KR20000058590A

KR20000058590A - 마이크로파용 유전체 재료

Info

Publication number: KR20000058590A
Application number: KR1020000033427A
Authority: KR
Inventors: 조용호
Original assignee: 조용호; 주식회사 어드밴택
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2000-06-17
Publication date: 2000-10-05

Abstract

본 발명은 40이상의 유전율을 갖고, 품질계수(Q)가 높으며, 공진주파수의 온도계수를 일정한 범위내에서 제어할 수 있는 마이크로파용 유전체 재료에 관한 것으로서, 특히 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃), CaTiO₃, Ca₂Nb₂O₇계 유전체 재료에 관한 것이다.

본 발명의 유전체 재료는 다음의 화학식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

(1-x-y)CaTiO₃-x[0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)]-y(Ca₂Nb₂0₇)

여기서, 0.3≤x ≤0.5, 0.3≤y ≤0.5이다.

Description

마이크로파용 유전체 재료{A DIDELECTRIC MATERIAL FOR MICROWAVE}

최근 셀룰러, PCS, WLL(Wireless local loop), IMT 2000 등의 이동통신 및 위성방송 등에 마이크로파(주파수 대역; 300MHz ~ 300GHz)를 이용한 통신시스템이 현저하게 발전하고 있으며, 이들 시스템을 구성하는 공진기소자, 대역통과(또는 저지)필터 및 마이크로파 집적회로(MIC; Microwave Integrated Circuit) 등에 마이크로파용 유전체 세라믹스의 응용이 크게 증대되고 있다.

마이크로파를 이용한 통신시스템에 사용되는 고주파용 유전체는

1) 유전체내에서 마이크로파의 파장은 유전율의 1/2승에 반비례하므로 부품의 소형화를 위해서는 유전율이 커야하며,

2) 유전손실은 주파수에 비례하여 증가되므로 고 성능화를 위해서는 Q값(유전손실의 역수)이 높아야 하고,

3) 유전체 공진기의 공진주파수의 온도계수가 작아야 하며,

부수적으로, 경시변화가 작고, 열전도율이 크며, 기계적 강도가 높은 것이 요구된다.

지금까지 알려진 대표적인 마이크로파용 유전체 재료 및 그 특성은 다음과 같다.

가) 유전율; 20 ~ 30, Qㆍf=100,000 ~ 150,000 GHz인 Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃, Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃[참고자료: K. Matsumoto, T.Hiuga, K.Takada and H. Ichimura, Proceedings of 6th IEEE Interational Symposium on Applications of Ferroelectrics, pp118-121, 1986]

나) 유전율; 30 ~ 40, Qㆍf=40,000 ~ 50,000 GHz인 (Zn, Sn)TiO₄, Ba₂Ti₉O₂₀[참고자료: J. Am. Ceram. Soc. 67(4), p278 ~ 281, 1983]

다) 유전율; 85 ~ 95, Qㆍf=40,000 ~ 50,000 GHz인 (Ba, Pb)O-Nd₂0₃-TiO₂, BaO-(Nd, Bi)₂0_3-TiO₂[참고자료: 일본특허 평3-290359, 일본특허 소56-102113]

라) 유전율; 100, Qㆍf=30,000 ~ 40,000 GHz인 (Pb, Ca)ZrO₃[참고자료: J. Kato. JJAP, Vol. 30, No. 9B, p. 2343 ~ 2346, 1991]

마) 유전율; 110, Qㆍf=3,000 GHz인 CaTiO₃-(Li_1/2Nd_1/2)TiO₃[참고자료: US Patent No 5,401,702]

바) 유전율; 123, Qㆍf=4,150 GHz, Tf=10.8ppm/℃인 CaO : SrO : Li₂O : Sm₂O₃: Nd₂O₃: TiO₂= 15 : 1 : 9 : 6 : 6 : 63인 유전체 세라믹 [참고자료: I. Takahashi, Y. Baba, K. Ezaki, and K. Shibata, JJAP. Vol. 35(9), p5069 ~ 5037, 1992]

이동통신 단말기에 사용되는 공진기, 필터, 듀플렉서 등은 유전체 세라믹으로 제조된다. 이때, 이들 세라믹 부품들의 크기는 사용되는 유전체 세라믹의 유전율 크기에 반비례한다. 따라서, 이동통신 단말기의 소형화를 위해서는 유전율이 큰 유전체 조성물이 요구된다. 그러나, 일반적으로 고주파 유전체 재료로서 유전율이 클 수록 품질계수(Qㆍf) 값이 작거나, 공진주파수 온도계수(Tf)가 크기 때문에 높은 유전상수와 품질계수 그리고 안정된 온도계수 등 3가지 유전특성을 모두 만족시키는 고주파 유전체를 제조하기가 어렵다.

