되는 전자부품에는 이용주파수의 고주파화, 소형화, 경량화가 요구되고 있다. 이에 따라 고주파 대응부품도 기존의 벌크(bulk)형에서 표면실장이 가능한 적층형 및 복합형으로 개발되어 대체해 나가고 있다.

일반적으로 세라믹 유전체는 전기회로에서 여러 가지 기능의 목적으로 사용되고 있는 바, 예를 들면 바이패싱(by-passing), 정합(coupling), 및 여과(filtering) 등이 그것이다. 그 중에서도 특히 온도보상용 세라믹 유전체는 정합회로, 대역여파기(filters) 및 공진기(resonators) 등의 고주파용 소자의 제조에 주로 사용되고 있다.

이러한 목적에 사용되기 위한 주요 전기적 특성으로는 높은 유전상수(dielectric constant : ε_r), 낮은 유전손실(dielectri loss : tanδ) 또는 높은 품질계수(quality factor : Q)와 낮은 정전용량 또는 공진주파수의 온도계수(temperature coefficient of capacitance 및/또는 resonant frequency : TCC 및/또는 τ_f)를 들 수 있는데, 그 외에도 높은 절연저항과 기계적 강도, 낮은 열팽창 계수 등이 요구된다. 실용상에서 타이밍, 튜닝과 같은 고주파 용도로 적합한 특성요소 중 무엇보다도 중요한 것은 높은 품질계수와 정전용량 또는 공진주파수의 안정성이다. 특히, 튜닝 회로에서 회로의 공진주파수는 온도, 습도, 전압 및 전류의 변화와 같은 회로 주변환경에 대한 대응 또는 보상이 요구된다 하겠다.

종래의 고주파용 유전체 조성인 바륨 티타네이트계(BaTi₄O₉, Ba₂Ti₉O₂₀, BaTi₅O₁₁), 변형 마그네슘 티타네이트계 [(Mg,Ca) TiO₃], ZST계 [(Zr,Sn)TiO₄], 바륨 페로브스카이트계 [Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃, Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃, Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃, Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃, (Ca,Sr,Br)ZrO₃계, (Ca,Sr)[(Li,Nb)Ti]O₃계 등은 소결온도가 적어도 1300~1600℃의 고온일 뿐만 아니라 소결조제를 첨가하지 않고는 소자로서 사용될 수 있는 충분한 기계적 강도와 유전특성을 갖는 치밀한 소결체를 얻을 수 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 1100~1200℃의 비교적 낮은 온도에서 소결되고, 소결조제가 없이도 치밀한 미세구조와 우수한 유전특성을 가지며, 다양한 온도보상 범위를 갖고, 비교적 값싼 금속 산화물 원료만으로 구성된 3성분계 조성(ternary composition)을 갖는 온도 보상용 마이크로파 유전체 조성을 제공하는데 있다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹의 조성을 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 1 mol의 산화아연 (ZnO)과 2 mol의 산화티탄 (TiO₂)를 조합하여 얻은 티탄산아연(ZnTi₂O₅)을 기본 조성으로 하고 있으며, 주요 유전특성으로는 유전율 19.61~52.36, 품질계수 1080~7620, 그리고 공진주파수의 온도계수 +120~-82 ppm/℃인 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 유전체 세라믹 조성물의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 즉, 출발물질로 시약급 (순도 99.9% 이상)의 산화아연(ZnO)과 산화티탄 (TiO₂), 산화마그네슘 (MgO)을 사용하였다. 각각의 산화물 분말을 칭량한 다음 탈이온수 (deionized water)와 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 습식분쇄를 하였다. 건조한 분말에 2 중량%의 PVA 바인더 수용액을 섞어 100 메쉬의 체 (sieve)로 거른 다음, 98 MPa의 압력으로 일축 가압성형하여 디스크 (disk)형 시편을 만들었다. 제조된 시편을 1050~1200℃에서 각각 4시간씩 대기 분위기에서 300℃/시간의 승온율로 소성하였다.

이같이 제조된 세라믹 유전체를 마이크로파 주파수 영역에서의 유전특성을 조사하기 위해 HP-8720C 네트워크 분석기를 사용하여 측정하였으며, 유전상수는 Hakki-Coleman의 유전체 공진기 (dielectric rod resonator)법으로 측정하여 TE₁₁공진모드의 공진주파수에서의 값을 계산하여 구하였다. 품질계수와 온도계수 (τ_f)는 투과형 공동공진기 (transmission open cavity)법으로 측정하였다.

이러한 마이크로파 유전특성에 의한 본 발명의 각 소결온도에 따른 유전상수와 품질계수 및 온도계수를 다음 표 1에 나타내었다.

[표 1]

(Zn_1-xMg_x)Ti₂O₅(x=0.10~0.50) 조성물의 마이크로파 유전특성

표 1에 나타난 바와 같이, 1100~1200℃의 소결온도 범위에서 x=0.00일 때 약 +200 ppm/℃에서 x의 양이 0.50까지 증가됨에 따라 음(-)의 값으로 변화됨을 알 수 있다. 특히, x=0.35~0.50에서는 1100~1150℃의 소성온도에서 온도계수가 +에서 -로 전이되는데, 이것은 Zn을 치환한 Mg에 의해 MgTiO₃상이 형성됨으로써 온도계수의 보상이 이루어지기 때문이다. MgTiO₃의 마이크로파 유전특성은 유전상수가 약 20, 온도계수가 약 -450 ppm/℃이므로, 이들이 혼합되어 소성될 때, 여러개의 상이 공존하는 복합체 (composite)를 형성함으로써, 그 물리적 특성은 소위 혼합법칙 (mixing rule)을 따르게 된다. 즉 온도계수가 +인 ZnTi₂O₅와 온도계수가 -인 MgTiO₃의 혼합으로 온도계수가 +에서 -로의 전이(온도보상성)를 나타내고, 유전상수의 경우도 MgO의 첨가에 따라 결국 유전상수가 낮은 MgTiO₃상의 양이 증가하여 약 53에서 20으로 낮아진다. 소결밀도와 기공율은 아르키메데스(Archimedes)법으로 측정하였으며, 소결밀도 3.619~4.666, 기공율은 6.93~0%의 치밀한 미세구조를 보였다. 또한, x=0.10 이하에서는 온도계수가 크고 (200 ppm/℃), 품질계수가 낮으며, x=0.50 이상에서는 온도계수가 0에서 음(-)으로 멀리 벗어난다. 더욱 x0.50 이상에서는 고온상인 MgTiO₃상이 증가하면서 시편에 균열이 발생하고, 소결특성이 저하되어 품질계수도 떨어졌다.

Claims

ZnTi₂O₅를 기본 조성으로 하고, Zn을 0.10~0.50 mol의 마그네슘으로 치환하여 된 (Zn_1-xMg_x)Ti₂O₅(단, x는 0.00~0.50 임)로 표시되는 고주파용 유전체 세라믹 조성물.