KR20180085694A

KR20180085694A - 유전 복합체, 및 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자

Info

Publication number: KR20180085694A
Application number: KR1020180006490A
Authority: KR
Inventors: 곽찬; 김현식; 노종욱; 문경석; 박현철; 손윤철; 양대진; 정도원; 조영진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-07-27
Also published as: KR102566400B1

Abstract

반도성, 또는 전도성을 갖는 소재로 이루어진 복수의 결정립, 및 결정립의 경계를 둘러싸고 있는 결정립계 절연층을 포함하며, 결정립계 절연층은 결정립 표면의 적어도 일부를 덮고 있는 2차원 층상소재를 포함하는 유전 복합체와, 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자가 제공된다.

Description

유전 복합체, 및 이를 포함하는 적층형 커패시터 및 전자 소자 {DIELECTRIC COMPOSITES, AND MULTI-LAYERED CAPACITORS AND ELECTRONIC DEVICES COMPRISING THEREOF}

유전 복합체, 및 이를 포함하는 적층형 커패시터와 전자 소자에 관한 것이다.

적층 세라믹 콘덴서(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC)는 소형의 대용량 콘덴서 소자로, 유전체 자기 조성물과 내부 전극을 교번적으로 적층한 후, 동시 소성하여 제작한 전자 소자이다. 다만, 지속적인 전자 제품의 소형화, 박막화, 고용량화 요구에 따라, 기존 적층 세라믹 콘덴서 구조 대비 더욱 소형화, 박막화, 및 고용량화 가능한 콘덴서의 필요성이 증가하고 있다.

한편, 양호한 유전특성을 나타내는 유전체들 중 입계 절연형 커패시터의 경우, 전도성, 또는 반도성을 갖는 결정립들 사이에 결정립결정립계 절연층을 형성하므로, 겉보기 비유전율이 매우 높아 소형화 및 고용량화가 가능하다.

이러한 입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율은 일반적으로 입자 크기에 비례하고, 결정립결정립계 절연층의 두께에 반비례하는 양상을 나타낸다. 그러나, 결정립결정립계 절연층의 두께가 감소할수록 결정립결정립계 절연층의 비유전율도 함께 감소하기 때문에, 입계 절연형 커패시터의 비유전율을 감안하여 결정립결정립계 절연층의 두께를 일정 수준으로 유지해야 하는 문제가 있다.

일 구현예는 수 내지 수십 나노미터의 두께를 갖는 영역에서도 높은 비유전율을 나타내는 소재를 포함하여, 소형화, 박막화가 가능한 동시에 높은 용량 특성을 갖는 유전 복합체를 제공하고자 한다.

다른 구현예는 전술한 유전 복합체를 포함하는 적층형 커패시터와 전자 소자를 제공하고자 한다.

일 구현예에 따르면, 반도성, 또는 전도성을 갖는 소재로 이루어진 복수의 결정립, 및 상기 결정립의 경계를 둘러싸고 있는 결정립계 절연층을 포함하며, 상기 결정립계 절연층은 상기 결정립 표면의 적어도 일부를 덮고 있는 2차원 층상소재를 포함하는 유전 복합체가 제공된다.

상기 2차원 층상소재는 단일 층으로 이루어질 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 단일 층이 2층 이상 적층된 다중 층일 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 상기 결정립 표면과 직접 접촉하고 있을 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 상기 결정립 표면을 전부 덮고 있을 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 120 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.

상기 2차원 층상소재의 비유전율은 50 내지 1000 일 수 있다.

상기 결정립계 절연층은 상기 2차원 층상소재와 복합화되어 있는 3차원 벌크 소재를 더 포함할 수 있다.

상기 결정립계 절연층 100 부피%를 기준으로, 상기 2차원 층상소재는 10 부피% 내지 100 부피% 함유되어 있을 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 아우리빌리우스(aurivilius) 상을 갖는 소재, 루들스덴-파퍼 상(ruddlesden-popper phase)을 갖는 소재, 디온-제이콥슨(Dion―Jacobson) 상을 갖는 소재, 및 티타노 니오베이트(titano-niobate) 중 어느 하나로부터 박리된 것일 수 있다.

상기 2차원 층상소재는 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.

