KR19980076285A

KR19980076285A - 유전체 세라믹 조성물

Info

Publication number: KR19980076285A
Application number: KR1019970012938A
Authority: KR
Inventors: 이효종
Original assignee: 이효종
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-11-16
Also published as: CN1195651A; JPH1135373A; DE19816138C2; DE19816138A1; CN1070828C; JP2934639B2; US5985781A; KR100199301B1

Abstract

일반식 yMgTa_2-xO_6-5/2x+ (1-y)ZnNb₂O₆+ wC로 표시되며, 0≤x≤0.8, 0.1≤y≤1, 그리고 0≤w≤2중량% 범위의 값을 가지며 C는 Sb₂O₅, CuO, ZnO, NiO, MgO, SrCO₃, BaCO₃, WO₃, TiO₂중에서 선택된 적어도 1종임을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물이 개시된다. 이 유전체 조성물은 유전율이 20∼30 정도의 비교적 작은 값을 나타내며 품질계수 값은 지금까지 특성이 우수한 것으로 알려진 복합 페로브카이트 구조의 Ba(Zn,Ta)O₃계와 비슷한 수준을 유지하면서도 소결특성은 훨씬 우수한 것으로 확인되어 10GHz 이상의 높은 주파수 대역에서의 유전체 공진기로의 사용에 특히 적합한 잇점이 있다.

Description

유전체 세라믹 조성물

본 발명은 유전체 세라믹 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들어, 10GHz 이상의 마이크로파 대역에서 작동되는 유전체 공진기와 같은 마이크로파 디바이스용 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.

최근들어 이동 통신 및 위성 방송 등의 정보 통신 기기의 이용 확대로 마이크로파를 이용하는 유전체 세라믹 소자에 대한 관심이 고조되고 있다. 특히 이동 통신 매체로서는 자동차 전화, 무선 전화, 페이저, GPS(Global Positioning System) 등을 들 수 있는데, 마이크로파용 유전체 세라믹은 이들 시스템에서 유전체 공진기로서 사용된다. 유전체 공진기를 마이크로파 영역에서 사용하기 위해서는 디바이스의 소형화를 위해서 고유전율, 고Q값, 그리고 저공진 주파수 온도계수 등과 함께 소결특성이 우수하여야 한다.

이러한 요구에 부응하기 위하여, 일반식 B'B₂O₆(B'은 Mg, Ca, Co, Mn, Ni, Zn 중에서 선택된 적어도 어느 일종의 금속이고, B은 Nb, Ta 중에서 선택된 어느 일종의 금속)으로 이루어지는 새로운 유전체 세라믹 조성물이 본 발명자에 의하여 한국특허출원 제 97-1942 호로 이미 제안된 바 있다.

그러나, 최근에는 유전체의 응용범위가 확대되면서 위성방송이나 위성통신용으로 이용되는 10GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 사용가능한 신뢰성 높은 유전체 세라믹 조성물에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이처럼 높은 주파수 영역에서 사용되는 유전체는 약 20∼30 정도의 비교적 낮은 유전율과 낮은 공진주파수 온도계수와 함께 무엇보다도 높은 품질계수값을 가지는 유전특성과 함께 양호한 소결특성을 요구한다.

본 발명자는 이러한 점에 착안하여 이미 제안된 바 있는 일반식 B'B₂O₆(B'은 Mg, Ca, Co, Mn, Ni, Zn 중에서 선택된 적어도 어느 일종의 금속이고, B은 Nb, Ta 중에서 선택된 어느 일종의 금속)로 표시되는 유전체 세라믹 조성물 중 특히 B'이 Mg인 경우에 관하여 예의 연구를 거듭한 결과 10GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 신뢰성 높은 유전특성을 나타낸다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 10GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 사용할 수 있는 특히 높은 품질계수를 갖는 유전체 세라믹 조성물을 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 일반식 yMgTa_2-xO_6-5/2x+ (1-y)ZnNb₂O₆+ wC로 표시되는 조성물이 제공된다. 여기서, x는 0∼0.8, y는 0.1∼1.0 값을 가지며 w는 0∼2.0중량% 그리고 C는 Sb₂O₅, CuO, ZnO, NiO, MgO, SrCO₃, BaCO₃, WO₃, TiO₂중에서 선택된 적어도 1종의 산화물이다.

