KR20010029622A - 고주파용 유전체 세라믹 조성물, 유전체 공진기, 유전체필터, 유전체 듀플렉서 및 통신기기 - Google Patents

고주파용 유전체 세라믹 조성물, 유전체 공진기, 유전체필터, 유전체 듀플렉서 및 통신기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파용 유전체 세라믹 조성물 및 그 이용에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고주파용 유전체 세라믹 조성물은 Ba, Ti, Nd, Sm, 및 Pr을 주성분으로 하여 이루어지며, 그 몰비 조성식 xBaO-TiO2-z{(1-m-n)Nd2O3-mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시된다. 여기서 계수 x, y, z, m, 및 n은 몰비를 표시하는데, x + y + z = 1, 0<m≤0.40, 0<n≤0.25 이고, 계수 x, y, 및 z는 3원 조성도(ternary diagram)의 점 A, B, C, 및 D로 경계되는 영역 내에 있다. 여기서 점 A는 (x = 0.16, y = 0.70, z = 0.14)에 있고, 점 B는 (x = 0.16, y = 0.68, z = 0.16)에 있고, 점 C는 (x = 0.13, y = 0.68, z = 0.19)에 있으며, 점 D는 (x = 0,13, y = 0.70, z = 0.17)에 있다. 여기에 더해서 상기 조성물은, 주성분 100 중량부에 대하여 Bi 화합물을 Bi2O3형태로 0을 초과하여 9 중량부 만큼(0 초과 9 이하) 첨가 성분으로서 더 포함하고, Fe 화합물을 Fe2O3형태로 0을 초과하여 0.3 중량부 만큼(0초과 0.3 이하) 첨가 성분으로서 더 포함한다. 이러한 고주파용 유전체 세라믹 조성물은 소성과정에서 높은 환원저항을 보이며, 마이크로파 대역에서 높은 비 유전 상수(relative dielectric constance) εr및 안정된 Q 값을 가지며, 공진 주파수의 온도 계수 τf를 0 ppm/℃ 근처에서 적당한 값으로 조절할 수 있다.

Description

고주파용 유전체 세라믹 조성물, 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신기기{High-frequency dielectric ceramic composition, dielectric resonator, dielectric filter, dielectric duplexer, and communication apparatus}
본 발명은 고주파용 유전체 세라믹 조성물 및 이러한 조성물을 이용한 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신기기에 관한 것이다.
유전체 세라믹 조성물은 휴대전화, 개인 무선기기 및 위성방송 수신기와 같이, 마이크로파 대역 및 밀리미터파 대역을 포함하는 고주파 대역에서 사용되는 전기기구에 탑재되는, 유전체 공진기 및 유전체 필터에 광범위하게 사용된다. 이러한 고주파 유전체 세라믹 구성물은 높은 유전상수 및 높은 Q 값을 필요로 하고, 공진 주파수의 온도계수를 0 근처의 적당한 값으로 맞출 필요가 있다.
종래, 발표된 유전체 세라믹 조성물을 예를 들면, BaO-Nd2O3-TiO2-PbO 조성물(일본 특허공보 소56-26321호), BaO-Nd2O3-TiO2-Bi2O3조성물(일본 특허공보 소59- 51091호), BaO-Nd2O3-Ce2O4-Sm2O3-TiO2-Bi2O3-Fe2O3조성물(일본 특허공개 소63-237304호) 및 BaO-Nd2O3-Sm2O3-TiO2-Bi2O3조성물(일본 특허공개 평4-104946호) 등이 있다.