[화학식 1]

X_m[A_(n-1)B'_nO_(3n+1)]

상기 화학식 1에서, X는 H, 알칼리 금속, 및 양이온성 화합물 중에서 선택되는 1종 이상이고, A는 Ca, Na, Ta, Bi, Ba, Sr 중에서 선택되는 1종 이상이고, B'는 W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Zr, Hf, Pb, Sn, La, Ti 중에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤m≤2, n≥1이다.

상기 양이온성 화합물은 테트라메틸암모늄 화합물, 테트라에틸암모늄 화합물, 테트라프로필암모늄 화합물, 테트라부틸암모늄 화합물, 메틸아민 화합물, 에틸아민 화합물, 프로필아민 화합물, 부틸아민 화합물, 폴리에틸렌이민 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 2차원 층상 소재는 전기적으로 중성이다.

상기 결정립은 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산납, 지르콘산납, 티탄산지르콘산납, 또는 이들의 조합을 포함하는 소재로 이루어질 수 있다.

상기 결정립의 평균 입경은 50 nm 내지 2.0 ㎛ 일 수 있다.

상기 유전 복합체의 비유전율은 1000 내지 20000 일 수 있다.

한편, 다른 일 구현예에 따르면, 내부 전극과 유전체층이 교번적으로 적층된 구조를 갖는 적층형 커패시터(Multi-layered capacitor)로서, 상기 유전체층이 전술한 유전 복합체를 포함하는 적층형 커패시터가 제공된다.

상기 내부 전극과 상기 유전체층은 2 회 이상 교번적으로 적층되어 있을 수 있다.

상기 유전체층의 두께는 500 nm 이하일 수 있고, 4000 내지 40000의 비유전율을 가질 수도 있다.

한편, 다른 구현예에 따르면 전술한 일 구현예에 따른 유전 복합체를 포함하는 전자 소자가 제공된다.

상기 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor), 또는 에너지 저장용 커패시터일 수 있다.

일 구현예에 따른 유전 복합체는 결정립결정립계 절연층이 두께가 감소하더라도 비유전율이 감소하지 않는 2차원 층상 소자를 포함하므로 결정립결정립계 절연층의 초박막화가 가능하며, 이를 통해 기존 입계 절연형 커패시터가 가지는 한계를 극복할 수 있다.

도 1은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 미세 구조를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 2와 도 3은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 다양한 미세 구조를 각각 모식적으로 나타낸 것이며,
도 4는 일 구현예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 나타낸 것이다.

이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 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.

또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낸다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

본 명세서에서, 층, 막, 영역, 판 등의 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 명세서에서 비유전율이란 상대 유전율을 의미하며, 진공에 대한 다른 물질의 유전율의 비를 의미한다.

본 명세서에서 "입경"이라 함은 입자가 가질 수 있는 최대 크기를 의미한다. 예를 들어 결정립이 타원형이나 이와 유사한 시트, 플레이트 침 형상 등 어느 한 축이 길게 연장된 형상을 갖는 경우는 장축의 길이를, 원형/구형인 경우는 지름의 길이를, 다각형 또는 부정형인 경우는 결정립 경계의 임의의 두 점을 잇는 직선의 최장거리를 각각 의미하는 것이다.

또한, 본 명세서에서 결정립의 입경에 관해서는, 계측법에 의해 수치화하여 집단의 평균 크기를 표현하는 방법이 있지만, 범용적으로 사용되는 것으로 분포의 최대값을 나타내는 모드 직경, 적분 분포 곡선의 중앙값에 상당하는 메디안 직경, 각종 평균 직경(수평균, 길이 평균, 면적 평균, 질량 평균, 체적 평균 등)등이 있고 본 발명에 있어서는 특별히 언급하지 않는 한 평균 입경이란 수평균 직경이고, D50(분포율이 50 % 되는 지점의 입경)을 측정한 것을 의미한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 구현예에 따른 유전 복합체의 구성을 설명한다.

도 1은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 미세 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.

일 구현예에 따른 유전 복합체는 반도성, 또는 전도성을 갖는 소재로 이루어진 복수의 결정립과, 상기 결정립의 경계를 둘러싸고 있는 결정립계 절연층을 포함한다.

즉, 일 구현예에 따른 유전 복합체는 입계 절연형 커패시터로서 인접한 두 결정립에 소정의 전압이 인가될 경우 상기 두 결정립 사이에 형성된 결정립계 절연층에 정전 용량이 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 결정립과 결정립계들은 서로 직렬, 및/또는 병렬 연결되어 있으므로, 전체로서 소정의 정전 용량을 갖는 커패시터의 기능을 수행할 수도 있다.

