KR20000057822A

KR20000057822A - 모놀리식 세라믹 커패시터

Info

Publication number: KR20000057822A
Application number: KR1020000004223A
Authority: KR
Inventors: 고바야시후미유키; 가와바타가즈아키; 우에노야스시; 요네다야수노부
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2000-09-25
Also published as: KR100320135B1; US6331932B1; DE10003257A1; JP2000223351A

Abstract

본 발명에 따른 모놀리식 세라믹 커패시터는, 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체; 상기 세라믹 소결체 내에 배치되어 있고, 세라믹 소결체층을 사이에 두고 두께 방향으로 서로 겹쳐지도록 배치된 복수의 내부 전극; 및 상기 세라믹 소결체의 외표면에 형성된 복수의 외부 전극;을 포함한다. 코어-쉘 구조에서, 코어는 유전체 세라믹 입자로 이루어지고, 쉘은 코어상에 형성되며 유전체 세라믹보다 유전율이 낮은 재료로 이루어진다. 상기 세라믹 소결체의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있다. 상기 코어-쉘 구조는 소형화 및 대용량화를 달성할 수 있고, 또한 양호한 온도 특성을 가진다.

Description

모놀리식 세라믹 커패시터{Monolithic ceramic capacitor}

본 발명은 소형화 및 대용량화에 적합한 모놀리식 세라믹 커패시터에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 세라믹 소결체를 포함하는 모놀리식 세라믹 커패시터에 관한 것이다.

종래, 티탄산 바륨계 강유전체를 이용한 코어-쉘 구조의 소결체를 가지는 모놀리식 세라믹 커패시터가 알려져 있다. 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체에서, 티탄산 바륨계 강유전체 세라믹으로 구성되는 코어 입자는, 쉘 층으로 둘러싸여 있고, 이 쉘 층은 티탄산 바륨보다 유전율이 낮은 유전체 재료로 구성되어 있다. 상기 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체를 생산할 때에는, TiO₃및 BaCO₃등의 세라믹 코어 원료를 주어진 식으로 혼합하고, 하소한다. 상기 하소된 혼합물을 분쇄하여, 하소 분말을 얻는다. 얻어진 분말에 쉘을 구성하기 위한 재료, 예를 들면, 유기 바인더, 분산제 및 물을 혼합하여 세라믹 슬러리를 얻는다. 이 세라믹 슬러리를, 예를 들면, 닥터 블레이드(doctor blade) 공정에 의해 성형하여 세라믹 그린 시트를 얻는다. 그러한 후, 세라믹 그린 시트 위에 Ag, Ag-Pd, Ni 또는 Cu 와 같은 금속 분말 함유 도전 페이스트를 인쇄하여 내부 전극을 형성한다.

내부 전극이 형성된 세라믹 그린 시트를 복수개 적층한다. 얻어진 적층체를 수직 방향(두께 방향)으로 가압하고, 소결한다. 이와 같이 하여 얻어진 소결체의 양단면에 외부 전극을 형성함으로써, 코어-쉘 구조의 세라믹 소결체를 가지는 모놀리식 세라믹 커패시터가 얻어지고 있다.

상기 코어-쉘 구조를 가지는 모놀리식 세라믹 커패시터에서는, 양호한 온도 특성이 얻어지게 되어 있다.

최근, 모놀리식 세라믹 커패시터에서는, 보다 한층 소형화 및 대용량화가 요구되고 있다. 그러나, 코어-쉘 구조의 티탄산 바륨계 모놀리식 세라믹 커패시터에서는, 유전율이 그다지 향상되지 않았다. 따라서, 상기 티탄산 바륨계 모놀리식 세라믹 커패시터에서, 보다 한층 소형화 및 대용량화에 대응하는 것은 매우 곤란하였다.

본 발명의 목적은 양호한 온도 특성을 가질 뿐만 아니라, 보다 한층 소형화 및 대용량화를 이룰 수 있는 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체를 이용한 모놀리식 세라믹 커패시터를 제공하는데 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예인 모놀리식 세라믹 커패시터의 단면도이다.

