KR20000035336A - 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품 - Google Patents

모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품은, 번갈아 적층된 티탄산바륨계 반도체 세라믹층과 내부전극층을 포함하며, 외부 전극들은 상기 내부 전극층에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 반도체 세라믹층은, 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 1㎛ 이하이고, 상기 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수가 10 이상이다. 상기 내부 전극들은 니켈계 금속으로 구성되는 것이 바람직하다.

Description

모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품{Monolithic semiconducting ceramic electronic component}
본 발명은 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품, 특히 티탄산바륨을 주성분으로 하고, 정저항 온도계수를 갖는 반도체 세라믹 부품에 관한 것이다.
종래부터, 티탄산바륨계 반도체 세라믹은, 상온에서의 비저항이 낮고, 퀴리점(Curie Point)보다 높은 온도에서는 저항이 급격히 상승하는 정저항 온도특성(이하, "PTC 특성"이라 한다)을 가지기 때문에, 온도 제어, 과전류 보호 및 일정온도 발열 등의 용도에 널리 이용되어 왔다. 특히, 회로의 과전류 보호용 전자 부품에는 낮은 상온 저항이 요구된다. USB(Universal Serial Bus) 컴퓨터 주변기기에는, 낮은 비저항과 높은 내전압을 갖는 소형의 반도체 세라믹 부품이 요구되고 있다.
이와 같은 요구에 대응하여, 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품이 일본국 특허공개공보 57-60802호에 개시되어 있다. 이 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품에서는, 티탄산바륨을 주성분으로 하는 반도체 세라믹층과, Pt-Pd합금으로 이루어지는 내부전극층이 번갈아 적층되고, 전체적으로 소성된다. 그러한 적층구조로 구성함으로써, 반도체 세라믹 전자 부품에서의 전극 면적이 대폭 증가하고, 전자 부품 자체의 크기는 감소된다. 그러나, 이 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품에서는, 내부전극층과 반도체층 사이의 오믹(ohmic) 접촉을 얻기 어렵고, 그 결과 상온에서의 저항이 대폭 증가하게 된다.
또한, 내부전극 재료로서 Pt-Pd합금을 대신하여 Ni계 금속을 사용한 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품이 일본국 특허공개공보 6-151103호에 개시되어 있다. Ni계 금속을 이용한 내부전극재료는 통상의 대기중 소성에서는 산화되므로, 따라서 환원분위기중에서 소성을 행한 후, Ni계 금속이 산화되지 않는 온도에서 재산화처리를 해야한다. 내부전극과 반도체 세라믹층 사이의 오믹접촉을 얻을 수 있기 때문에, 상온에서의 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 그러나, Ni계 금속이 산화하는 것을 방지하기 위해서는, 저온에서의 재산화처리가 요구되기 때문에, 비저항의 변화 폭이 2단위 미만으로 작다.
또한, 반도체 세라믹의 평균 입자 크기와, 반도체 세라믹층의 두께를 고려한 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품이 일본국 특허공개공보 1-11302호에 개시되어 있다. 이 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품에서, 반도체층의 두께는 반도체 세라믹의 평균 입자 크기의 적어도 5배이고, 반도체 세라믹의 평균 입자 크기는 1∼30㎛이다. 이와 같은 구조로 구성함으로써, 반도체 세라믹층과 내부전극을 서로 오믹 접촉시킬 수 있고, PTC 특성의 악화를 피할 수 있다. 그러나, 이 세라믹 전자 부품은 내전압이 불충분하여, 실용상 문제를 가져온다.
본 발명의 목적은, 전자 부품 자체의 크기를 줄일 수 있고, 상온 저항이 약 0.2Ω이하로 낮고, 비저항의 변화 폭이 약 2.5단위 이상이고, 아울러 내전압이 약 10Ｖ 이상으로 높은 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품을 제공하는데 있다.
본 발명은 상술한 목적에 감안하여 이루어진 것이다.
본 발명의 제 1 양상에서, 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품은, 번갈아 적층된 티탄산바륨계 반도체 세라믹층과 내부 전극층을 포함하며, 외부전극들은 상기 내부전극층에 전기적으로 접속된다. 이 반도체 세라믹층은 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하인 세라믹 입자를 포함하며, 상기 반도체 세라믹층의 수직 방향으로, 한 층당 세라믹 입자의 평균 입자수는 약 10 이상이다.