한편, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 유전 복합체들을 포함하는 유전체층을 2층 이상 적층하여 적층형 커패시터의 형태로 구성할 수도 있다. 이에 대해서는 후술한다.

도 1을 참조하면, 복수의 결정립들이 복수 개 배치되어 있다. 복수의 결정립은 반도성, 또는 전도성을 갖는 소재로 이루어질 수 있다. 상기 결정립을 구성하는 소재로는, 예를 들어 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산납, 지르콘산납, 티탄산지르콘산납, 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 산화물을 들 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 결정립을 구성하는 소재에 도너 원소를 더 포함할 수 있다. 즉, 결정립을 구성하는 상기 금속 산화물은 산소 베이컨시를 가지며, 도너 원소는 결정립 중에 고용되어 있을 수 있다. 이에 따라 결정립이 반도체화될 수 있다. 상기 도너 원소의 예시로는 La, Sm, Dy, Ho, Y, Nd, Ce, Nb, Ta, W 등을 들 수 있다.

한편, 일 구현예에 따르면 결정립의 평균 입경은 후술할 유전 복합체의 겉보기 비유전율을 고려하여 다양하게 설정될 수 있으나, 후술할 유전 복합체의 소형화, 박막화에 유리한 범위로 조절될 수 있다.

상기 결정립의 평균 입경은, 예를 들어 2.0 ㎛ 이하, 예를 들어 1.9 ㎛ 이하, 예를 들어 1.8 ㎛ 이하, 예를 들어 1.7 ㎛ 이하, 예를 들어 1.6 ㎛ 이하, 예를 들어 1.5 ㎛ 이하, 예를 들어 1.4 ㎛ 이하, 예를 들어 1.3 ㎛ 이하, 예를 들어 1.2 ㎛ 이하, 예를 들어 1.1 ㎛ 이하, 예를 들어 1.0 ㎛ 이하, 예를 들어 900 nm 이하, 예를 들어 800 nm 이하, 예를 들어 700 nm 이하, 예를 들어 600 nm 이하, 예를 들어 500 nm 이하이고, 예를 들어 50 nm 이상, 예를 들어 60 nm 이상, 예를 들어 70 nm 이상, 예를 들어 80 nm 이상, 예를 들어 90 nm 이상, 예를 들어 100 nm 이상일 수 있다.

결정립계 절연층은 상기 결정립 표면의 적어도 일부를 덮고 있는 2차원 층상소재를 포함한다.

일 구현예에서 2차원 층상소재라 함은 "2차원 결정 구조를 갖는 소재로서, 1 개 내지 9 개의 원자층으로 구성되는 1층 이상의 층상 구조를 이루고 있는 소재"를 의미한다. 즉, 2차원 층상소재는 단일 층으로 이루어질 수도 있고, 상기 단일층이 여러 겹으로 쌓여 다중 층 구조를 이루고 있을 수도 있다.

또한, 2차원 층상소재가 다중 층 구조를 이룰 경우, 각각의 층들은 물리적 및/또는 화학적으로 서로 결합되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 층들 중 일부는 전술한 2차원 결정 구조와는 다른 결정 구조가 형성되어 있을 수도 있다.

일 구현예에 따르면, 결정립계 절연층은 도 1에 도시된 바와 같이 2차원 층상소재로 이루어져 있을 수 있다. 다만, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 결정립계 절연층이 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이 2차원 층상소재, 및 2차원 층상소재와는 다른 결정 구조를 갖는 3차원 벌크 소재를 함께 포함할 수도 있다.

도 2와 도 3은 일 구현예에 따른 유전 복합체의 다양한 미세 구조를 각각 모식적으로 나타낸 것이다.

도 2와 도 3을 참고하면, 3차원 벌크 소재는 2차원 층상소재와 복합화되어 결정립계 절연층을 구성할 수 있다. 3차원 벌크 소재는 결정 입자들이 3차원적으로 집합된 다결정 구조를 가지지만, 2차원 층상소재가 없으므로 2차원적인 결정 구조는 갖지 못한다.

한편, 일 구현예에서 3차원 벌크 소재는 전술한 결정립을 구성하는 소재에 억셉터 원소가 포함되어 이루어진 소재일 수도 있다. 상기 억셉터 원소의 예시로는 Mn, Co, Ni, Cr 등을 들 수 있다.