도 1b는 모놀리식 세라믹 커패시터에 이용되는 세라믹 소결체의 코어-쉘 구조를 설명하기 위한 모식적 확대 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

1 … 모놀리식 세라믹 커패시터 2 … 세라믹 소결체

3 … 코어 4 … 쉘

5a∼5f … 내부 전극 6, 7 … 외부 전극

본 발명의 한 양상에 따른 모놀리식 세라믹 커패시터는, 유전체 세라믹 입자로 이루어진 코어와, 상기 코어의 주위에 형성되고, 상기 유전체 세라믹보다 유전율이 낮은 재료로 이루어지는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체; 상기 세라믹 소결체 내에 배치되어 있고, 세라믹 소결체층을 사이에 두고 두께 방향으로 서로 겹쳐지도록 배치된 적어도 두 개의 내부 전극; 및 상기 세라믹 소결체의 외표면에 형성된 적어도 두 개의 외부 전극;을 구비하며, 상기 세라믹 소결체의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있다.

바람직하게는, 유전체 세라믹 입자는 티탄산 바륨계 세라믹 입자를 포함한다.

바람직하게는, 내부 전극은 Ni를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 세라믹 소결체는, 유전체 세라믹 입자로 이루어진 코어와, 상기 코어상에 형성되고, 상기 유전체 세라믹보다 유전율이 낮은 재료로 이루어지는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 세라믹 소결체의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있는 모놀리식 세라믹 커패시터를 형성하는데 이용된다.

본 발명의 다른 양상 및 이점들은 이하, 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

도 1a는 본 발명의 일실시예인 모놀리식 세라믹 커패시터의 단면도이고, 도 1b는 모놀리식 세라믹 커패시터에 이용되는 세라믹 소결체의 코어-쉘 구조를 설명하기 위한 모식적 확대 단면도이다.

도 1a를 참조하면, 모놀리식 세라믹 커패시터(1)는, 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체(2)로 구성되어 있다. 도 1b를 참조하면, 세라믹 소결체(2)는, 유전체 세라믹 입자로 이루어지는 코어(3)와, 코어의 주위에 유전체 세라믹입자보다 유전율이 낮은 재료로 구성되는 쉘(4)을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 높은 유전율 및 양호한 온도 특성을 실현하기 위해, 상기 세라믹 소결체(2)의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어(3)와 쉘(4)의 면적비는 7:3∼3:7의 범위에 있다.

도 1a를 참조하면, 세라믹 소결체(2) 내에는, 복수의 내부 전극(5a∼5f)이 세라믹 소결체층을 사이에 두고 두께 방향으로 서로 겹쳐지도록 배치되어 있다. 이 내부 전극(5a∼5f)들은 Ni, Cu, Ag, Ag-Pd 등의 적절한 금속 혹은 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 이들 중에서, 바람직하게는 저가격의 Ni가 이용된다.

내부 전극(5a, 5c, 5e)은 세라믹 소결체(2)의 좌측 단면(2a)으로 연장되어 있고, 내부 전극(5b, 5d, 5f)은 우측 단면(2b)으로 연장되어 있다. 상기 좌측 및 우측 단면(2a, 2b)은 외부 전극(6, 7)으로 덮여 있다. 외부 전극(6, 7)은, Ag, Cu 를 포함하는 도전 페이스트를 인가한 후 베이킹하거나, 도금하여 형성할 수 있고, 또는 도전성 재료를 도금, 증착 혹은 스퍼터링함으로써 형성하여도 된다. 또한, 이 방법들을 병용하여 적층 금속막에 의해 외부 전극(6, 7)을 형성하여도 된다.

세라믹 소결체(2)의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비는 7:3∼3:7의 범위에 있고, 아울러, 상기 내부 전극(5a∼5f)의 평면 형상, 적층수 및 외부 전극(6, 7)의 구조 등에 대해서는 특히 한정되는 것이 아니다.

본 발명에 따른 모놀리식 세라믹 커패시터는, 다음 실시예에 설명한 바와 같이, 소형화 및 대용량화에 적합하며, 양호한 온도 특성을 갖는다.

실시예

출발 원료로서 BaTiO₃, Dy₂O₃, Co₂O₃, BaCO₃, MgO, NiO 및 MnCO₃의 각 분말과, BaO-SrO-LiO-SiO₂를 주성분으로 하는 산화물 유리 분말을 혼합하고, 하소한 후, 분쇄하여 하소 분말 원료를 얻었다.

