KR20180071039A - 아크릴계 바인더 및 적층 전자부품 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 아크릴계 바인더와 이를 이용하여 제조한 적층 전자부품에 관한 것이다. 상기 적층 전자부품은 유전체 그레인의 경계에 그래핀이 분산된 구조의 유전체층과 상기 유전체층 상에 배치되는 내부전극을 교대로 적층한 적층 구조를 가지는 바디와 그 바디의 외부면 상에 배치되는 외부전극을 포함한다. 상기 유전체층 내 포함되는 그래핀은 상기 아크릴계 바인더 내 아크릴 코폴리머와 결합하는 그래핀으로부터 유래된 것이다.
Description
본 개시는 아크릴계 바인더 및 이를 사용하여 제조된 적층 전자부품에 관한 것이며, 특히, 상기 아크릴계 바인더는 아크릴 코폴리머-그래핀 바인더이며, 상기 적층 전자부품은 적층 세라믹 커패시터 (MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor) 이다.
일반적으로 커패시터, 인덕터, 압전체 소자, 바리스터 또는 서미스터 등의 세라믹 재료를 사용하는 전자부품은 세라믹 재료로 이루어진 세라믹 본체, 본체 내부에 형성된 내부전극 및 상기 내부전극과 접속되도록 세라믹 본체 표면에 설치된 외부전극을 구비한다.
세라믹 전자부품 중 적층 세라믹 커패시터는 적층된 복수의 유전체층, 일 유전체층을 사이에 두고 배향되는 내부전극, 상기 내부전극에 전기적으로 접속된 외부전극을 포함한다.
하기의 특허문헌 1 은 크랙 및 블리스터 발생율이 낮은 신뢰성이 우수한 MLCC를 제공하기 위하여, 내부전극 중 적어도 하나에 Ni을 함유하는 산화물을 포함시키고 있지만, 내부전극이 인쇄되는 유전체 시트에 대하여는 통상적인 기술 수준을 벗어나지 못한 실정이다.
본 개시가 해결하고자 하는 여러 과제 중 하나는 기계적 물성이 우수하면서도 박막의 두께를 가지는 적층 전자부품을 제공하고자 하며, 상기 특성을 갖는 적층 전자부품을 구현할 수 있도록 하는 아크릴계 바인더를 제공하고자 한다.
본 개시의 일 예에 따른 적층 전자부품은 복수의 내부전극과 유전체층이 교대로 적층된 적층 구조를 가지는 바디, 및 상기 바디의 외부면에 배치되며 상기 내부전극과 연결된 외부전극을 포함한다. 이 경우, 상기 유전체층 내 유전체 그레인의 경계에는 그래핀 입자가 포함된다.
본 개시의 다른 일 예에 따른 아크릴계 바인더는 아크릴 코폴리머-그래핀 복합체를 포함한다.
본 개시의 여러 효과 중 하나는 유전체층의 분극을 증가시켜 고유전율을 구현하면서, 소형화와 신뢰도 개선을 동시에 구현할 수 있는 적층 전자부품을 제공하는 것이다.
도1 은 본 개시의 일 예에 따른 적층 전자부품의 개략적인 단면도이다.
도2 는 본 개시의 다른 일 예에 따른 아크릴계 바인더 중 일부 구성에 대한 개략적인 구조도이다.
도3 은 세라믹 그린 시트의 개략적인 모식도이다.
도2 는 본 개시의 다른 일 예에 따른 아크릴계 바인더 중 일부 구성에 대한 개략적인 구조도이다.
도3 은 세라믹 그린 시트의 개략적인 모식도이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 개시의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 개시를 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.
그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 개시의 일 예에 따른 적층 전자부품과 아크릴계 바인더를 설명하되, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
적층 전자부품
먼저, 도1 은 본 개시의 일 예에 따른 적층 전자부품의 개략적인 단면도이다.