즉, 3차원 벌크 소재는 이웃하는 결정립 간 상호 컨택에 의해 형성된 것일 수 있다. 다만 3차원 벌크 소재는 억셉터 원소를 포함하여 쇼트키 장벽(schottky barrier)의 형성을 촉진함에 따라 비저항이 향상되므로, 전술한 결정립과 달리 양호한 절연성을 가질 수 있다.

한편, 일 구현예에서 결정립계 절연층 내 2차원 층상소재의 비율은 특별히 제한되지 않고 2차원 층상소재와 3차원 벌크 소재 각각의 비유전율, 원재료, 결정립계 절연층의 예상 두께 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있으나, 결정립계 절연층이 수 내지 수십 나노미터 크기로 형성되더라도 2차원 층상소재에 기인한 우수한 비유전율이 발현될 수 있을 정도로 설정된다.

결정립계 절연층 내 2차원 층상소재의 비율은 결정립계 절연층 100 부피%를 기준으로, 예를 들어 10 부피% 이상, 예를 들어 15 부피% 이상, 예를 들어 20 부피% 이상, 예를 들어 25 부피% 이상, 예를 들어 30 부피% 이상, 예를 들어 35 부피% 이상, 예를 들어 40 부피% 이상, 예를 들어 45 부피% 이상, 예를 들어 50 부피% 이상, 예를 들어 55 부피% 이상, 예를 들어 60 부피% 이상, 예를 들어 65 부피% 이상, 예를 들어 70 부피% 이상, 예를 들어 75 부피% 이상, 예를 들어 80 부피% 이상, 예를 들어 85 부피% 이상, 예를 들어 90 부피% 이상, 예를 들어 95 부피% 이상일 수 있으며, 예를 들어 100 부피%일 수 있다.

한편, 2차원 층상소재는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 결정립 표면과 직접 접촉하고 있을 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 일부가 결정립 표면으로부터 소정 간격 이격되도록 배치되어 있을 수도 있다.

또한, 2차원 층상소재는 결정립 표면 일부 영역에만 형성되어 도 2에 도시된 바와 같이 결정립 표면 일부만을 덮고 있을 수도 있고, 도 1 또는 도 3에 도시된 바와 같이 결정립 표면을 전부 덮도록 형성되어 있을 수도 있다.

일 구현예에서, 2차원 층상소재는 하기 화학식 1 로 표현되는 화합물일 수 있다.

[화학식 1]

X_m[A_(n-1)B'_nO_(3n+1)]

상기 양이온성 화합물은 탄소수 1 내지 16의 알킬암모늄 화합물, 알킬아민 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

전술한 화학식 1에서 X, A, B와 O의 화학양론비는 2차원 층상소재 전체적으로 볼 때 전기적 중성을 만족할 수 있도록 조절된다. 즉, 상기 화학식 1은 전기적으로 중성이다.

일 구현예에서 2차원 층상소재의 두께는 특별히 제한되지 않고 결정립의 소재, 결정립의 평균 입경, 2차원 층상소재의 소재, 결정립계 절연층 내 2차원 층상소재의 비율 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있으나, 결정립계 절연층의 두께를 줄여 후술할 유전 복합체의 겉보기 비유전율을 향상시킬 수 있는 두께로 형성될 수 있다.

상기 2차원 층상소재의 두께는, 예를 들어 120 nm 이하, 예를 들어 110 nm 이하, 예를 들어 100 nm 이하, 예를 들어 50 nm 이하, 예를 들어 40 nm 이하, 예를 들어 30 nm 이하, 예를 들어 20 nm 이하, 예를 들어 10 nm 이하일 수 있으며, 예를 들어 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께를 가질 수 있다.

상기 2차원 층상소재의 두께는, 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 측정된 이미지를 분석함으로써 산출될 수 있다.

이와 같은 2차원 층상소재는 상기 2차원 결정 구조에 기인한 비유전율을 나타낼 수 있다. 상기 2차원 층상소재의 비유전율은 특별히 제한되지 않고, 2차원 층상소재의 원재료, 2차원 결정 구조의 종류, 적층된 층 수, 결정립의 평균 입경, 결정립을 이루는 소재 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있으나, 결정립들에 소정의 전압이 인가될 경우, 적어도 결정립계 절연층에 커패시터로 동작 가능한 정도의 정전 용량이 형성될 수 있는 정도로 설정된다.

