KR20140072728A - 유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터 - Google Patents

유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 세라믹 분말; 및 상기 세라믹 분발 100 중량부에 대하여 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제 0.5 내지 5 중량부;를 포함하는 유전체 조성물을 제공한다.

Description

유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터{Dielectric composition and multi-layer ceramic capacitor by using the same}
본 발명은 비인산계 분산제를 적용한 유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터에 관한 것이다.
21세기 정보산업사회를 맞이하여, 전자산업의 필수적 수동소자중 하나인 적층세라믹캐패시터(Multilayer ceramic capacitor, MLCC)가 주로 사용되고 있는 가전, PC, HHP등과 같은 제품군에서는 점차 디지털화, 고성능화, 고신뢰성화 및 멀티미디어화가 진행되고 있으며, 이에 따라 MLCC 부품도 고용량화와 더불어 소형화가 가속화되고 있다. 이를 위해서는 유전체 시트(sheet)의 박층화가 이루어져야 하며, 이와 더불어 유전체 시트 내 포함된 그레인이 적절한 크기의 입경과 균일한 입도 분포를 가질 것이 요구된다.
이를 위해 종래에는 유전체 분말의 분산을 위해 인산을 포함하는 인산계 분산제를 주로 사용하였으나 소결 후 불순물로 작용하는 이차상이 다량 발생하며 비정상적인 입자성장이 촉진되는 문제가 있다. 따라서 인산을 포함하지 않으면서 충분한 분산력이 확보되는 비인산계 분산제가 필요한 실정이다.
하기 특허 문헌 1은 폴리 아크릴계 분산제를 제시하나 폴리 아크릴계 분산제의 경우 본 발명과 그 성분을 달리할 뿐 아니라 소성 후 잔탄이 많이 남는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0879034 호
본 발명은 비인산계 분산제를 적용한 유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 세라믹 분말; 및 상기 세라믹 분발 100 중량부에 대하여 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제 0.5 내지 5 중량부;를 포함하는 유전체 조성물을 제공한다.
상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량은 500g/mol 내지 10,000g/mol일 수 있다.
상기 유전체 조성물은 테르피네올계 용제 또는 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 및 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시형태는 세라믹 분말 및 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제를 포함하는 유전체 조성물로 형성되는 복수의 유전체 층을 포함하는 세라믹 본체; 상기 세라믹 본체 내에서 상기 유전체 층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 및 제2 내부전극; 상기 제1 내부전극과 전기적으로 연결된 제1 외부전극; 및 상기 제2 내부전극과 전기적으로 연결된 제2 외부전극; 을 포함하고, 상기 유전체 층은 복수 개의 유전체 그레인을 포함하며 상기 유전체 그레인의 평균 입경은 유전체 층 두께의 1/3 내지 1/2인 적층 세라믹 커패시터를 제공한다.
상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량은 500g/mol 내지 10,000g/mol일 수 있다.
상기 유전체 조성물은 테르피네올계 용제 또는 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 및 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 입도 분포가 균일하고, 불순물의 함량이 적으며 수축 거동 제어가 용이한 유전체 조성물 및 이를 이용한 고 신뢰성의 적층 세라믹 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층 세라믹 커패시터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시 예(도 3a)와 비교 예(도 3b)의 유전체 조성물을 적용한 적층 세라믹 커패시터의 길이-두께 방향 단면의 SEM(scanning electron microscope)사진이다.
도 4a 및 도 4b는 실시 예(도 4a)와 비교 예(도 4b)의 유전체 조성물을 적용한 적층 세라믹 커패시터의 유전체 층에 포함된 유전체 그레인의 입도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 실시 예(도 5a)와 비교 예(도 5b)의 유전체 조성물을 적용하여 적층 세라믹 전자부품을 제조하는 경우 1130℃ 및 1135℃ 조건에서의 소결 수축 거동을 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 실시 예(도 6a)와 비교 예(도 6b)의 유전체 조성물을 600℃ 까지 가열하면서 온도에 따른 잔탄(carbon residue)의 중량%를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명의 실시 예들을 명확하게 설명하기 위해 육면체의 방향을 정의하면, 도면 상에 표시된 L, W 및 T는 각각 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향을 나타낸다. 여기서, 두께 방향은 유전체 층이 적층된 적층 방향과 동일한 개념으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 세라믹 분말; 및 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제;를 포함하는 유전체 조성물을 제공한다.
상기 세라믹 분말은 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산바륨에 칼슘(Ca) 지르코늄(Zr) 또는 주석(Sn) 등과 같은 원소가 고용된 형태의 (Ba1 - xCax)(Ti1 - yCay)O3, (Ba1 - xCax)(Ti1 - yZry)O3, Ba(Ti1 - yZry)O3 ,(Ba1 - xCax)(Ti1 - ySny)O3 분말 또는 이들의 혼합 분말일 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제는 인산을 포함하지 않아 이차상의 생성과 비정상적인 입자성장이 억제된다.
구체적으로 인산계 분산제를 적용하여 세라믹 전자부품을 제조하는 경우 인산이 P2O5 형태로 존재하다가 소결 시 약 520℃에서 액상이 되어 세라믹 분말의 표면에 균일한(homogeneous) 표면 도핑(surface dopping)을 형성하게 된다. 이후 520℃ 이상으로 계속하여 온도가 상승하면 표면에 도핑된 P2O5가 세라믹 분말에 포함된 BaO 성분과 반응하면서 다양한 바륨-인(Ba-P) 계열의 중간 화합물을 만들게 되고 세라믹 분말에 포함된 바륨(Ba)이 소진되어 산화티타늄 리치(rich)상을 형성하게 된다. 이러한 산화티타늄은 BaTiO3-TiO2 유텍틱(eutectic) 온도인 1310℃에서 액상을 형성하여 소결을 촉진시키는 것과 동시에 비정상적인 입자성장을 야기한다. 또한 중간 화합물은 최종적으로 이차상으로 존재하게 된다. 상기 이차상과 비정상적으로 성장된 입자들은 파괴전압(BDV,Breakdown Voltage)특성, 고온가속수명특성 등을 저하시켜 적층 세라믹 전자부품의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
