KR20040051732A - 유전체 세라믹 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 (1)을 기본 조성으로 갖는 새로운 유전체 세라믹 조성물을 제공한다:
BaTiO3-PbO-Nd2O3-Re2O3(1)
상기 식에서,
Re는 희토류 원소로서, 어븀(Er), 이테르븀(Yb), 디스프로슘(Dy), 유러퓸(Eu), 홀뮴(Ho) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합이다.
상기 유전체 세라믹 조성물로 제조된 유전체는 종래의 유전체와 비교하여 유전율이 높고, 품질 계수가 향상되며, 기계적 강도가 보다 우수하여 전자통신 부품의 재료로서 상당히 유용하다. 또한, 적정 범위의 소결 온도 및 희토류 원소의 치환량으로 제조된 유전체는 종래의 유전체와 비교하여 상당히 우수한 물성을 나타낸다.

Description

유전체 세라믹 조성물{Dielectric ceramic composition}
본 발명은 유전체 세라믹 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자통신 부품에 사용되는 높은 유전율, 높은 품질 계수(Quality factor, Q*f)의 유전체 세라믹 조성물에 관한 것이다.
마이크로파 공진기, LC 필터, 적층 커패시터 및 다층 회로 기판(PCB) 등의 전자통신 부품에 사용되는 고유전율 유전체는 주로 공진기(Resonator)로 이용되고 있는데, 여기에 사용되는 유전체 세라믹 조성물로 BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3, BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2, BaO-PbO-Nd2O3-TiO2-Bi2O3를 기본 조성으로 Pr6O11, Sm2O3를 사용하는 유전체(미국특허 제4,500,942호), BaO-TiO2-ReO2/3를 사용하는 유전체(대한민국 특허공개 제1999-62997호), BaO-Nd2O3-TiO2-Bi2O2(미국특허 제4,866,017호), (Ba, Pb)O-(Nd2O3, CeO2, La2O3)-TiO2(미국특허 제5,688,732호) 등 유전율이 80 이상인 다양한 유전체가 이용되고 있다.
이 중, 티탄산바륨(BaTiO3)계 유전체는 고강도, 고유전율 및 기타 전기적 특성이 우수한 소재로서, 통상 1300∼1400℃의 고온에서 소결된다.
또한, 전자통신 부품에 사용되는 유전체는 고주파 조건에서도 품질 계수가 높아서 전자통신 부품의 손실을 최소화시켜야 한다. 나아가, PCB 및 보드 실장 후 절단시 파괴 강도 등 기계적 강도가 향상되어야 한다.
따라서, 전자통신 부품용으로 사용하기에 적합한 유전체의 조건으로서는 i) 유전율이 높아야 하고, ii) 품질 계수가 높아야 하며, 아울러 iii)기계적 강도가 우수하여야 한다. 현재 유전율과 품질 계수가 높은 유전체 세라믹 조성물로 제안되고 있는 대표적인 것으로는, 상기 미국특허 제4,500,942호의 BaO-PbO-Nd2O3-TiO2-Bi2O3를 기본 조성으로 Pr6O11, Sm2O3를 사용하는 유전체가 있으나, 이들 조성의 유전율과 품질 계수는 전자통신 부품으로 사용하기에는 아직 미흡한 실정에 있다.
본 발명자 등은 종래의 유전체 세라믹 조성물의 단점을 해결하고자 예의 연구한 결과, 티탄산바륨(BaTiO3)계 유전체 세라믹 조성물에 희토류 원소를 더 첨가함으로써, 전자통신 부품을 제조하기 위한 신규한 유전체 세라믹 조성물을 발견하고 본 발명에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 유전율이 높고, 품질 계수가 향상되며, 기계적 강도가 우수한 유전체 세라믹 조성물을 제공하는데 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예 2에 따른 희토류 원소로서 다양한 치환량의 어븀(Er)이 치환된 유전체 세라믹 조성물의 소결 온도 변화에 따른 유전율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 실시예 2에 따른 희토류 원소로서 다양한 치환량의 어븀(Er)이 치환된 유전체 세라믹 조성물의 소결 온도 변화에 따른 품질 계수(Q*f) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 실시예 3에 따른 희토류 원소로서 다양한 치환량의 이테르븀(Yb)이 치환된 유전체 세라믹 조성물의 소결 온도 변화에 따른 유전율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시예 3에 따른 희토류 원소로서 다양한 치환량의 이테르븀(Yb)이 치환된 유전체 세라믹 조성물의 소결 온도 변화에 따른 품질 계수(Q*f) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 희토류 원소로서 네오디뮴(Nd)이 치환된 유전체 세라믹 조성물과 종래의 유전체 샘플(원주형)에 대해 측정한 파단강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따른 희토류 원소로서 네오디뮴(Nd)이 치환된유전체 세라믹 조성물과 종래의 유전체 샘플(직방형)에 대해 측정한 파단강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물은 하기 화학식 (1)을 기본 조성으로 하는 것을 특징으로 한다.
BaTiO3-PbO-Nd2O3-Re2O3(1)
상기 식에서,
Re는 희토류 원소로서, 어븀(Er), 이테르븀(Yb), 디스프로슘(Dy), 유러퓸(Eu), 홀뮴(Ho) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물에 TiO2, PbTiO3및 BaTiO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 세라믹 조성물을 더 함유할 수 있다. 이때, 상기 TiO2, PbTiO3및 BaTiO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 세라믹 조성물은 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물 100중량부 기준으로 0.01~80중량%로 함유된다.
또한, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물을 사용하여 유전체의 제조시, 먼저 상기 조성물을 칭량하여 1000∼1500℃에서 2∼3시간 하소하고, 일반적인 소성 공정에 따라 상기 하소물을 분쇄한 후, #80∼#120메쉬로 체거름한다. 이어서, 상기 체거름한 원료를 성형한 후, 그 성형물을 1250∼1350℃에서 소결하는 것을 특징으로 한다. 이때, 소결은 일반적인 전기로와 같이 발열체에 의한 저항 가열방식의 가열로에서 수행할 수도 있고, 급속 소결을 위해 마이크로파를 조사함으로써 가열하여 원활한 화학적 반응을 유발하고, 자기공명 흡수에 의한 자체 발열로 소결시간을 단축할 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물을 이용하여 유전체를 제조하는실시예가 상세히 기재되어 있으나, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예: 유전체 BaTiO 3 -PbO-Nd 2 O 3 - Re 2 O 3 (이때, Re는 Er, Yb)의 제조