상기 2차원 층상소재의 비유전율은, 예를 들어 적어도 10 이상, 예를 들어 20 이상, 예를 들어 30 이상, 예를 들어 40 이상, 예를 들어 50 이상, 예를 들어 60 이상, 예를 들어 70 이상, 예를 들어 80 이상, 예를 들어 90 이상, 예를 들어 100 이상일 수 있다. 일 구현예에서, 상기 2차원 층상소재의 비유전율은, 예를 들어 1000 이하일 수 있다.

상기 2차원 층상소재의 비유전율은, 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)의 두 프로브 사이에 2차원 층상소재를 위치시킨 다음 두 프로브 사이에 소정의 전압을 인가하는 방식을 이용하여 산출될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 2차원 층상소재는 아우리빌리우스(aurivilius) 상을 갖는 소재, 루들스덴-파퍼 상(ruddlesden-popper phase)을 갖는 소재, 디온-제이콥슨(Dion―Jacobson) 상을 갖는 소재, 및 티타노 니오베이트(titano-niobate) 중 어느 하나로부터 박리되는 금속 산화물 나노 시트일 수 있다.

예를 들어, 원재료로 상기 아우리빌리우스(aurivilius) 상을 갖는 소재, 루들스덴-파퍼 상(ruddlesden-popper phase)을 갖는 소재, 디온-제이콥슨(Dion―Jacobson) 상을 갖는 소재, 및 티타노 니오베이트(titano-niobate) 중 어느 하나를 산성 용액에서 처리하여 양성자화하고, 이를 알킬암모늄, 또는 알킬아민과 반응시켜 원재료에 존재하는 층상 구조의 층간 간격을 넓힌 후, 용매는, 물, 알코올, 아세트니트릴, 디메틸설폭시드, 디메틸포름아미드, 및 프로필렌카보네이트로부터 선택된 1종 이상의 용매와 교반함으로써 금속 산화물 나노 시트들로 박리시킬 수 있다.

일 구현예에 따른 2차원 층상소재의 예시로서 Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ 를 박리하는 과정을 설명하면, KCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 와 산 화합물, 예를 들어 HNO₃를 반응시켜서 K+를 H+로 치환시켜 양성자화된 층상소재인 HCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 를 얻는다. 얻어진 HCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 를, 예를 들어 테트라알킬암모늄 히드록시드 등의 알킬암모늄 화합물과 반응시켜 상기 H+ 를 예를 들어 테트라부틸암모늄(TBA+) 으로 치환한다.

상기 알킬암모늄 화합물은, C1 내지 C16의 알킬암모늄 화합물일 수 있다. 상기 알킬암모늄 분자는 크기가 커서 Ca₂Na₂Nb₅O₁₆의 층들 사이로 들어가 Ca₂Na₂Nb₅O₁₆층들간의 간격을 넓게 하여 층간 분리로 이어질 수 있게 하여 이들을 용매 중에 넣고 교반하면 박리가 일어나 Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ 나노 시트를 얻는다.

한편, 일반적으로 입계 절연형 커패시터는 겉보기 비유전율과 관련한 아래의 수학식 1을 충족한다.

[수학식 1]

ε_rAPP∝ε_r·d/t

상기 수학식 1에서, ε_rAPP는 유전 복합체의 겉보기 비유전율을, ε_r는 결정립계 절연층의 소재에 기인한 비유전율을, d는 결정립의 평균 입경을, t는 결정립계 절연층의 두께를 각각 나타낸다.

기존의 입계 절연형 커패시터 중, 결정립계 절연층은 3차원 벌크 소재만으로 이루어지며, 이러한 3차원 벌크 소재의 비유전율은 3차원 벌크 소재의 양에 의존하는 양상을 나타낸다.

따라서, 결정립계 절연층의 두께 t가 감소하면 결정립계 절연층의 물질량이 감소되고, 이에 따라 입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율이 함께 감소하게 된다. 따라서 기존의 입계 절연형 커패시터는 결정립계 절연층을 일정 수준 이하의 두께로 초박막화 하기 어려운 문제가 있다.

반면, 일 구현예에 따른 유전 복합체의 경우 결정립결정립계 절연층이 적어도 2차원 층상소재를 포함하므로, 결정립계 절연층의 두께 t를 수 내지 수십 나노미터 수준으로 초박막화 하더라도, 유전 복합체가 입계 절연형 커패시터로서 2차원 층상소재에 기인한 일정 수준 이상의 비유전율을 나타낼 수 있다. 즉, 2차원 층상소재를 이용하면, 기존의 입계 절연형 커패시터와 달리 결정립계 절연층의 두께와 비유전율을 상호 독립적으로 제어할 수 있다.