또한 본 발명이 제공하는 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제는 다른 비인산계 분산제와 달리 산성계 이며 입체장애 없이 세라믹 분말의 표면에 흡착이 가능하다. 또한 용매 및 바인더와의 상용성 역시 우수한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물에서 상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제는 상기 세라믹 분발 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부 포함될 수 있다.
상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제가 0.5 중량부 미만으로 포함될 경우 세라믹 분말의 응집으로 인한 조대 입자의 생성으로 분산성이 낮아지며, 5 중량부를 초과하는 경우 유전체 조성물로 제조된 세라믹 시트의 물성이 악화되고 가소 시 잔탄이 많이 잔류하게 되는 문제가 있다.
상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량은 500g/mol 내지 10,000g/mol일 수 있다. 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량이 500g/mol 미만이면 분산성은 균일하게 확보되나 유전체 조성물로 그린시트 제작시 가소화 효과를 주어 연신성의 제어가 힘들고, 수 평균 분자량이 10,000g/mol를 초과하는 경우 분산성이 떨어지고 바인더와의 상용성도 낮아져 최종 그린시트의 표면 조도가 나빠지게 된다.
상기 유전체 조성물은 테르피네올계 용제를 더 포함할 수 있으며, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 및 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시형태는 세라믹 분말, 바인더 수지, 용제 및 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제를 포함하는 유전체 조성물로 형성되는 복수의 유전체 층(11)을 포함하는 세라믹 본체(10); 상기 세라믹 본체(10) 내에서 상기 유전체 층(11)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 및 제2 내부전극(21,22); 상기 제1 내부전극(21)과 전기적으로 연결된 제1 외부전극(31); 및 상기 제2 내부전극(22)과 전기적으로 연결된 제2 외부전극(32); 을 포함하고, 상기 유전체 층(11)은 복수 개의 유전체 그레인(grain)을 포함하며 상기 유전체 그레인의 평균 입경은 유전체 층 두께의 1/3 내지 1/2인 적층 세라믹 커패시터를 제공한다.
유전체 층에 포함된 그레인의 평균 입경이 1/3 보다 작은 경우 용량이 충분히 확보되지 않으며, 그레인의 평균 입경이 1/2 보다 큰 경우 그레인 바운더리에 의한 전하 캐리어의 이동도 억제 효과가 불리하여 절연특성이 확보되지 않는 문제가 있다.
상기 적층 세라믹 커패시터의 유전체 조성물에 관한 설명은 앞에서 설명한 유전체 조성물에 관한 설명과 중복되므로 여기서는 생략하도록 한다.
도 3a 및 도 4a는 각각 본 발명의 실시형태에 따른 유전체 조성물(이하, 실시 예)을 이용하여 형성된 적층 세라믹 커패시터의 길이-두께 방향 단면의 SEM 사진 및 유전체 층에 포함된 유전체 그레인(grain)의 입도 분포를 나타내는 그래프이고, 도 3b 및 도 4b는 각각 인산을 포함하는 BYK-103분산제를 포함하는 유전체 조성물(이하, 비교 예)을 이용하여 형성된 적층 세라믹 커패시터의 길이-두께 방향 단면의 SEM 사진 및 유전체 층에 포함된 유전체 그레인(grain)의 입도 분포를 나타내는 그래프이다. BYK-103은 폴리에틸렌글리콜(PEG) 단위체가 에스터구조로 연결되어 있으면서 인산을 함유하고 있는 분산제이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 실시 예의 유전체 조성물을 적용한 경우 비교예의 유전체 조성물을 적용한 경우에 비하여, 유전체 층에 포함된 그레인의 입경이 작고 그 분포가 고른 것을 알 수 있다. 구체적으로 도 4a 및 도 4b를 참조하면 실시 예의 유전체 조성물을 적용한 적층 세라믹 커패시터의 유전체 층에 포함된 유전체 그레인은 최대크기가 약 0.28μm인 반면 비교 예의 유전체 조성물을 적용한 경우 그레인의 최대 크기가 약 0.34μm로 실시 예의 유전체 조성물을 적용한 경우보다 최대 그레인의 크기가 약 0.06μm 가량 큰 것을 알 수 있다. 또한 입도 분포 역시 실시 예의 유전체 조성물을 적용한 경우 비교 예의 유전체 조성물을 적용한 경우보다 더 밀집되어 있는 것을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시 예와 비교 예의 유전체 조성물을 적용하여 적층 세라믹 전자부품을 제조하는 경우 1130℃ 및 1135℃ 조건에서의 소결 수축 거동을 나타내는 그래프이다.
구체적으로 도 5a는 적층 세라믹 커패시터의 세라믹 본체의 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향 수축률을 각각 나타낸다. 도면에서 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)는 각각 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향 수축률을 의미한다. 수축률은 세라믹 본체의 각 방향의 초기 길이에서 소결 후의 최종 길이를 뺀 다음 이를 초기 길이로 나눈뒤 100을 곱하여 계산하였다. 식으로 표현하면 {(초기 길이-최종 길이)/초기 길이}*100 과 같다. 비교 예와 실시 예 모두 소결온도가 1135℃일 때가 1130℃인 경우보다 수축률이 미세하게 높은 것을 알 수 있다.
주의하여 볼 것은 길이, 폭 및 두께 방향의 수축률의 차이이다. 비교 예의 경우 길이 및 폭 방향 수축률이 두께 방향 수축률에 비해 현저히 큰 반면 실시 예의 경우 길이, 폭 및 두께 방향 수축률이 유사한 것을 알 수 있다. 도 5b는 도 5a의 값을 바탕으로 두께 방향 수축률에 대한 길이 및 폭 방향 수축률의 비를 나타내는 그래프이다. 수축률 비는 길이 및 폭 방향 수축률의 합을 두께 방향 수축률의 배로 나누어 구하였다. 식으로 표현하면 {(L+W)/2*T}와 같다. 상기 수축률 비의 값이 1에 가까울 수록 두께 방향에 대한 길이 및 폭 방향 수축률의 차이가 작음을 의미한다. 수축률의 차이가 작을수록 소결 시 세라믹 본체의 뒤틀림이 적어 크랙 및 딜라미네이션의 발생이 감소된다. 실시 예의 경우 유전체 층 내 균일한 입자 분포로 유전체 층과 내부전극이 평활하게 배치됨으로써, 수축률 비가 1에 근접한 값을 가지며 이로 인해 소결 시 크랙 및 딜라미네이션의 발생이 억제되는 것을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 실시 예와 비교 예의 유전체 조성물을 600℃ 까지 가열하면서 온도에 따른 잔탄(carbon residue)의 중량%를 나타내는 그래프이다. 실시 예(도 6a)의 경우 600℃에서 잔탄이 0.14wt%로 매우 미미하게 남아 있는 반면, 비교 예(도 6b)의 경우 600℃에서 잔탄이 5.74wt% 남아있는 것을 볼 수 있다.
잔탄은 유전체 층에서 불순물로 작용하여 적층 세라믹 전자부품의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하므로 실시 예의 유전체 조성물을 사용한 경우, 보다 고 신뢰성의 적층 세라믹 전자부품을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 유전체 조성물은 수축 거동 제어가 용이하여 크랙 및 딜라미네이션의 발생이 적고, 평균 입경이 작으며, 입도 분포가 균일하고, 불순물의 함량이 적은 적층 세라믹 전자 부품을 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10 : 세라믹 본체
11 : 유전체 층
21, 22 : 제1 및 제2 내부전극
31, 32 : 제1 및 제2 외부전극