그러한 구조로 구성함으로써, 크기는 작아질 것이고, 반도체 세라믹 전자 부품은 상온에서의 저항이 낮고, 비저항의 변화폭이 크고, 내전압이 높을 것이다. 즉, 평균 입자 크기를 약 1㎛ 이하로 함으로써, 내전압을 향상시킬 수 있다. 한 층당 더 많은 세라믹 입자수가 존재할 수 있기 때문에, 반도체 세라믹층을 보다 얇게 할 수 있다. 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수를 약 10 이상으로 함으로써, 내부전극 성분이 반도체 세라믹층 중으로 확산함에 따라 상온에서의 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 2 양상에서, 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품은, 상기 내부전극층이 니켈계 금속으로 구성되는 것이 바람직하다.
내부전극층의 재료로서 니켈계 금속을 이용함으로써, 반도체 세라믹층과 내부전극을 서로 확실하게 오믹 접촉시키게 되고, 따라서 상온에서의 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있으며, 반도체 세라믹 전자 부품에서 비저항의 변화 폭을 증가시킬 수 있다. 니켈계 금속으로 이루어지는 내부전극을 산화시키지 않기 위해, 저온에서 재산화처리가 수행되더라도, 반도체 세라믹 전자 부품에서 비저항의 변화 폭이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품의 개략 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 설명*
1 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품
3 적층 소결체
5 반도체 세라믹층
7 내부전극
9 외부전극
본 발명에 따른 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품은, 반도체 세라믹층과, 내부전극층 및 외부전극층을 포함한다.
상기 반도체 세라믹층은, 티탄산바륨을 주성분으로 하는 반도체 재료로 이루어지며, 이 중에서, 필요에 따라, Ba의 일부를 Ca, Sr, Pb 등으로 치환하여도 되고, Ti의 일부를 Sn, Zr 등으로 치환하여도 된다. 또한, 반도체 세라믹 중에 반도체 특성을 전달하는 도펀트(dopant)로서 La, Y, Sm, Ce, Dy, Gd 등의 희토류 원소나, Nb, Ta, Bi, Sb, W 등의 천이 원소를 이용할 수 있다. 더욱이, 필요에 따라, Si 또는 Mn 등을 포함하는 산화물이나 화합물을 반도체 세라믹에 첨가할 수 있다.
상기 반도체 세라믹층은, 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하인 세라믹 입자를 포함한다. 이는 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 약 1㎛보다 크면 반도체 세라믹의 내전압이 감소되는 사실 때문이다. 그러한 세라믹 입자를 얻을 수 있다면, 티탄산바륨분말의 제조는 특정 방법에 한정되지 않는다. 예를 들면, 졸겔(sol-gel)법, 수열합성법, 공침법 또는 고상합성법 등을 이용할 수 있다. XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 관찰에서, BaCo3/BaO비가 약 0.42 이하이고, 격자상수가 약 0.4020㎚ 이상이고, 아울러 Ba/Ti비가 약 0.990∼1.000의 범위내에 있는 것이 바람직하다. XPS 관찰에서, 티탄산바륨의 소결체는, BaCO3대 BaO의 상대강도비가 약 0.50 이하인 것이 바람직하다.
반도체 세라믹층에서, 반도체 세라믹층의 수직방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수는 약 10 이상이다. 이는 한 층당 평균 세라믹 입자수가 약 10 미만인 경우, 내부전극성분이 반도체 세라믹층으로 확산하는 것이 증가하고, 따라서 반도체 세라믹층의 상온 비저항이 상승하며, 비저항의 변화폭이 감소하는데 대해 내전압도 감소하는 사실 때문이다. 또한, 내부전극 성분이 반도체 세라믹층으로 확산하는데 따른 상온 비저항의 증가는, 확산된 내부전극 성분이 티탄산바륨의 티탄늄 대신 치환고용되어 억셉터가 되기 때문에 발생한다.
상기 반도체 세라믹층의 두께는, 요구되는 상온 비저항에 맞추어 조정되지만, 상온 비저항의 증가를 회피하기 위해, 약 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 내부전극의 재료로서, Ni계 금속, Mo계 금속, Cr계 금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 바람직하게는 반도체 세라믹층과 오믹 접촉의 확실성이라는 점에서 Ni계 금속이 사용된다.
외부전극으로서는 Ag, Pd 또는 이들의 합금을 사용할 수 있지만, 그 재료가 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 구체적으로 설명한다.
실시예
본 발명의 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품의 제조방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품의 개략 단면도이다.