일 구현예에 따른 유전 복합체의 비유전율은, 결정립의 평균 입경과 결정립계 절연층의 두께에 따라 다양하게 설정할 수 있지만, 유전 복합체를 초소형화, 초박막화 하더라도 커패시터로 사용 가능한 수준의 비유전율을 가질 수 있다.

상기 유전 복합체의 비유전율은 예를 들어 1000 이상, 예를 들어 2000 이상, 예를 들어 3000 이상, 예를 들어 4000 이상, 예를 들어 5000 이상, 예를 들어 6000 이상, 예를 들어 7000 이상, 예를 들어 8000 이상, 예를 들어 9000 이상, 예를 들어 10000 이상일 수 있다. 일 구현예에서, 유전 복합체의 비유전율은 예를 들어 20000 이하일 수 있다.

한편, 일 구현예에 따르면, 적층형 커패시터(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 유전체층(11)과 내부전극(12)이 이루는 적층 구조의 양 측면을 둘러싸고 있는 한 쌍의 외부전극(13)을 더 포함할 수 있다. 다만, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 외부전극을 생략하고 내부전극들을 상기 유전체층과 내부전극이 이루는 적층 구조 양 측으로 길게 연장하거나, 외부전극 없이 바로 내부전극에 전원을 연결하는 구조 등도 가능하다.

일반적으로 적층형 커패시터는 다수의 유전체층과 내부전극이 존재하며, 이 중 유전체층의 총 두께는 적층형 커패시터의 소형화, 박막화를 결정하는 중요한 요인이다. 그러나 기존 적층형 커패시터의 유전체층은 유전체 소재로 BaTiO₃, PbTiO₃ 등을 사용하게 되므로, 전술한 바와 같이 두께의 감소에 따라 비유전율이 함께 감소하게 된다.

이에 따라 기존 적층형 커패시터에서 유전체층의 총 두께를 박막화 할 경우, 유전체층 한 층 당 두께는 약 550 nm 내지 약 600 nm 가 한계이며, 이 경우 기존 유전체층의 비유전율은 약 3000 내지 3500 가량을 나타낸다. 또한, 기존 유전체층의 두께를 상기 한계 범위 이하로 초박막화할 경우에는 두께 감소 대비 비유전율이 급격히 감소하므로 적층형 커패시터용 유전체층으로 사용하기 불가능한 수준의 물성을 나타낸다.

그러나, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)의 경우, 유전체층(11)이 전술한 유전 복합체를 포함하므로 유전체층(11) 한 층당 두께를 3000 nm 이하, 예를 들어 2500 nm 이하, 예를 들어 2000 nm 이하, 예를 들어 1500 nm 이하, 예를 들어 1000 nm 이하, 예를 들어 500 nm 이하일 수 있고, 예를 들어 480 nm 이하, 예를 들어 460 nm 이하, 예를 들어 440 nm 이하, 예를 들어 420 nm 이하, 예를 들어 400 nm 이하, 예를 들어 380 nm 이하, 예를 들어 360 nm 이하, 예를 들어 340 nm 이하, 예를 들어 320 nm 이하, 예를 들어 300 nm 이하일 수 있으며, 심지어 약 200 nm 내지 약 300 nm 까지 초박막화 할 수 있다.

이에 따라, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 유전체층(11) 내부 결정립결정립계 절연층을 이루는 2차원 층상소재에 기인한 일정 수준 이상의 비유전율을 나타낼 수 있다. 즉, 상기 유전체층(11) 한 층당 두께를 상기 범위 수준으로 축소시키더라도, 유전체층(11) 한 층당 예를 들어 1000 이상, 예를 들어 1500 이상, 예를 들어 2000 이상, 예를 들어 2500 이상, 예를 들어 3000 이상, 예를 들어 4000 이상, 예를 들어 4200 이상, 예를 들어 4400 이상, 예를 들어 4600 이상, 예를 들어 4800 이상, 예를 들어 4900 이상, 예를 들어 5000 이상, 예를 들어 7000 이상, 예를 들어 8000 이상, 예를 들어 9000 이상, 예를 들어 10000 이상, 예를 들어 12000, 예를 들어 14000 이상, 예를 들어 16000 이상, 예를 들어 18000 이상, 예를 들어 20000 이상의 비유전율을 나타낼 수 있다. 또한, 일 구현예에 따른 유전체층(11)은 한 층당 예를 들어 40000 이하의 비유전율을 나타낼 수 있다.