얻어진 하소 분말 원료를 유기 비히클과 함께 혼합하여, 세라믹 슬러리를 얻었다. 이 세라믹 슬러리를 시트 성형함으로써, 두께가 2.5∼3.0㎛인 세라믹 그린 시트를 얻었다. 얻어진 세라믹 그린 시트를 직사각형 모양으로 펀칭한다. 각 직사각형의 그린 시트상에 내부 전극(5a∼5e)을 형성하기 위해, Ni 페이스트를 스크린 인쇄하였다. 다음으로, 내부 전극(5a∼5e)이 형성된 직사각형의 그린 시트를 100개 적층하고, 계속해서 하면 및 상면에 무지(無地)의 그린 시트를 각각 25개 배치한다. 얻어진 세라믹 적층체를 두께 방향으로 가압하고, 하기의 표 1에 나타내는 온도에서 2시간 동안 소결하여, 세라믹 소결체를 얻었다.

얻어진 세라믹 소결체의 양단면에 Cu 페이스트를 인가하고, 그 후에 베이킹하여 모놀리식 세라믹 커패시터를 형성하였다.

상기와 같이 하여 얻은 모놀리식 세라믹 커패시터에 대해, (1) 코어-쉘 면적비, (2) 정전 용량, (3) 용량의 온도 변화율(TCC)을 측정하고, 아울러 (4) 고온 부하 시험을 하였다. 평가 방법은 이하와 같다.

(1) 코어-쉘 면적비

모놀리식 세라믹 커패시터의 세라믹 소결체를 길이 방향과 두께 방향으로 절단하였다. 각 단면을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰하여, 코어 부분의 면적과 쉘 부분의 면적의 비율을 구하였다.

(2) 용량의 온도 변화율(TCC)

20℃ 및 85℃에서 모놀리식 세라믹 커패시터의 정전 용량 C₂₀, C₈₅를 각각 구하고, 정전 용량의 변화율 ΔC＝C₈₅－C₂₀의 C₂₀에 대한 비율 TCC(%)를 산출하였다. 표 1에서 나타내는 자료는 샘플 10개의 평균이다.

(3) 고온 부하 시험

150℃의 온도하에서 25Ｖ의 전압을 인가하고, 모놀리식 세라믹 커패시터를 가속적으로 시험하였다. 가속 시험에서 100시간 경과한 후 단락의 발생수를 구하였다. 표 1에서 나타내는 단락의 발생수는 샘플 200개의 누적수이다.

샘플	소결온도(℃)	코어-쉘면적비	내부 전극간세라믹층의 두께(㎛)	유전율ε	TCC(%)	단락발생수
1	1,240	9 : 1	3.0	4,230	-12	5
2	1,260	8 : 2	3.0	4,760	-14	2
3	1,270	7 : 3	3.0	5,120	-20	0
4	1,280	6 : 4	2.5	5,650	-28	0
5	1,280	6 : 4	3.0	5,340	-25	0
6	1,300	5 : 5	2.5	5,850	-25	0
7	1,300	5 : 5	3.0	5,520	-22	0
8	1,330	3 : 7	2.5	6,260	-29	0
9	1,330	3 : 7	3.0	5,740	-20	0
10	1,350	2 : 8	3.0	5,840	-18	2

코어와 쉘의 면적비가 9:1인 표 1의 샘플 1은 유전율 ε가 4,230으로 작고, 고온 부하 후의 단락 발생수는 5이다. 코어-쉘 면적비가 8:2인 샘플 2는 유전율 ε가 4,760으로 작고, 고온 부하 후의 단락 발생수가 2이다. 샘플 1, 2에서는, 소결 온도가 1,260℃ 이하로 낮기 때문에, 내부 전극간 세라믹층의 소결이 부족하여, 고온 부하 후의 단란을 가져오게 된 것이라 생각된다.

샘플 10은 코어-쉘 면적비가 2:8이고, 유전율 ε는 5,840으로 높지만, 고온 부하 후의 단락 발생수는 2이다. 이는 소결 온도가 1,350℃로 높고, 코어-쉘 면적비가 2:8인 샘플 10에서는, 세라믹 입자의 반응성이 높아지고, 코어의 면적이 감소되어, 유전율을 증가시킨다고 할 수 있다. 더욱이, 고온 소결에 의해, 그레인 성장이 용이해지고, 그 때문에 고온 부하 시험에서의 단락이 촉진된 것이라 생각할 수 있다.