도1 을 참고하면, 적층 전자부품 (100) 은 바디 (1) 와 상기 바디의 외부면에 배치되는 제1 및 제2 외부전극 (21, 22) 을 포함한다.
상기 제1 및 제2 외부전극 (21, 22) 의 각각은 상기 바디 내 배치되는 제1 및 제2 내부전극 (11a, 11b) 과 전기적으로 연결되어 커패시터 회로를 구성한다. 상기 제1 및 제2 외부전극 내 함유되는 도전성 재료는 특별히 한정되지 않으나, 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 이들의 합금을 포함할 수 있다.
상기 바디 (1) 는 적층 전자부품의 전체적인 외관을 이루며, 두께 (T) 방향으로 서로 마주하는 상면 및 하면, 길이 (L) 방향으로 서로 마주하는 제1 측면 및 제2 측면, 폭 (W) 방향으로 서로 마주하는 제1 단면 및 제2 단면을 포함하여 실질적으로 육면체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 두께 (T) 방향은 적층 방향을 의미한다.
상기 바디 (1) 는 복수의 내부전극 (11a, 11b) 과 복수의 유전체층 (12) 이 서로 번갈아가며 적층 방향을 따라 적층된 구조를 가진다.
상기 내부전극 (11a, 11b) 은 도전성 재료면 충분하며, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 은 (Ag), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 팔라듐 (Pd), 은-팔라듐 (Ag-Pd) 합금, 금(Au) 합금 등을 포함할 수 있다.
상기 내부전극의 두께는 용도에 따라 적절히 설정할 수 있으며, 100nm 이상 600nm 이하인 것이 바람직한데, 상기 내부전극의 두께가 상기 범위 내에 있을 때, 내부전극이 열화되는 것을 방지하며, 기계적 강도를 적절히 구비하면서도 칩을 소형화하는데 유리하다.
상기 내부전극은 유전체층 (12) 의 상면 상에 배치되는 구조를 갖는데, 상기 유전체층 (12) 은 유전 특성을 가지는 물질을 포함한다. 이 경우, 유전 특성을 가지는 물질이라 함은, 세라믹 재질인 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 유전체층 (12) 은 Ba 와 Ti 를 포함하는 페로브스카이트형 화합물을 포함할 수 있다. 일반적으로 페로브스카이트형 화합물은 결정 구조의 일반식 AyBO3 (A: A 사이트 원소, B: B 사이트 원소, O: 산소, y: A사이트 원소/B사이트 원소의 비율) 로 나타낼 수 있는데, 예를 들어, 상기 유전체층은 BaTiO3 를 포함할 수 있는 것이다.
상기 유전체층 (12) 은 Ba, Ti 에 추가적으로, Ca, Zr, Xn 등을 포함할 수 있으며, 그 이외에 부성분으로서 희토류 원소 (RE) 를 포함할 수도 있다.
상기 유전체층 (12) 은 소결 공정을 통해 유전체층 내 포함되는 유전체 그레인 (12a) 을 포함하는데, 상기 유전체 그레인의 평균 입경은 30nm 내지 200 nm 인 것이 바람직하다. 상기 유전체 그레인의 평균 입경이 30nm 보다 작은 경우, 충분한 유전율의 구현이 곤란하며, 200 nm 보다 큰 경우, DC-bias 특성이 열세하며, IR 열화 현상이 악화되는 문제가 발생하여 적절하지 못하다.
상기 유전체층 내 유전체 그레인 (12a) 의 형상은 대부분 육면체 형상의 단면으로 구성되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유전체층 (12) 의 각각의 두께는 100nm 이상 1000nm 이하인 것이 바람직한데, 100nm 보다 얇은 경우 적층 전자부품에 전압을 가한 경우 과도한 전기장 강도가 인가되어 절연 저항이 열화됨으로써, 커패시터로서 기능을 제대로 발휘할 수 없는 위험이 있고, 1000nm 보다 두꺼운 경우, 단위 면적당 커패시터 용량이 감소하여 고용량의 커패시터를 구현하기 곤란하다.