(실시예 1)
먼저, 별개의 용기에 0.2㏖/ℓ의 수산화바륨용액 15.40ℓ(Ba 3.079㏖ 함유)와, 0.35㏖/ℓ의 Ti알콕시드용액 7.58ℓ(Ti 2.655㏖ 함유)를 준비한다. Ti알콕시드용액은, 티타늄 테트라이소프로폭시드가 이소프로필 알콜에 용해된 것이다. 더욱이, Ti알콕시드용액중에, 에탄올(La 0.00664㏖ 함유)에 용해된 염화란타늄 100㏄가 균일하게 혼합된다.
다음으로, 용기내의 용액을 무동작혼합기(static mixer)로 혼합하여 반응을 일으키고, 얻어진 용액을 숙성 용기내에서 3시간 숙성시켰다. 다음으로, 탈수, 세정을 행하고, 110℃에서 3시간 건조하였다. 계속해서 분쇄를 행하여 La함유 티탄산바륨 미분말을 얻었다. 이 La함유 티탄산바륨 미분말은 0.993의 Ba/Ti비와, 0.0021의 La/Ti비를 갖는다.
La함유 티탄산바륨 분말을 1000℃에서 2시간 하소하고, 유기용매, 유기바인더, 가소제 등을 첨가하여 세라믹 슬러리를 준비한다. 닥터블레이드법에 의해 세라믹 그린시트를 얻는다. 이 세라믹 그린시트 위에 Ni 전극 페이스트를 스크린 인쇄하여 내부전극을 형성한다. 이 내부전극들이 번갈아 노출되도록 세라믹 그린시트를 적층하고, 가압한 후, 절단을 행하여 적층체를 형성하였다. 본 발명의 적층체에서, 내부전극이 인쇄되어 있지 않은 더미 세라믹 그린시트를 준비하고, 상면과 하면을 겹쳐 압착한다.
다음으로, 이 적층체를 대기중에서 탈바인더 처리하고, 수소/질소의 비가 3/100인 강환원분위기 중에서 2시간 소성을 행하여, 반도체 세라믹층(5)과 내부전극(7)을 포함하는 적층 소결체(3)를 얻었다. 소성후, 대기중의 600∼1000℃에서 1시간 재산화처리를 시행하였다. 내부전극(7)에 접속하기 위한 표면에 오믹 은 페이스트를 도포하고, 대기중에서 베이킹하여 외부전극(9)을 형성하고, 이렇게 하여 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품(1)을 얻었다.
상술한 바와 같이 하여 얻어진 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품에서, 세라믹 그린시트의 두께와 소성 온도를 변화시킴으로써, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수와, 세라믹 입자의 평균 입자 크기를 변화시켰다. 더욱이, 반도체 세라믹층의 적층수를 변화시켜, 상온 저항을 조정하였다. 한 층당 평균 세라믹 입자수는, 반도체 세라믹층이 매립, 에칭된 연마단면의 임의의 10개 부분을 선택하여, SEM에 의해 관찰된다. 세라믹 입자의 평균입자 크기는 샘플의 표면 및 단면의 SEM 사진에서 화상을 분석하여 산정된다. 다음으로, 각 샘플에 대해 상온 저항, 비저항의 변화 폭 및 내전압을 측정하였다. 상온저항은 디지털 볼트미터를 이용하여 4단자법으로 측정하였다. 비저항의 변화 폭(단위)은, 상온에서 250℃까지의 범위내에서, 최대저항을 최소저항으로 나누고, 그 상용 대수를 이용하여 산정된다. 내전압은 소자의 절연파괴가 일어나기 직전의 최고 인가전압으로 하였다. 이들의 결과를 표 1에 나타낸다. 표에서 *가 표시된 샘플은 본 발명의 범위를 벗어나는 것이다.
샘플번호 세라믹 입자의평균 입자 크기(㎛) 한 층당평균 입자수(개) 상온 저항(Ω) 비저항의변화 폭(단위) 내전압(Ｖ)
1 0.8 40 0.19 3.7 25
2 0.9 40 0.18 3.6 22
3 1 40 0.17 3.5 20
* 4 2 40 0.15 3.2 8
* 5 5 40 0.13 3.0 6
* 6 0.8 5 0.9 1.5 4
* 7 0.8 8 0.7 2.0 5
8 0.8 10 0.08 2.9 14
9 0.8 20 0.14 3.3 16
10 0.8 40 0.18 3.6 25
표 1에서 알 수 있듯이, 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하이고, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수가 약 10 이상인 샘플은, 상온 저항이 0.2Ω 미만, 비저항의 변화 폭이 2.5단위 이상, 내전압이 10Ｖ 이상이다.
(실시예 2)
하소온도를 1100℃로 한 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품을 제조하여, 상온저항, 비저항의 변화 폭 및 내전압을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 표에서 *가 표시된 샘플은 본 발명의 범위를 벗어나는 것이다.
