KR20040036377A - 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고유전율을 가지는 저온 동시소성 세라믹(LTCC : Low Temperature Co-fired Ceramics, 이하 LTCC) 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 저온 동시소성 세라믹에 적용되는 고유전율의 재료에 있어서, 고유전율을 가지는 유전체 재료인 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂가 3∼15 mol% 첨가되어 제조되는 TiO₂-TeO₂계 세라믹 조성물로서, TiO₂와 TeO₂의 원료 분말을 몰비로 칭량한 후 볼밀링하여 밀링된 분말을 얻는 단계; 상기 밀링된 분말을 하소하여 하소분말을 얻는 단계; 상기 하소분말을 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및 상기 성형체를 800∼950℃의 온도 범위에서 소성하는 단계를 포함하여 제조됨에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 TiO₂의 우수한 유전율 특성을 그대로 가지면서 동시에 TeO₂첨가에 의해 저온 소성이 가능하기 때문에 저온 동시소성 세라믹 기판의 제조에 사용될 수 있다.

Description

저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법{Low temperature co-fired dielectric ceramic compound and its manufacturing method}

본 발명은 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유전체 재료인 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂가 3∼15 mol% 첨가되어 제조되는 TiO₂-TeO₂계 세라믹 조성물로서, 고유전율을 가지면서도 저온 동시소성이 가능한 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통신기기의 급격한 발전에 따라서 관련 부품 역시 고성능화, 소형화, 모듈화 경향이 급격하게 진행되고 있으나, 기존의 PCB 기판으로는 소형화와 모듈화의 한계가 드러나면서, 3차원적으로 수동소자의 집적화가 가능한 저온 동시소성 세라믹(LTCC : Low Temperature Co-fired Ceramics, 이하 LTCC) 기판의 수요 및 기대가 증가되고 있다. LTCC 기판은 소결온도가 950℃ 이하로서 용융점이 961℃인 은(Ag)을 전극으로 사용하는데, 기존의 내부전극 재료인 팔라듐이나 백금과 비교하여 저가이며, 기판 내부 도선의 구성이 가능하고, 따라서 3차원 집적화가 가능한 특징을 가지고 있다. 그러나 부품의 경박, 단소화가 진행되면서 수동소자의 집적도가 높아져 기존 유전율 10 이하의 LTCC 재료만으로는 필터 및 콘덴서 등의 고유전율을 가지는 소자 구현에 한계가 드러나고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 연구로는, 일본공개특허 평5-120915호에서와 같이 적층부품으로 주로 사용되고 있는 세라믹 유전체 BaTiO₃의 소결온도를 낮추기 위해 Bi₂O₃와 같은 산화물 조결조제나 유리(glass)를 첨가하는 방법이 개시되어 있고, 또한 일본특허 제3082478호에서는 적층소자용 유전체로 (Mg,Ca)TiO₃에 유리를 첨가한 연구가 개시되었으며, 대한민국 등록 특허 제351711호에서도 BaO-TiO₂계 세라믹 조성물에 Li₂O, Ba₂O₃, SiO₂, V₂O₅를 첨가하여 저온소성다층 기판의 제조에 사용될 수 있는 유전체 세라믹에 대한 연구가 이루어졌다.

그러나, 상기와 같이 종래의 연구에서 기존 유전체 산화물에 유리를 첨가하는 방법은 소결 온도를 낮출 수는 있지만 온도변화에 따른 유전율의 변화가 커서 이동통신용 부품에는 사용될 수가 없거나 유전율의 저하 및 품질계수의 저하를 피할 수 없는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 우수한 유전율을 가지는 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂를 일정량 첨가하여 소결온도를 은(Ag) 전극의 용융점 보다 낮은 950℃이하가 되도록 하면서, 동시에 높은 유전율 특성을 가지는 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 소결온도 및 TeO₂첨가량에 따른 겉보기 밀도의 변화를 나타낸 것이다.

도 2는 TeO₂첨가량에 따른 유전 특성의 변화를 나타낸 것이다.

본 발명의 상기 목적은 고유전율을 가지는 유전체 재료인 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂가 첨가되어 제조되는 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물에 의해 달성된다.

본 발명의 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 저온 동시소성 세라믹에 적용되는 재료에 있어서, 고유전율을 가지는 유전체 재료인 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂를 3∼15 mol% 첨가하고 볼밀링과 하소 단계를 거쳐 성형체를 800∼950℃에서 소성함으로써 제조되는데, 이러한 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 TiO₂의 유전특성을 저하시키지 않고 저온소성이 가능하도록 한다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 통한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

본 발명의 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 TiO₂와 TeO₂의 원료 분말을 몰비로 칭량한 후 볼밀링하여 밀링된 분말을 얻는 단계와 상기 밀링된 분말을 하소하여 하소분말을 얻는 단계, 상기 하소분말을 성형하여 성형체를 얻는 단계 및 상기 성형체를 800∼950℃의 온도 범위에서 소성하는 단계를 포함하여 제조된다. 이 때 사용되는 TiO₂원료분말의 유전율은 90이상인 것이며, 상기 TiO₂와 TeO₂의 원료 분말을 칭량할 때 첨가되는 TeO₂의 함량은 3∼15 mol%로서 이하의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 또한 하소란 융점이하의 온도로 가열하여 수산화물과 유산염, 탄산염 등을 분해하거나 결정수를 제거하는 과정을 말하며, 상기의 하소하는 단계는 분말의 크기 및 혼합정도에 따라서 생략될 수도 있다.