한편, 상기 유전체층 (12) 은 유전체 그레인 (12a) 을 포함하는 것과 동시에, 그래핀 입자 (12b) 를 포함한다.
상기 그래핀 입자 (12b) 는 상기 유전체 그레인 (12a) 의 경계에 배치된다. 여기서, 상기 그래핀 입자가 상기 유전체 그레인의 경계에 배치된다는 것은, 서로 인접하는 별도의 유전체 그레인을 구별하는 경계면 상에 배치되는 것을 의미한다.
상기 그래핀 (12b) 입자는 상기 유전체층 내에 한해서만 포함되며, 상기 유전체층 상에 배치되는 내부전극 내부까지 확대되어 배치되지는 않는다. 물론, 제품에 따라 그래핀 입자가 유전체층과 내부전극 사이의 경계선 상에 배치될 수 있지만, 이는 여전히 내부전극 내부가 아니며, 유전체 그레인의 경계에 배치되는 것을 의미한다.
상기 그래핀 입자 (12b) 의 형상은 판상형이나 리본형의 형상을 가질 수 있다. 판상형은 장축과 단축의 구별이 가능한 구조를 통칭하는 것이며, 리본형은 긴 끈 형상을 통칭하는 것으로 이해하면 된다.
상기 그래핀 (12b) 입자는 각각의 유전체층 내에 불규칙하게 분산된다.
이는 그래핀 입자가 인접하는 다른 그래핀 입자와 불연속적으로 배치되는 것과 유사한 의미이다.
상기 그래핀 입자 (12b) 의 함량은 유전체층 내 50nm 의 유전체 그레인을 기준으로 100ppm 이상 5000ppm 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 그래핀 입자가 100ppm 보다 적은 함량으로 포함되는 경우, 유전체층의 인장 강도나 연신율의 기계적 특성이 불충분하여 그래핀 입자를 포함하지 않은 경우와의 구별이 크지 않고, 5000ppm 보다 많이 포함되는 경우, 그래핀이 전도성 물질이므로 내부전극의 층간 전기적 연결 통로가 생성되어 쇼트(short) 가 발생할 위험이 존재한다.
한편, 상기 유전체층 (12) 내에는 PVB 바인더로부터 유래된 잔탄 (잔류 탄소) 물질은 전혀 포함되지 않는다. 통상적으로 적층 세라믹 커패시터 내 유전체층을 형성시킬 때 PVB 계 바인더를 주로 사용하는데, PVB 계 바인더는 유전체 시트를 PET 필름에 성형한 후 박리할 때 일정 수준 이상의 강도를 지니기 때문에 유전체 시트 찢어짐을 방지하는 역할을 하기 때문이다. 다만, 이러한 PVB 계 바인더는 소성 공정 후 최종 칩에서 잔탄량을 높게 한다는 특유의 고질적인 문제를 가진다.
그러나, 본 개시의 일 예에 따른 적층 전자부품은 통상적으로 유전체층 내 포함되는 PVB 바인더로부터 유래되는 잔탄을 전혀 포함하지 않는데, 이는, 유전체층을 제조할 때, PVB 바인더를 사용하지 않고, 후술하는 아크릴계 바인더를 사용하기 때문이다. 특히, 상기 아크릴계 바인더는 아크릴 코폴리머 (copolymer) 와 함께 유전체층에 잔존하는 그래핀의 복합체를 이루므로, 잔탄량을 현저하게 저감시키면서도 기계적 강도를 충분히 확보하도록 하는 것이다.
다만, 유전체층 내 잔탄의 출처를 알 수는 없고, 유전체층 내 잔탄량이 현저히 감소한 것을 통해 PVB계 바인더가 사용되지 않았다는 것을 간접적으로 추측할 수 있을텐데, 구체적으로 각각의 유전체층 내 전체 함량 대비 0.1wt% 이상 10wt% 이하 수준의 탄소가 포함되는 것에 근거하여, 잔탄량을 현저히 저감시킨 것을 알 수 있다. 이 경우, 유전체층 형성을 위해 포함되는 유전 물질, 예를 들어, 티탄산바륨의 함량이 증가함에 따라 잔탄량이 증가하는 경향을 보이지만, 그 잔탄량의 함량은 10wt% 를 넘지는 않는 것이 바람직하다.