샘플번호 세라믹 입자의평균 입자 크기(㎛) 한 층당평균 입자수(개) 상온 저항(Ω) 비저항의변화 폭(단위) 내전압(Ｖ)
11 0.8 40 0.19 3.9 30
12 0.9 40 0.18 3.8 26
13 1 40 0.17 3.7 25
* 14 2 40 0.15 3.2 8
* 15 5 40 0.13 3.0 6
* 16 0.8 5 0.9 1.5 4
* 17 0.8 8 0.7 2.0 5
18 0.8 10 0.08 3.4 20
19 0.8 20 0.14 3.5 23
20 0.8 40 0.18 3.8 28
표 2에 나타내듯이, 1100℃에서 하소한 샘플들은, 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하이고, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수가 약 10 이상인 경우, 상온 저항이 0.2Ω 미만, 비저항의 변화폭이 3.0 단위 이상, 내전압이 20Ｖ 이상이며, 따라서 특히 우수한 특성을 나타낸다.
이하, 실시예 1 및 실시예 2의 측정 결과를 토대로 하여, 세라믹 입자의 평균 입자 크기와, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수를 한정한 이유에 대해 설명한다.
세라믹 입자의 평균 입자 크기를 약 1㎛이하로 한 것은, 샘플번호 4, 5, 14, 15에서 알 수 있듯이, 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 1㎛보다 큰 경우, 내전압이 20Ｖ보다 낮아 바람직하지 못하기 때문이다.
반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수를 약 10 이상으로 한 것은, 샘플번호 6, 7, 16, 17에서 알 수 있듯이, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수가 10보다 적은 경우, 상온 저항이 대폭 증가되고, 비저항의 변화 폭과, 내전압이 대폭 감소되어 바람직하지 못하기 때문이다.
본 발명의 모놀리식 반도체 전자 부품에서, 티탄산바륨계 반도체 세라믹층과 내부전극층을 번갈아 적층하고, 내부전극층에 전기적으로 접속하도록 외부전극을 형성한다. 내부전극층들 사이에 배치된 각 반도체 세라믹층을 구성하는 세라믹 입자는, 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하이고, 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 평균 세라믹 입자수가 약 10 이상이다. 따라서, 부품의 소형화를 도모할 수 있으며, 상온 저항이 낮고, 비저항의 변화 폭이 넓고, 내전압이 높은 반도체 세라믹 전자 부품으로 할 수 있다.
내부전극은 니켈계 금속으로 구성되어 있기 때문에, 반도체 세라믹층과 내부전극을 서로 확실히 오믹 접촉시킬 수 있고, 상온 저항의 증가를 방지할 수 있고, 아울러 비저항의 변화 폭을 증가시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 번갈아 적층된 복수의 티탄산바륨 반도체 세라믹층과 내부전극층; 및
    상기 내부전극층에 전기적으로 접속되는 외부전극;을 포함하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품으로서,
    상기 반도체 세라믹층은, 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 약 1㎛ 이하이고, 상기 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수가 약 10 이상임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부전극층은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 0.8∼1㎛임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 반도체 세라믹층의 수직 방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수는 10∼40임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  5. 제 4 항에 있어서, BaCO3/BaO비가 약 0.42 이하이고, 격자상수가 약 0.4020㎚ 이상이고, Ba/Ti비가 약 0.990∼1.000의 범위내에 있고, BaCO3대 BaO의 상대강도비가 약 0.50 이하임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 입자의 평균 입자 크기가 0.8∼1㎛임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 반도체 세라믹층의 수직방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수는 10∼40임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 세라믹층의 수직방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수는 10∼40임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  9. 제 1 항에 있어서, BaCo3/BaO비가 약 0.42 이하이고, 격자상수가 약 0.4020㎚ 이상이고, Ba/Ti비가 약 0.990∼1.000의 범위내에 있고, BaCO3대 BaO의 상대강도비가 약 0.50 이하임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  10. 제 1 항에 있어서, 티탄산바륨의 바륨이 부분적으로 Ca, Sr 또는 Pb로 치환되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  11. 제 1 항에 있어서, 티탄산바륨의 바륨이 부분적으로 Sn 또는 Zr로 치환되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 티탄산바륨이 도프(dope)되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 티탄산 바륨이 La로 도프되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 내부 전극층은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 0.8∼1㎛임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
  16. 제 15 항에 있어서, 반도체 세라믹층의 수직방향으로 한 층당 평균 세라믹 입자수는 10∼40임을 특징으로 하는 모놀리식 반도체 세라믹 전자 부품.
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