이러한 종래의 BaO-Nd2O3-TiO2-PbO 및 BaO-Nd2O3-TiO2-Bi2O3조성물은 비 유전상수 εr에 비해서 낮은 Q 값을 가지는데, 이것은 유전체 공진기에 있어서는 부적한 수준이다. BaO-Nd2O3-Ce2O4-Sm2O3-TiO2-Bi2O3-Fe2O3조성물에 있어서, Fe2O3의 첨가에 의하여 Q 값은 향상되었지만 비 유전 상수는 실제적인 사용에 있어서 부적합한 수준까지 감소하였다. 비록 BaO-Nd2O3-Sm2O3-TiO2-Bi2O3조성물이 높은 Q 값을 가지지만, 소성과정에서 환원에 의하여 생성된 산소흠결 때문에 Q 값이 불안정하다.
따라서, 본 발명의 목적은 산소흠결이 발생하지 않는 즉, 소성과정 동안 높은 환원저항을 보이는 고주파용 유전체 세라믹 조성물을 제공하는 것이다. 이러한 조성물은 마이크로파 대역에서 높은 비 유전 상수(relative dielectric constance) εr및 안정된 Q 값을 가지며, 공진 주파수의 온도 계수 τf를 0 ppm/℃ 근처의 값으로 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 고주파용 유전체 세라믹 조성물을 사용하여 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서, 및 통신기기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 유전체 세라믹 조성물의 주성분의 조성비를 나타내는 3원 조성도(ternary diagram)이다.
도 2는 본 발명에 따른 유전체 공진기의 사시도이다.
도 3은 도 2에서 Ⅲ - Ⅲ을 잇는 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유전체 필터의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유전체 듀플렉서의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 통신 기기의 블록 다이어그램이다.
본 발명에 따르는 고주파 유전체 세라믹 조성물은 Ba, Ti, Nd, Sm, 및 Pr을 주성분으로 하여 구성되었으며, 몰비 조성식으로는 xBaO-TiO2-z{(1-m-n)Nd2O3- mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시된다. 여기서 계수 x, y, z, m, 및 n은 몰비를 표시하는데, x + y + z = 1, 0<m≤0.40, 0<n≤0.25 이고, 계수 x, y, 및 z는 3원 조성도(ternary diagram)의 점 A, B, C, 및 D로 경계되는 영역 안에 있다. 여기서 점 A는 (x = 0.16, y = 0.70, z = 0.14)에 있고, 점 B는 (x = 0.16, y = 0.68, z = 0.16)에 있고, 점 C는 (x = 0.13, y = 0.68, z = 0.19)에 있으며, 점 D는 (x = 0,13, y = 0.70, z = 0.17)에 있다. 여기에 더해서 상기 조성물은, 주성분 100 중량부에 대하여 Bi 화합물을 Bi2O3형태로 해서 0 초과 9 중량부 만큼 첨가 성분으로서 더 포함하고, Fe 화합물을 Fe2O3형태로 해서 0 초과 0.3 중량부 만큼 첨가 성분으로서 더 포함한다.
본 발명에 따른 유전체 공진기는 유전체 세라믹 소자와 입/출력 단자(input/ output terminal)로 구성되는데, 이러한 유전체 공진기는 유전체 세라믹 부분이 입/출력 단자에 전자기적으로 결합함으로써 작동되고, 여기서 상기 유전체 세라믹 소자는 상기 고주파용 유전체 세라믹 조성물로 구성된다.
본 발명에 따른 유전체 필터는 상기 유전체 공진기와 외부 결합 수단으로 구성된다.
본 발명에 따른 유전체 듀플렉서는 적어도 2개의 유전체 필터, 각각이 각각의 유전체 필터에 접속되는 입/출력 접속 수단, 및 유전체 필터에 공통으로 접속된 안테나 접속수단으로 구성되는데 여기서 적어도 하나의 유전체 필터는 상기에 언급된 유전체 필터이다.