대한민국 등록특허공보 특0162874호에는 온도계수가 10ppm/℃인 조성부근에서 유전율이 48이상이며, 유전손실이 적고, 공진주파수의 온도계수를 0ppm/℃를 중심으로 +와 -쪽으로 필요에 따라 손쉽게 이동시킬 수 있는 CaTiO₃-La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-LaAlO₃계 마이크로파용 유전체 재료를 개시하고 있다. 이 마이크로파용 유전체 재료는 일반식 (1-x)CaTiO₃-x[(1-y)La(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-yLaAlO₃]으로 표시되는 조성계에서 0.3≤x≤0.6 및 0≤y≤1.0를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 대한민국 등록특허공보 특0162875호에는 유전율이 40이상이며, 유전손실이 적고, 공진주파수의 온도계수를 0ppm/℃를 중심으로 +와 -쪽으로 필요에 따라 손쉽게 이동시킬 수 있는 일반식 (1-x)CaTiO₃-x[(1-y)La(Mg_1/2Ti_1/2)O₃-yLaAlO₃]으로 표시되는 조성계에서 0.3≤x≤0.6 및 0≤y≤1.0를 만족하는 마이크로파용 유전체 재료가 개시되어 있다.

그러나, 상술한 종래기술중 어느것도 본 발명과 같은 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃), CaTiO₃, Ca₂Nb₂O₇계 마이크로파용 유전체 재료를 개시하고 있지는 않다.

본 발명은 40이상의 유전율을 갖고, 품질계수가 높으며, 공진주파수의 온도계수를 일정한 범위내에서 제어할 수 있는 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃), CaTiO₃, Ca₂Nb₂O₇계 마이크로파용 유전체 재료를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 유전체 재료에 MnO₂또는 B₂O₃와 같은 소결조제를 첨가하여 양산시의 높은 온도에 따른 생산의 문제점을 제거하는 것이다.

일반적으로, 유전율이 큰 재료는 유전체 내부의 쌍극자, 결함 등으로 인하여 품질계수(Q)가 낮아지고, 공진주파수의 온도계수가 증가하는 경향이 있다.

CaTiO₃의 경우 800MHz 대역 이상에서 약 170 ~ 180 정도의 높은 유전율을 나타내지만, 공진주파수의 온도계수가 +800ppm/℃로 매우 높아서 마이크로파용 유전체 재료로는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명은 높은 유전율을 갖는 CaTiO₃를 상대적으로 낮은 유전율(25 ~ 27)를 갖지만, 높은 품질계수(140,000 ~ 150,000) 및 공진주파수의 온도계수가 -45ppm/℃인 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)와 유전율:33, 품질계수:2,500~3,000, 공진주파수의 온도계수가 -150ppm/℃인 Ca₂Nb₂O₇를 고용시켜 유전율 40이상, 높은 품질계수(50,000이상), 공진주파수의 온도계수를 -10ppm/℃ 사이에서 용이하게 제어할 수 있는 새로운 마이크로파용 유전체 재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 양산시의 높은 온도에 따른 생산의 문제점을 줄이기 위해 0.005 ~ 1.5wt%의 소결조제 MnO₂또는 B₂O₃를 부가적으로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유전체 재료는 다음의 화학식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.

(1-x-y)CaTiO₃-x[0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)]-y(Ca₂Nb₂0₇)

여기서, 0.3≤x ≤0.5, 0.3≤y ≤0.5이다.

즉, 본 발명의 유전체 재료는 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)와 CaTiO₃및 Ca₂Nb₂O₇가 각기 도 1의 빗금친 영역내의 조성범위로 결합하게 된다.

본 발명의 유전체 재료는 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)와 CaTiO₃및 Ca₂Nb₂O₇의 조성비에 따라 그 특성이 달라진다.

또한, 상기 화학식 1의 x값과 y값이 증가하여 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)및 Ca₂Nb₂O₇의 함량이 증가함에 따라 유전율은 45에서 40으로 감소하는 경향을 나타내고(도 2 참조), 품질계수는 54,324에서 55,710으로 증가한 후, 53,177로 다시 감소하며(도 3 참조), 공진주파수의 온도계수는 +에서 -로 변화된다.(도 4 참조)

따라서, (1-x-y)CaTiO₃-x[0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)]-y(Ca₂Nb₂0₇)(여기서, 0.3≤x≤0.5, 0.3≤x≤0.5이다)에서 x값과 y값을 조절하는 것에 의해 유전손실이 작고, 유전율이 40 ~ 45이고, 공진주파수의 온도계수가 ±10ppm/℃이내인 우수한 특성을 갖는 마이크로파 유전체 재료를 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 유전체 재료의 조성범위를 보인 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃), CaTiO₃, Ca₂Nb₂O₇3원계도.

도 2는 본 발명에 의한 유전체 재료의 조성변화에 따른 유전율 특성을 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 유전체 재료의 조성변화에 따른 품질계수 특성을 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 유전체 재료의 조성변화에 따른 공진주파수의 온도계수 특성을 나타내는 그래프.