이하에서는 전술한 적층 전자부품 (100) 을 제조하는 간단한 공정과 함께 본 개시의 다른 일 예에 따른 아크릴계 바인더를 자세히 설명한다.
아크릴계 바인더
본 개시의 다른 일 예에 따른 아크릴계 바인더는 아크릴 코폴리머-그래핀 복합체로 구성된다.
상기 아크릴 코폴리머-그래핀 복합체 내 포함되는 아크릴 코폴리머는 도2 의 구조로 구성될 수 있다.
도2 를 참고하면, 도2 에서 R1 및 R3는 H, CH3, C2H5 의 그룹에서 각각 선택되는 기능기를 포함하며, R2 및 R3 는 CH3 (MMA), C2H5OH (HEMA), C4H9(BMA) 의 그룹에서 각각 선택되는 기능기를 포함할 수 있다. 단, MMA 는 메타크릴산 메틸 (Methyl methacrylate), HEMA 는 Hydroxyethylmethacrylate, BMA (Butyl methacrylate) 를 지칭하는 것이며, x 와 y 는 1, 2, 3 등의 양의 정수를 의미한다.
도2 의 아크릴 코폴리머에 그래핀을 결합시켜 단일의 복합체 (composite) 을 제공한다. 상기 그래핀은 그래핀 옥사이드 (GO), positive charged 된 환원 그래핀 옥사이드 (rGO), 화학적 개질을 통해 변형된 그래핀 중 하나일 수 있다.
상기 복합체 내에서 아크릴 코폴리머와 그래핀은 수소 결합 (hydrogen bonding), 친핵성 치환 반응 (nucleophilic reaction) 등의 화학적, 물리적 상호 반응을 통해 단일의 복합체를 구성한다.
도3 은 상기 아크릴 코폴리머-그래핀 복합체가 포함된 세라믹 그린 시트의 개략적인 모식도이다.
도3 을 참조하면, 세라믹 그린 시트 (200) 는 아크릴 코폴리머 (211) 와 그에 결합된 그래핀 (212) 으로 구성된 아크릴 코폴리머-그래핀 복합체 (210) 를 포함한다. 또한, 유전 특성을 가지는 물질 (220), 예를 들어 티탄산바륨 조성물을 포함한다. 도시하지는 않았으나, 세라믹 그린 시트를 구성하기 위한 슬러리를 제조하기 위하여 상기 바인더와 상기 유전 특성을 가지는 물질 외에 용매도 포함한다.
상기 세라믹 그린 시트 (200) 상에 내부전극을 인쇄하고, 복수 개의 세라믹 그린 시트와 내부전극을 번갈아 적층한 후, 소성, 및 다이싱을 통해 개별적인 바디를 제조한다.
이 경우, 상기 바디는 세라믹 그린 시트 내 포함된 유전 특성을 가지는 물질과 함께 아크릴계 바인더 내 포함된 그래핀을 포함하는 구조를 가진다. 상기 바디는 아크릴계 바인더 내 포함되었던 아크릴 코폴리머로부터 유래되는 물질은 포함하지 않는 것이 바람직한데, 이는 아크릴계 바인더로부터 유래되는 불필요한 잔여물, 예를 들어, 잔탄 등을 포함하지 않는 것을 의미한다.
그 후, 상기 바디의 외부면 상에 외부전극을 배치시키는 공정은 통상적인 외부전극 형성 공정, 예를 들어, 디핑 (dipping) 등을 적용할 것이며, 이를 통해 최종 적층 전자 부품이 완성되는 것이다.