이에 대해, 본 발명의 범위에 속하는 코어-쉘 면적비를 가지는 샘플 3∼9는,유전율 ε가 5,120 이상으로 높고, 아울러 고온 부하 시험 후의 단락 발생이 없었다. 용량의 온도 변화율 TCC는 ＋20%∼－30%의 범위에 있고, 따라서 일본 공업 표준 JIS에 따른 D특성을 만족하는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 코어-쉘 면적비를 7:3∼3:7의 범위로 함으로써, 용량의 온도 특성을 저하시키지 않고, 정전 용량의 증대 및 고온 부하 시험 후의 신뢰성의 향상을 이룰 수 있다.

샘플 4, 6 및 8에서, 내부 전극간의 세라믹층의 두께를 2.5㎛로 얇게 했을 경우에도, 고온 부하 후의 단락은 관찰되지 않는다. 이 결과로부터 코어-쉘 면적비를 제어함으로써, 소형화 및 대용량화에 적합한 모놀리식 세라믹 커패시터를 제공함이 효과적이라는 것을 알 수 있다.

상기 실험 결과는, 본 발명에서 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위로 되어 있고, 소성 온도를 제어함으로써 용이하게 조정할 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 코어와 쉘의 면적비는, 소성 온도뿐만 아니라, 쉘을 구성하는 재료의 종류, 첨가량 또는 코어를 구성하는 유전체 세라믹 입자의 입자 크기 등에 의해서도 조정할 수 있다.

상기 실험예에서는, 유전체 세라믹 입자로서 티탄산 바륨계 세라믹 입자를 이용하였지만, 본 발명에서는 다른 유전체 세라믹 입자, 예를 들면, 티탄산 스트론튬(strontium)계 세라믹 입자 등을 이용할 수 있다.

쉘을 구성하는 재료로는, 상기 실시예에서는 BaO-SrO-LiO-SiO₂를 주성분으로 하는 산화물 유리 분말을 이용하였지만, 상기 세라믹 입자보다 유전율이 낮은 다른 재료를 이용할 수 있다. 그러한 원료의 예로는, ZnO, PbO, B₂O₃등을 들 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 모놀리식 세라믹 커패시터는, 그 세라믹 소결체의 임의 방향을 따라 단면을 보았을 때에, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있는 것을 특징으로 한다. 그러한 형태의 모놀리식 세라믹 커패시터는, 코어-쉘 구조를 가지는 모놀리식 커패시터의 양호한 용량 온도 특성을 저하시키지 않고, 정전 용량이 증대되고, 고온 부하 후의 단락 발생수가 감소된다. 따라서, 상기 모놀리식 세라믹 커패시터는, 양호한 온도 특성을 가지며, 아울러 소형화 및 대용량화할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는, 종래의 대용량 세라믹 커패시터에서 유전율이 높은 납계 페로브스카이트(perovskite)를 이용하는데 비해, 환경에 대한 영향이 적은 티탄산 바륨계 세라믹 입자를 이용하여 큰 정전용량을 실현할 수 있다. 게다가, 내부 전극으로서 Ni를 이용하여 원료 비용의 절감에 공헌할 수 있다.

본 발명은 상술한 구현예들 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 개시된 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에 한정되는 것은 아니다.

Claims

유전체 세라믹 입자로 이루어진 코어와, 상기 코어상에 형성되고, 상기 유전체 세라믹보다 유전율이 낮은 재료로 이루어지는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 세라믹 소결체;

상기 세라믹 소결체 내에 배치되어 있고, 세라믹 소결체층을 사이에 두고 두께 방향으로 서로 겹쳐지도록 배치된 적어도 두 개의 내부 전극; 및

상기 세라믹 소결체의 외표면에 형성된 적어도 두 개의 외부 전극;을 구비하고,

상기 세라믹 소결체의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 모놀리식 세라믹 커패시터.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체 세라믹 입자가 티탄산 바륨계 세라믹 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 세라믹 커패시터.
제 1 항에 있어서, 상기 내부 전극이 Ni를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 세라믹 커패시터.
제 2 항에 있어서, 상기 내부 전극이 Ni를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 세라믹 커패시터.
유전체 세라믹 입자로 이루어진 코어와, 상기 코어상에 형성되고, 상기 유전체 세라믹보다 유전율이 낮은 재료로 이루어지는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 세라믹 소결체의 임의의 방향을 따라 단면을 보았을 때, 코어와 쉘의 면적비가 7:3∼3:7의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 모놀리식 세라믹 커패시터를 형성하는데 이용하는 세라믹 소결체.
제 5 항에 있어서, 상기 유전체 세라믹 입자는 티탄산 바륨계 세라믹 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소결체.