<발명의 실시형태>
도 2는 본 발명에 따른 유전체 공진기의 사시도이며, 도 3은 도 2에서 Ⅲ - Ⅲ을 잇는 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 3를 참조하면, 유전체 공진기 1은횡 전자기(traverse electromagnetic; TEM) 모드 형태의 것이며, 내부도체 3a로 채워진 관통 구멍을 가지는 각기둥 형상의 유전체 세라믹 소자 2로 구성되어 있다. 유전체 공진기 1의 측면은 외부도체 3b로 둘러싸여 있다. 유전체 세라믹 소자 2가 전자기적으로 입/출력 단자 즉, 외부결합 수단과 결합되어 있을 때, 유전체 세라믹 소자 2는 유전체 공진기로서 작동한다. 유전체 세라믹 소자 2는 본 발명에 따른 고주파용 유전체 세라믹 조성물로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 각기둥 형상 이외의 다른 어떤 형상도 적용될 수 있고, 횡 자기(traverse magnetic; TM) 모드나 횡 전기(traverse electric; TE) 모드와 같이 TEM 모드 이외의 어떤 모드도 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 유전체 필터의 사시도이다. 유전체 필터 4는, 관통구멍을 가지는 상기의 유전체 세라믹 소자 2, 내부 도체 3a, 및 외부 도체 3b로 구성된 상기의 유전체 공진기 및 외부 결합수단 5를 포함하고 있다. 비록 도 4에 나타난 유전체 필터 4는 블록 형태(block type)이지만 유전체 필터 4는 분절된 형태(discrete type)일 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 유전체 듀플렉서의 사시도이다. 유전체 듀플렉서 6은 두 개의 유전체 필터, 유전체 필터 중 하나와 접속된 입력 접속 수단 7, 다른 유전체 필터와 접속된 출력 접속수단 8, 및 상기 두 개의 유전체 필터에 공통으로 접속된 안테나 접속수단을 포함한다. 각각의 유전체 필터는 관통 구멍을 가지는 유전체 세라믹 소자 2, 내부도체 3a, 외부도체 3b로 이루어져 있다. 비록 도 5에 나타난 유전체 듀플렉서 6은 블록 형태이지만, 듀플렉서 6은 분절된 형태일 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 통신 기기의 블록 다이어그램이다. 통신 기기 10은 유전체 듀플렉서 12, 송신회로 14, 수신회로 16, 및 안테나 18을 포함한다. 송신회로 14는 유전체 듀플렉서의 입력 접속수단 20에 접속되어 있고, 수신회로 16은 유전체 듀플렉서 12의 출력 접속수단 22에 접속되어 있다. 안테나 18은 유전체 듀플렉서 12의 안테나 접속수단 24에 접속되어 있다. 유전체 듀플렉서 12는 두 개의 유전체 필터 26과 28을 포함한다. 유전체 필터 26과 28 각각은 상기 유전체 공진기 1 및 외부결합수단 30으로 이루어져 있다. 유전체 필터 26은 입력 접속수단 20과 안테나 접속수단 24 사이에 접속되어 있으며, 유전체 필터 28은 안테나 접속수단 24와 출력 접속수단 22 사이에 접속되어 있다.
본 발명에 의한 고주파용 세라믹 조성물은 주성분으로서 Ba, Ti, Nd, Sm, 및 Pr을 포함하며, 몰비 조성식으로는 xBaO-TiO2-z{(1-m-n)Nd2O3-mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시된다. 여기서 계수 x, y, z, m, 및 n은 몰비를 표시하는데, x + y + z = 1, 0<m≤0.40, 0<n≤0.25 이고, 계수 x, y, 및 z는 도 1에 나타나 있는 3원 조성도(ternary diagram)의 점 A, B, C, 및 D로 경계되는 영역 안에 있다. 여기서 점 A는 (x = 0.16, y = 0.70, z = 0.14)에 있고, 점 B는 (x = 0.16, y = 0.68, z = 0.16)에 있고, 점 C는 (x = 0.13, y = 0.68, z = 0.19)에 있으며, 점 D는 (x = 0,13, y = 0.70, z = 0.17)에 있다. 여기에 더해서 조성물은, 주성분 100 중량부에 대하여, Bi 화합물을 Bi2O3형태로 0 초과 9 중량부 만큼 첨가 성분으로서 더 포함하고, Fe 화합물을 Fe2O3형태로 0 초과 0.3 중량부 만큼 첨가 성분으로서 더 포함한다.