본 발명에서 비화학양론적 관계를 가지는 마그네슘 탄탈레이트 화합물을 기본조성으로 채택한 이유는 첫째, 본 발명자의 연구에 의하면 B'B₂O₆계 유전체 세라믹 조성물 가운데 마그네슘 탄탈레이트와 ZnNb₂O₆화합물이 특히 우수한 유전특성을 나타내고 있는데, 그 중에서 마그네슘 탄탈레이트의 경우가 유전율이 상대적으로 낮은 반면 품질계수는 더 큰 값을 나타내고 있기 때문이며, 둘째 MgO-Ta₂O₅상태도상에서 생성가능한 화합물은 MgTa₂O₆와 Mg₄Ta₂O₉의 2종인데 Mg₄Ta₂O₉화합물이 우수한 유전특성을 나타내고 있지만 소결성에 문제가 있어 MgTa₂O₆와 Mg₄Ta₂O₉의 혼합물(mixture)을 형성함으로써 소결특성을 향상시킴과 동시에 본 발명에서 소망하는 유전특성을 가진 유전체 세라믹 조성물을 얻기 위함이다.

한편, 공진주파수 온도계수를 조절할 목적으로 이미 본 발명자에 의해 확인된 바 있는 우수한 유전특성을 갖는 ZnNb₂O₆를 첨가하였으며, 아울러 유전체 세라믹 조성물의 유전특성을 향상시키거나 소결온도를 낮출 목적으로 일반적으로 첨가되는 Sb₂O₅, CuO, ZnO, NiO, MgO, SrCO₃, BaCO₃, WO₃, TiO₂중에서 선택된 적어도 1종 이상의 화합물을 첨가하였다.

본 발명에서 x의 값을 한정한 이유는 x가 0.8을 초과할 경우 소결온도가 높아지며 유전율이 지나치게 작게 되는 문제점이 있으며, y의 값을 한정한 이유는 y의 값이 0.1 미만으로 될 경우 마그네슘 탄탈레이트의 몰분율이 지나치게 작게 되어 품질계수값의 상승에 대한 효과를 실질적으로 기대할 수 없게 된다. 그리고, w의 값을 제한한 이유는 첨가제의 첨가량이 0.2중량%를 초과하게 되면 품질계수값이 감소하게 되는 문제점이 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

고순도의 MgO와 Ta₂O₅분말을 정량으로 칭량하고 분말대 증류수비가 1 : 1에서 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 혼합하였다. 그후 비중 차에 의한 분급을 억제하기 위하여 스프레이를 이용하여 핫 플레이트(Hot plate) 위에 분사하여 급속 건조를 시행하였다. 건조된 분말을 900∼1050℃의 온도에서 2시간 동안 알루미나 도가니에서 하소(Calcination)하여 MgTa_2-xO_6-5/2x를 합성하였다. 하소 분말을 분쇄하여 지르코니아 볼(ZrO₂Ball), 증류수와 함께 24시간 볼 밀링하였다. 분쇄 분말을 100℃ 오븐에서 적당한 수분량으로 건조한 후 1000㎏/㎠의 압력으로 직경 12㎜×두께 약 6㎜의 원판형상으로 가압성형하였다. 위 시편을 1300∼1450℃ 사이의 온도에서 2시간 소결(Sintering)하였다. 하소나 소결시의 승온속도는 5℃/min였으며 그 후 노냉하였다.

이렇게 하여 얻은 소결시편의 품질계수값(Q*f), 공진주파수 온도계수(τ_f) 및 유전율(ε)은 10GHz에서 네트워크 분석기(HP 8753D)를 이용하여 하키-콜만(Hakki-Coleman)의 평행 도체판법(Post resonator method)으로 측정하였으며, Q값이 높은 시편은 공동 공진기법(Cavity법)으로 측정하였다.

(실시예 2)

원료분말로서 고순도의 ZnO와 Nb₂O₅를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 ZnNb₂O₆를 합성한 다음, 실시예 1에서 합성한 MgTa_2-xO_6-5/2x와 ZnNb₂O₆를 정량비에 따라 혼합하여 얻은 혼합분말을 24시간 볼밀링하여 900∼1050℃의 온도에서 2시간 이상 하소하였다. 하소분말을 다시 24시간 볼밀링하여 급속건조후 1000㎏/㎠의 압력으로 직경 12mm x 두께 약 6mm의 원판 형상으로 가압성형하였다. 위 시편을 1300∼1450℃ 사이의 온도에서 2시간 이상 소결하여 소결시편을 제작하였다.

(실시예 3)

실시예 2의 방법으로 얻은 혼합분말에 첨가물로서 Sb₂O₅, CuO, ZnO, NiO, MgO, SrCO₃, BaCO₃, WO₃, TiO₂중의 어느 1종을 정량비에 따라 칭량하여 첨가한 것을 제외하고는 실시예 2에서와 동일한 방법으로 소결시편을 제작하였다.

이상의 결과를 표에 나타내었다.