상기 표제 유전체의 조성비를 갖도록, 각 원료를 칭량한 후 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합물을 1000∼1500℃의 가열로에서 2∼3시간 하소하여, 하소물을 형성하였다. 이후, 상기 하소물과 첨가제로서 PbTiO3, TiO2를 볼 밀법에 의해 분쇄한 후, #80∼#120메쉬로 체거름하였다. 다음, 체거름된 원료를 1000kg/m2압력으로 금형에서 성형한 후, 그 성형물을 각각 1250∼1350℃에서 소결하여 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3 -Re2O3를 제조하였다.
위에서 얻어진 유전체와 종래의 유전체 BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3와 BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2의 유전 특성(유전율, 품질 계수)을 하키-콜만법(Hakki-Colman Method)에 따라 측정하였고, 기계적 강도(파단 강도)을 KSM 3816(플라스틱의 압축강도 시험방법)에 준하여 비교 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1 내지 3, 도 3a, 3b에 나타낸다.
유전율 측정
유전체 조성 유전율
BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3 94
BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2 90
BaTiO3-Nd2O3-PbO-Er2O3(Yb2O3) 91
품질 계수 측정
유전체 조성 품질 계수(Q*f) TCF(ppm/℃)
BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3 3000 21
BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2 5500 9.1
BaTiO3-Nd2O3-PbO-Er2O3(Yb2O3) 6000 -3
파단 강도 측정 (도 3a의 샘플 2 참조)
유전체 조성 파단 강도 (kN)
BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3 42kN
BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2 40kN
BaTiO3-Nd2O3-PbO-Er2O3(Yb2O3) 48kN
상기 표 1 내지 3, 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물은 유전율에 있어서는 종래의 유전체 BaCO3-TiO2-PbO-Nd2O3와 BaCO3-TiO2-Sm2O3-Nd2O3-Bi2O3-MnO2에 비해 차이가 없었으나, 품질 계수 및 파단 강도에 있어 상당히 향상되었다.
이는 전자통신 부품의 재료로서 본 발명의 유전체 세라믹 조성물로 제조된 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3 -Re2O3가 상당히 유용함을 시사하고 있다.
실시예 2: 유전체 BaTiO 3 -PbO-Nd 2 O 3 -Er 2 O 3 의 제조
다양한 치환량의 어븀(Er)을 사용하여 소결 온도를 각각 1280℃ 및 1300℃에서 3시간 동안 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 절차에 따라 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Er2O3를 제조하였다. 이렇게 제조된 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Er2O3의 소결 온도와 Er의 치환량에 따른 유전율 변화와 품질 계수 변화를 도 1a 및 도 1b에 나타내었다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 온도 변화와 Er 치환량에 따른 유전율 및 품질 계수는 전자통신 부품을 제조하기 위한 조건을 모두 만족시킴을 알 수 있다.
따라서, 전자통신 부품의 재료로서 본 발명의 유전체 세라믹 조성물로 제조된 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Er2O3가 상당히 유용하다.
실시예 3: 유전체 BaTiO 3 -PbO-Nd 2 O 3 -Yb 2 O 3 의 제조
다양한 치환량의 이테르븀(Yb)을 사용하여 소결 온도를 각각 1280℃ 및 1300℃에서 3시간 동안 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 절차에 따라 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Yb2O3를 제조하였다. 이렇게 제조된 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Yb2O3의 소결 온도와 Yb의 치환량에 따른 유전율 변화와 품질 계수 변화를 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 온도 변화와 Yb 치환량에 따른 유전율 및 품질 계수는 전자통신 부품을 제조하기 위한 조건에 적합함을 알 수 있다.
따라서, 전자통신 부품의 재료로서 본 발명의 유전체 세라믹 조성물로 제조된 유전체 BaTiO3-PbO-Nd2O3-Yb2O3가 상당히 유용하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유전체 세라믹 조성물로 제조된 유전체는 종래의 유전체와 비교하여 유전율이 높고, 품질 계수가 향상되며, 기계적 강도가 보다 우수하여 전자통신 부품의 재료로서 상당히 유용하다.
또한, 적정 범위의 소결 온도 및 희토류 원소의 치환량으로 제조된 유전체는 종래의 유전체와 비교하여 상당히 우수한 물성을 나타낸다.

Claims (4)

  1. 하기 화학식 (1)을 기본 조성으로 갖는 유전체 세라믹 조성물:
    BaTiO3-PbO-Nd2O3-Re2O3(1)
    상기 식에서,
    Re는 희토류 원소로서, 어븀(Er), 이테르븀(Yb), 디스프로슘(Dy), 유러퓸(Eu), 홀뮴(Ho) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합이다.
  2. 제 1항에 있어서, TiO2, PbTiO3및 BaTiO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 TiO2, PbTiO3및 BaTiO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종이 0.01~80중량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹 조성물.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 유전체 세라믹 조성물을 1250∼1350℃에서 소결하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유전체.
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