이 조성물은 소성 과정동안 세라믹 조성물 내에서 산소흠결이 거의 생기지 않고, 높은 환원 저항을 가지며, 높은 비 유전 상수 εr및 높고 안정된 Q 값을 가지며, 공진 주파수의 온도계수 τf를 0 ppm/℃ 근처에서 적당하게 조절할 수 있다.
<실시예>
본 발명을 아래 실시예를 참고로 설명하겠다.
탄산바륨(BaCO3), 산화 네오디움(Nd2O3), 산화 사마리움(Sm2O3), 산화 프라세오디움(Pr2O11/3) 및 산화 티타늄(TiO2)을 주요성분으로서의 출발물질로 준비하고, 산화 비스무스(Bi2O3) 및 산화철(Fe2O3)을 첨가성분으로서의 출발물질로 준비하였다(모든 물질은 분말화 하였다). 각각의 시료에 대하여 표 1에 나타난 비율대로 무게를 달았다. 여기서 계수 x, y, z, m, 및 n은 화학식 xBaO-TiO2-z{(1-m-n)Nd2O3- mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시되는 주성분의 몰비를 나타내고, Bi2O3의 양 및 Fe2O3의 양은 주성분의 100 중량부에 대한 중량비로 나타내었다.
이 성분들을 볼 밀(ball mill)을 이용하여, 습식 혼합하고 혼합물을 탈수시키고 말린 후, 최소한 1 시간 동안 1000∼1200℃에서 가열 산화시켰다(calcined). 가열 산화된 생산물을 분쇄하고 유기 접착제와 혼합하였다. 혼합물을 성형하고 1,300∼1400℃의 온도에서 공기 중에서 또는 산소 농도가 0.1 부피% 미만으로 포함된 질소환경 하에서 소성하여 지름 10mm, 두께 5mm를 가지는 판상의 소성된 압축 성형체를 제조하였다.
소성된 압축 성형체의 고유의 유전상수(specific dielectric constant; 비 유전상수) εr및 Q 값은 25℃의 온도 및 4∼5 GHz의 주파수에서, 양단 단락 회로형 유전체 공진기 법(terminal- short-circuiting-type dielectric resonator method)에 의하여 측정하였는데, Q 값은 "Q×f=상수" 라는 식에 의하여 1 GHz의 값으로 환산하였다. 25℃ 내지 55℃ 사이에서 공진 주파수의 온도계수 τf는 TEM 모드의 공진 주파수로부터 결정하였다. 그 결과는 표 1에 나타나 있는데, 별표(*)가 찍혀있는 시료는 그 시료의 조성이 본 발명의 범위를 벗어남을 나타낸다.
표 1에서는 본 발명에 따르는 조성을 가지는 시료는 높은 비 유전상수 εr및 높은 Q 값을 나타낸다는 것을 보여준다. 또한, 공진 주파수의 온도계수 τf ppm/℃는 0 ppm/℃ 근처의 적당한 값으로 조절될 수 있다. 또한 질소 또는 환원환경 하에서 소성된 본 발명의 시료들은 세라믹 조성물에 산소흠결이 생기지 않았기 때문에 높은 Q 값을 가진다.
요약하면, Fe2O3를 기준으로(Fe2O3로 환산하여) Fe의 함량이 0.3 중량% 이하인 경우에, 비 유전 상수 εr을 감소함이 없이 환원저항을 높일 수 있다. Pr2O11/3의 함량 n이 0<n≤0.25 인 경우, 충분히 높은 비 유전 상수 εr및 높은 Q 값이 얻어진다. 본 발명의 범위밖에 있는 시료 8과 본 발명에 따르는 시료 10을 비교했을 때, 소량의 Fe2O3를 첨가 성분으로서 함유하고 있는, 본 발명에 따르는 세라믹 조성물은 질소 환경 또는 환원환경에서 소성된 후에 Q값의 감소 없이 높은 환원저항을 보였다. 본 발명에 따르는 시료 10을 본 발명의 범위밖에 있는 시료 23과 비교했을 때, 충분히 높은 비 유전 상수 εr및 0 근처에서 공진 주파수의 바람직한 온도계수 τf는 Pr2O11/3의 함량이 상기 범위일 경우에만 얻어진다는 것을 알 수 있다.