[표]

본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물의 유전특성

표에서 보는 바와 같이, 기본 조성인 MgTa_2-xO_6-5/2x의 경우 유전율이 22.6에서 28.7 사이의 값을 가지며 품질계수값(Q*f)은 65,000에서 200,000사이의 값으로 현재 특성이 가장 우수하다고 알려져 있는 Ba(Zn, Ta)O₃(유전율 25, Q*f 120,000)나 Ba(Mg, Ta)O₃(유전율 25, Q*f 200,000)와 대등한 특성을 나타내고 있다. 그러나 복합페로브스카이트계 화합물의 소결 온도 1600℃에 비해 200℃ 정도 낮은 1400℃에서 충분하게 소결이 이루어진다. 그리고 x가 감소함에 따라 유전율은 증가하며 화학양론적 조성인 MgTa₂O₆를 제외한 나머지 조성들은 x의 변화에 따라 Q*f의 변화가 크지 않다. 따라서 유전율을 변화시키면서 Q*f를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 이들 비화학양론적인 관계를 만족하는 조성들은 MgTa₂O₆와 Mg₄Ta₂O₉화합물(유전율 14, Q*f 200,000)의 혼합물로서 두 상사이의 몰비에 따라 유전율을 비롯한 유전특성들이 변화하는 것으로 예상된다. 따라서 Mg₄Ta₂O₉화합물의 높은 품질계수에 기인하여 비화학양론 화합물의 경우 Q*f값이 우수하며 반면에 Mg₄Ta₂O₉의 낮은 유전율 때문에 x가 증가함에 따라 유전율은 감소한다.

한편, 공진주파수 온도계수값을 조절하기 위한 ZnNb₂O₆의 첨가에 따라 τ_f값은 차츰 0에 접근하며 유전율 또한 약간씩 감소하는 경향을 나타낸다. 그 결과 시료번호 17은 유전율 24에 Q*f는 132,000의 값을 가지며 τ_f가 4로 조절되었으며 시료번호 11의 경우에는 유전율 26에 Q*f 120,000의 값을 가지면서 τ_f가 0으로 수렴하였다. 또한 이 과정에서 τ_f를 조절하기 위하여 첨가한 ZnNb₂O₆의 낮은 소결 온도에 의하여 시료번호 17의 경우 소결 온도가 1400℃에서 1340℃ 이하로 낮아지는 부가적인 효과 또한 얻을 수 있었다. 그리고 x의 비가 달라지면 τ_f를 0으로 수렴하는 y의 비가 달라지게 되는데 그에 따라 품질계수의 변화는 크지 않으나 유전율이 달라지게 된다. 따라서 20 근방의 여러 유전율 범위에서 대응한 Q값을 갖는 여러 조성의 유전체 조성물을 얻을 수 있다.

또한, ZnNb₂O₆의 첨가에 의하여 τ_f를 조절할 수는 있었으나, 약간의 유전율의 감소가 야기되었기 때문에 첨가제를 통하여 이를 개선해 보고자 하였다. 그 결과 Sb₂O₅와 WO₃, TiO₂를 첨가할 경우 유전율이 증가하였으며 MgO, ZnO, WO₃을 첨가할 경우에는 Q*f값의 증가를 나타내었다. 그리고 MgO, ZnO를 첨가하여 τ_f를 감소시킬 수 있었으며 다른 첨가제의 경우에는 약간의 증가를 야기하였다. 따라서 첨가제를 통하여 유전율이나 τ_f를 어느 정도 범위하에서 원하는대로 조절이 가능하였다.

이상에서 자세히 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물은 품질계수값(Q*f)이 200,000 정도로서 현재 상용되고 있는 Ba(Mg, Ta)O₃계나 Ba(Zn, Ta)O₃계의 값과 거의 비슷한 수준의 높은 품질계수값을 가지면서도 일반적인 페로브스카이트 구조의 유전체보다 더 낮은 온도와 짧은 시간에 소결이 가능하다는 큰 잇점이 있어, 10GHz 이상의 높은 주파수 대역에서의 유전체 공진기로의 사용에 특히 적합한 것이다.

Claims

일반식 yMgTa_2-xO_6-5/2x+ (1-y)ZnNb₂O₆+ wC로 표시되며, 0≤x≤0.8, 0.1≤y≤1, 그리고 0≤w≤2중량% 범위의 값을 가지며 C는 Sb₂O₅, CuO, ZnO, NiO, MgO, SrCO₃, BaCO₃, WO₃, TiO₂중에서 선택된 적어도 1종임을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
제 1 항에 있어서, x=0인 경우에 0.82≤y≤0.95인 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, x=0.14인 경우에 0.90≤y≤0.96인 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물.