실시예

원료분말은 일본 고순도 화학연구소의 CaCO₃(99.9%), TiO₂(99.9%), La₂O₃(99.9%), Al₂O₃(99.9%) 및 Nb₂O₅(99.9%)를 사용하였으며, 상기 화학식 1의 조성이 되도록 각 원료들을 정확히 평량한 후, 알코올과 지르코니아볼을 매체로 하여 16시간 습식 혼합 및 분쇄하여 건조시킨다. 이렇게 건조된 혼합분말을 1200℃에서 6시간 동안 하소하여 CaTiO₃, La_2/3TiO₃, LaAlO₃및 Ca₂Nb₂O₇분말을 제조한다.

이렇게 제조된 CaTiO₃, La_2/3TiO₃, LaAlO₃및 Ca₂Nb₂O₇분말을 아래의 표 1에 나타낸 조성이 되도록 평량한 후 24시간 동안 습식 혼합 및 분쇄한다. 이때, 원활한 성형을 위하여 PVA 205 10wt%, 수용액 5wt%, 올레인산 0.5wt%, 소결조제 B₂O₃또는 MnO₂0.5 ~ 2.0wt%를 동시에 첨가한다.

분쇄된 분말을 건조시켜 체거름한 후 직경이 12mm인 SKD-11 금형에서 약 1ton/Cm³의 압력으로 가압하여 두께가 5 ~ 6mm 정도인 시편을 성형한다.

성형된 시편을 실험용 전기로에서 1500 ~ 1550℃의 온도로 소결한다. 이때, 유기성분의 원활한 휘발을 위하여 600℃에서 1 ~ 2시간 유지시켜 주었으며, 충분한 입자성장이 일어나게 하기 위하여 1500 ~ 1550℃에서 6시간, 냉각속도를 3℃/분으로 설정한다.

유전율 및 품질계수(Q)의 측정은 TE₁₁공진모드를 이용한 Hakki-Coleman 방법을 이용하여 측정하였으며, -30℃, +25℃, +70℃에서 2시간 유지후의 공진주파수 변화를 측정하여 공진주파수의 온도계수를 계산하였다.

이렇게 해서 측정한 각 조성별 시편의 마이크로파 유전특성을 표 1에 나타낸다.

x	y	소결온도(℃)	유전율	Q_fo(GHz)	T_f(ppm/℃)
0.45	0.42	1500/6hr	44.26	52,516	19.51
		1525/6hr	45.22	53,198	19.58
		1550/6hr	45.70	53,880	19.44
0.45	0.43	1500/6hr	43.00	51,145	10.58
		1525/6hr	44.40	52,509	10.75
		1550/6hr	44.87	54,554	10.90
0.45	0.44	1500/6hr	41.74	51,820	1.65
		1525/6hr	43.10	52,502	1.50
		1550/6hr	43.56	54,547	1.28
0.45	0.45	1500/6hr	40.92	50,450	-7.28
		1525/6hr	41.36	51,131	-7.11
		1550/6hr	42.24	53,177	-7.59
0.46	0.42	1500/6hr	43.41	52,931	11.56
		1525/6hr	44.35	53,627	12.01
		1550/6hr	44.81	54,324	11.78
0.46	0.43	1500/6hr	42.14	52,228	2.63
		1525/6hr	42.59	53,620	2.48
		1550/6hr	43.95	55,710	2.51
0.46	0.44	1500/6hr	41.30	52,917	-6.30
		1525/6hr	41.74	53,614	-6.10
		1550/6hr	42.18	54,310	-6.57
0.46	0.45	1500/6hr	39.16	51,518	-15.75
		1525/6hr	40.02	53,607	-15.55
		1550/6hr	41.29	54,303	-15.88

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와같이, CaTiO₃를 0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃) 및 Ca₂Nb₂O₇와 적절한 조성비로 고용시키는 것에 의해 유전율 40 이상, 높은 품질계수(50,000 이상), 공진주파수의 온도계수를 -10ppm/℃ ~ +10ppm/℃ 사이에서 용이하게 제어할 수 있는 마이크로파용 유전체 세라믹 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명의 유전체 재료는 40이상의 유전율을 갖고, 품질계수(Q)가 높으며, 공진주파수의 온도계수를 일정한 범위내에서 용이하게 제어하는 것이 가능하다.

Claims

유전율 40이상, 품질계수 50,000이상을 갖고, 공진주파수의 온도계수가 -10ppm/℃ ~ +10ppm/℃인 마이크로파용 유전체 재료로서,

상기 유전체 재료가 일반식 (1-x-y)CaTiO₃-x[0.3(La_2/3TiO₃)-0.7(LaAlO₃)]-y(Ca₂Nb₂0₇)(여기서, 0.3≤x≤0.5 및 0.3≤y ≤0.5)를 만족하는 것을 특징으로 하는 마이크로파용 유전체 재료.