도 1 및 표 1을 참고로, 식 xBaO-TiO2-z{(1-m-n)Nd2O3-mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시되는 주성분의 함량 및 첨가하는 Bi 및 Fe의 함량을 제한하는 이유를 설명한다.
BaO의 함량을 나타내는 계수 x는 도 1의 3원 조성도에서 보인 것처럼 0.13 ≤ x ≤0.16 의 범위 내에 있다. x<0.13인 경우, 비 유전 상수 εr및 Q 값은 모두 낮다(도 1에서 시료 4 및 시료 16 참조). x>0.16인 경우, Q 값은 낮고 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 상승한다(시료 1 및 6 참조).
TiO2의 양을 나타내는 계수 y는 도 1의 3원 조성도에서 보이는 것처럼 0.68 ≤ y ≤0.70의 범위에 있다. y < 0.68 일 때, 소성은 만족스럽지 못하다(표 1의 시료 3 및 5 참조). y > 0.70 인 경우, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 상승한다(시료 21 및 22 참조).
계수 z는 도 1의 3원 조성도에서 보이는 것처럼 0.14 ≤ z ≤0.19의 범위에 있다. z < 0.14 일 때, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 상승한다(표 1의 시료 1 및 22 참조). z > 0.19 인 경우, 소성은 만족스럽지 못하고, 비 유전 상수 εr및 Q 값은 모두 낮으며, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 상승한다(시료 3 및 16 참조).
Sm2O3의 양을 나타내는 계수 m은 0 < m ≤0.40의 범위에 있다. m = 0 일 때, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 상승했다(표 1의 시료 20 참조). m > 0.40 인 경우, 공진 주파수의 온도계수 τf는 음의 방향으로 상당히 증가한다(시료 7 참조).
Pr2O11/3의 양을 나타내는 계수 n은 0 < n ≤0.25의 범위에 있다. n = 0 일 때, 비 유전 상수 εr값은 낮으며, 공진 주파수의 온도계수 τf는 음의 방향으로 상당히 증가한다(표 1의 시료 23 참조). n > 0.25 인 경우, Q 값은 낮으며 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 증가한다(시료 26 참조).
Bi의 양은 Bi2O3형태를 기준으로 0을 초과하여 9 중량부까지 이다. Bi의 양이 0 중량부일 때, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 증가한다(시료 15 참조). Bi의 양이 9 중량부를 초과할 때, 비 유전 상수 εr값 및 Q 값은 낮으며, 공진 주파수의 온도계수 τf는 양의 방향으로 상당히 증가한다(시료 18 참조).
Fe의 양은 Fe2O3형태를 기준으로 0을 초과하여 0.3 중량부 만큼(0초과 0.3 이하)이다. Fe의 양이 0 중량부일 때, 질소환경 하에서 소성후의 환원에 의한 산소흠결 때문에, Q값은 감소한다. Fe의 양이 0.30 중량부를 초과할 경우, 공기중의 소성 및 질소환경 하에서 소성 후에 두 경우 모두 비 유전 상수 εr값 및 Q 값은 낮으며, 공진 주파수의 온도계수 τf는 음의 방향으로 상당히 증가한다(시료 13 및 14 참조).
상기 시료에 있어서 산화 비스무스(bismuth oxide) Bi2O3및 산화 철(iron oxide) Fe2O3는 주성분을 가열 산화하기 전에 첨가 성분으로서 첨가한다. 이러한 첨가 성분은 주성분을 가열 산화한 후에 첨가할 수도 있다.