실시예 1에서는 TeO₂첨가량과 소성온도에 따른 TiO₂-TeO₂계 세라믹 조성물의 겉보기 밀도(Apparent density)의 변화를 살펴보았다. TeO₂의 첨가량은 소성의 정도와 유전 특성의 변화 정도를 통해 결정되는데, 첨가량이 너무 적게 되면 소성에 의한 수축이 미약하여 조직의 치밀화를 이룰수가 없기 때문에 유전특성의 저하가 나타나며, 또 첨가량이 너무 많게 되면 TeO₂의 유전 특성에 영향을 많이 받게 되면서 역시 유전 특성의 저하를 피할 수 없기 때문이다. 겉보기 밀도(Apparent density)는 분말의 단위 부피당의 무게로서 성형체의 치밀화 정도를 알 수 있다.

도 1은 TeO₂첨가량과 소성온도를 달리하여 이 조건들에 따른 겉보기 밀도의 변화를 나타낸 것으로서, 소성온도 800℃ 이하에서와 첨가되는 TeO₂가 3mol% 이하일 때에는 거의 치밀화가 이루어지지 않았음을 알 수 있다.

따라서, 첨가되는 TeO₂의 최소 한계는 3mol% 이상이며, 소성온도는 적어도 800℃ 이상이 되어야 하므로 적정 소성 온도의 범위가 800℃이상 은(Ag) 전극의 용융점 이하인 950℃이하가 됨을 알 수 있다.

실시예 2에서는 TeO₂첨가량에 따른 유전율(Dielectric Constant)과 품질계수(Q×f)를 살펴본 것으로서, 유전특성의 측정은 Hakki-Coleman법에 의하여 네트워크 분석기를 통하여 이루어졌다.

도 2는 소성온도 850℃에서의 TeO₂첨가량에 따른 유전특성 변화를 나타낸 것으로서, TeO₂첨가량 3mol%일 때부터 유전율과 품질계수가 증가되다가 7mol% 내외에 이르렀을 때 유전율이 90이상이 되며 품질계수 역시 11,300이 되어 이 때의 유전율 및 품질계수가 가장 우수하였으며, TeO₂첨가량이 7mol%이상이 되면 유전율과 품질계수가 점차 감소하였다. 즉, 유전율이 80이상으로 증가되는 3mol% 가 TeO₂첨가의 최저량임을 알 수 있다. 실시예 2에서는 소성온도 850℃일 경우를 나타낸 것이고, 소성 온도가 800∼950℃ 이내에서 변화될 때 유전특성이 조금씩 변화한다.

즉, 실시예 1과 실시예 2를 통하여 소결체의 치밀화와 유전특성은 TeO₂첨가량이 7mol% 내외일 경우 가장 우수하였고, 적정 범위는 약 3∼15mol% 이내임을 알수 있다.

따라서, 본 발명의 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물은 유전 특성이 우수한 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂가 일정량 첨가되어 밀링과 하소, 성형 및 소결의 단계를 거쳐 제조된 세라믹 조성물로서, 우수한 유전특성을 보이면서 동시에 950℃이하의 저온에서 소결이 가능하기 때문에 현재 각광받고 있는 LTCC 기판에 적용될 수 있다.

Claims (5)

1. 저온 동시소성 세라믹(LTCC : Low Temperature Co-fired Ceramics)에 적용되는 고유전율의 재료에 있어서,

   고유전율을 가지는 유전체 재료인 TiO₂에 저온소결제인 TeO₂가 첨가됨을 특징으로 하는 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 TeO₂의 함량은 3∼15 mol%인 것을 특징으로 하는 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 TiO₂와 여기에 TeO₂가 첨가된 TiO₂-TeO₂계 유전체 조성물의 유전율이 80 이상임을 특징으로 하는 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물.
4. TiO₂와 TeO₂의 원료 분말을 몰비로 칭량한 후 볼밀링하여 밀링된 분말을 얻는 단계;

   상기 분말을 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및

   상기 성형체를 800∼950℃의 온도 범위에서 소성하는 단계

   를 포함하여 이루어진 TiO₂-TeO₂계 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 밀링된 분말을 얻는 단계와 성형체를 얻는 단계 사이에

   밀링된 분말을 하소하여 하소분말을 얻는 단계

   를 추가할 수 있음을 특징으로 하는 저온 동시소성 유전체 세라믹 조성물의 제조방법.