Claims (8)

  1. 세라믹 분말; 및
    상기 세라믹 분발 100 중량부에 대하여 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제 0.5 내지 5 중량부;를 포함하는 유전체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량은 500g/mol 내지 10,000g/mol인 유전체 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    테르피네올계 용제를 더 포함하는 유전체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 및 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 수지를 더 포함하는 유전체 조성물.
  5. 세라믹 분말 및 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제를 포함하는 유전체 조성물로 형성되는 복수의 유전체 층을 포함하는 세라믹 본체;
    상기 세라믹 본체 내에서 상기 유전체 층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 및 제2 내부전극;
    상기 제1 내부전극과 전기적으로 연결된 제1 외부전극; 및
    상기 제2 내부전극과 전기적으로 연결된 제2 외부전극; 을 포함하고,
    상기 유전체 층은 복수 개의 유전체 그레인을 포함하며 상기 유전체 그레인의 평균 입경은 유전체 층 두께의 1/3 내지 1/2인 적층 세라믹 커패시터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에터(Polypropylene glycol monoalkyl ether)계 분산제의 수 평균 분자량은 500g/mol 내지 10,000g/mol인 적층 세라믹 커패시터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 테르피네올계 용제를 더 포함하는 적층 세라믹 커패시터.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유전체 조성물은 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 및 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 수지를 더 포함하는 적층 세라믹 커패시터.
KR1020120140575A 2012-12-05 2012-12-05 유전체 조성물 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터 KR101709815B1 (ko)

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