본 발명에 의한 소성과정 동안 세라믹 조성물 내에는 산소흠결이 좀처럼 생기지 않는다. 그러므로 이러한 세라믹 조성물은 소성과정 동안 높은 환원저항을 보이며, 마이크로파 대역에서 높은 비 유전 상수 εr값 및 안정된 Q 값을 가지며, 공진 주파수의 온도계수 τf를 0 ppm/℃ 근처에서 적당하게 조절할 수 있다.
그러므로, 상기 조성물을 가지는 유전체 세라믹 소자를 사용하는 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 기기 또한 만족스러운 특성을 가진다.
본 발명에 의한 고주파 유전체 세라믹 조성물은, 마이크로파 대역 등의 고주파 대역에서 높은 비 유전 상수 εr및 안정된 Q 값을 가지며, 공진 주파수의 온도 계수 τf를 0 ppm/℃ 근처에서 적당한 값으로 조절할 수 있는 특성을 가지며, 상기 조성물의 이러한 특성을 이용하여 고주파 대역에서 안정된 유전체 공진기, 유전체 필터, 유전체 듀플렉서 및 통신 기기를 제작할 수 있다.

Claims (5)

  1. Ba, Ti, Nd, Sm, 및 Pr을 주성분으로 포함하고, 식 xBaO-TiO2-z{(1-m-n) Nd2O3-mSm2O3-nPr2O11/3}으로 표시되며, 상기 식에서의 계수 x, y, z, m, 및 n은 몰비를 표시하고, x + y + z = 1, 0<m≤0.40, 0<n≤0.25 이며, 상기 계수 x, y, 및 z는 3원 조성도(ternary diagram)의 점 A, B, C, 및 D로 경계되는 영역 안에 있으며;
    상기 점 A는 (x = 0.16, y = 0.70, z = 0.14)에 위치하고,
    상기 점 B는 (x = 0.16, y = 0.68, z = 0.16)에 위치하고,
    상기 점 C는 (x = 0.13, y = 0.68, z = 0.19)에 위치하고, 그리고
    상기 점 D는 (x = 0,13, y = 0.70, z = 0.17)에 위치하고;
    상기 조성물은, 주성분 100 중량부에 대하여 Bi 화합물을 Bi2O3형태를 기준으로 0 중량부 초과 9 중량부 이하만큼 첨가 성분으로서 더 포함하고, Fe 화합물을 Fe2O3형태를 기준으로 0 중량부 초과 0.3 중량부 이하만큼 첨가 성분으로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파용 유전체 세라믹 조성물.
  2. 유전체 세라믹 소자 및 입/출력 단자를 포함하고, 상기 유전체 세라믹 소자를 입/출력 단자에 전자기적으로 결합함으로써 작동되는 유전체 공진기에 있어서, 상기 유전체 세라믹 소자는 상기 제 1항에 따른 고주파용 유전체 세라믹 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기.
  3. 상기 제 2항에 따른 유전체 공진기 및 외부 결합 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 필터.
  4. 적어도 2개의 유전체 필터;
    각각 상기 유전체 필터에 각각 접속되는 입/출력 접속 수단; 및
    유전체 필터에 공통으로 접속된 안테나 접속수단을 포함하고,
    상기 유전체 필터 중 적어도 하나의 유전체 필터는 상기 제 3항에 따른 유전체 필터임을 특징으로 하는 유전체 듀플렉서.
  5. 상기 제 4항에 따른 유전체 듀플렉서;
    상기 유전체 듀플렉서의 입/출력 접속수단 중 적어도 하나에 접속되어 있는 송신회로;
    상기 송신회로가 접속된 적어도 하나의 입/출력 접속수단과 다른 적어도 하나의 입/출력 수단에 접속된 수신회로; 및
    상기 유전체 듀플렉서의 안테나 접속수단에 접속된 안테나;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신기기.
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