전술한 아크릴계 바인더를 사용하여 제작한 적층 전자부품은 열분해 온도가 낮고 분해속도도 빠른 바인더의 사용으로 인해 잔탄량이 크게 저감되어 기계적 특성 및 전기적 특성이 모두 우수하다는 장점을 가진다. 동시에, 적층 전자부품은 아크릴계 바인더로부터 유래한 그래핀 입자를 유전체층 내에 포함하여 기계적 강도를 크게 개선하는 것과 동시에, 유전 분극 현상 내지 유전층의 박형화의 효과로 인해 고유전율을 갖는다는 장점도 가진다.
본 개시는 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 개시의 범위에 속한다고 할 것이다.
한편, 본 개시에서 사용된 "일 예"라는 표현은 서로 동일한 실시 예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 상기 제시된 일 예들은 다른 일례의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 일예에서 설명된 사항이 다른 일예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 일례에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 일예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
한편, 본 개시에서 사용된 용어는 단지 일예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 이때, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
100: 적층 전자부품
1: 바디
11a, 11b: 제1 및 제2 내부전극
12: 유전체층
12a: 유전체 그레인
12b: 그래핀 입자
21, 22: 제1 및 제2 외부전극
200: 세라믹 그린 시트
210: 아크릴계 바인더
211: 아크릴 코폴리머
212: 그래핀
1: 바디
11a, 11b: 제1 및 제2 내부전극
12: 유전체층
12a: 유전체 그레인
12b: 그래핀 입자
21, 22: 제1 및 제2 외부전극
200: 세라믹 그린 시트
210: 아크릴계 바인더
211: 아크릴 코폴리머
212: 그래핀
Claims (16)
- 복수의 내부전극과 유전체층이 교대로 적층된 적층 구조를 가지는 바디; 및
상기 바디의 외부면에 배치되며 상기 내부전극과 연결된 외부전극; 을 포함하고,
상기 유전체층은 복수의 그레인 및 상기 복수의 그레인의 경계에 그래핀 입자를 포함하는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 입자는 상기 유전체층 내에서 불규칙하게 분산된 구조로 배열되는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 입자는 인접하는 다른 그래핀 입자와 이격되도록 배치되는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층 내 포함되는 유전 물질은 세라믹 재질로 구성되는, 적층 전자부품.
- 제4항에 있어서,
상기 세라믹 재질은 Ba 와 Ti 를 함유하는 페로브스카이트형 화합물을 포함하는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층의 두께는 100nm 이상 1000nm 이하인, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 내부전극의 내부에는 상기 그래핀 입자가 배치되지 않은, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층 내 탄소 함량은 각각의 유전체층의 전체 함량 대비 0.1 wt% 이상 10 wt% 이하인, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 그레인의 평균 입경은 30nm 이상 200nm 이하인, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층 내 함유되는 상기 그래핀 입자의 함량은 50 nm 입경의 그레인을 기준으로 100ppm 이상 5000ppm 이하인, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 입자는 판상형이나 리본형의 형상을 가지는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 내부전극은 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 은 (Ag), 팔라듐 (Pd), 은-팔라듐 합금, 금(Au) 합금 중 하나 이상을 포함하는, 적층 전자부품.
- 제1항에 있어서,
상기 내부전극의 두께는 100nm 이상 600nm 이하인, 적층 전자부품.
- 아크릴 코폴리머-그래핀의 복합체를 포함하는, 아크릴계 바인더.
- 제14항에 있어서,
상기 그래핀은 그래핀 옥사이드 (GO), 환원 그래핀 옥사이드 (rGO), 화학 개질된 그래핀 중 하나 이상을 포함하는, 아크릴계 바인더.
- 제15항에 있어서,
상기 아크릴 코폴리머는 MMA, BMA, 및 HEMA 중 하나 이상을 포함하며, 상기 MMA, BMA, 또는 HEMA 가 반복적으로 연결된 구조를 가지는, 아크릴계 바인더.
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2020
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Patent Citations (1)
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