적층형 커패시터(1)는 전술한 유전체층(11)에 기인한 비유전율을 나타낸다. 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 예를 들어 1000 이상, 예를 들어 1500 이상, 예를 들어 2000 이상, 예를 들어 2500 이상, 예를 들어 3000 이상, 예를 들어 4000 이상, 예를 들어 4200 이상, 예를 들어 4400 이상, 예를 들어 4600 이상, 예를 들어 4800 이상, 예를 들어 4900 이상, 예를 들어 5000 이상, 예를 들어 7000 이상, 예를 들어 8000 이상, 예를 들어 9000 이상, 예를 들어 10000 이상, 예를 들어 12000, 예를 들어 140000 이상, 예를 들어 16000 이상, 예를 들어 18000 이상, 예를 들어 20000 이상의 비유전율을 나타낼 수 있다. 또한, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 예를 들어 40000 이하의 비유전율을 나타낼 수 있다.

즉, 일 구현예에 따른 적층형 커패시터(1)는 기존 대비 유전체층(11) 한 층당 두께를 상당히 축소할 수 있으므로, 기존과 동일한 조건 하에 적층형 커패시터(1) 내부 유전체층(11)의 적층수와 이에 따른 정전용량을 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 일 구현예에 따르면, 기존 대비 초박막화, 소형화가 가능한 동시에 정전용량과 비유전율이 향상된 적층형 커패시터(1)를 제공할 수 있다.

한편, 다른 구현예에 따르면 전술한 유전 복합체를 포함하는 전자 소자가 제공될 수 있다. 상기 전자 소자는 전술한 유전 복합체를 단일 층으로 구성할 수도 있고, 전술한 적층형 커패시터(1)와 같이 다중 층으로 구성할 수도 있다. 일 구현예에 따른 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor)와 같은 일종의 가변 저항의 기능을 수행하는 소자일 수도 있고, 에너지 저장용 커패시터일 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 기술적 내용을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 명세서의 권리 범위가 제한되어서는 아니된다.

실시예 1

출발 원료로 TiO₂ 와 SrCO₃ 및 도너 원소로 디스프로슘(Dy)을 혼합하고, 상기 혼합물을 볼 밀링 처리하여, 혼합물을 제작한다. 제조된 혼합물을 증발 건조시킨 후 하소하여, 산소 베이컨시를 갖는 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질을 제조한다. 제조된 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질의 평균 입경은 약 200 nm 이다.

이와 별개로, 출발 원료로 K₂CO₃, CaCO₃, Nb₂O₅, NaNbO₃ 를 혼합하고, 상기 혼합물을 펠렛으로 성형한다. 얻어진 펠렛을 열처리하여, KCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 분말을 제조한다. 제조된 KCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 분말을 HCl 용액 또는 HNO₃ 용액에 넣어 교반한 후, 여과하여 HCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 분말을 얻는다.

얻어진 HCa₂Na₂Nb₅O₁₆ 분말을 TBAOH 수용액에 넣어 교반하고, 원심 분리하여, 2차원 나노 시트들을 얻는다. 상기 2차원 나노 시트의 조성은 Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ 이다. 제조된 2차원 나노 시트는 2.5 nm의 평균 두께와 500 nm의 평균 입경을 갖는다.

상기 2차원 나노 시트의 두께는, 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 측정된 이미지를 분석함으로써 산출될 수 있다.

상기 2차원 나노 시트의 평균 입경은, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 측정된 이미지를 분석함으로써 산출될 수 있다.

이후, 얻어진 2차원 나노 시트를 양이온성 화합물로 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 이용하여 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질의 결정립계에 코팅함으로써, 2차원 나노 시트로 이루어진 결정립계 절연층을 형성한다. 이에 따라 중간생성물은 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질로 이루어진 코어와, 코어들 둘러싼 2차원 나노 시트로 이루어진 결정립계 절연층 구조를 갖게 된다.

이후, 결정립 코어-결정립계 절연층을 1% 습식 H₂ 분위기 하에 1250 ℃로 환원 소결하여 결정립계 내 티탄산 스트론튬에 산소 베이컨시를 형성(SrTiO_3-δ)하고, 이를 습식 N₂ 분위기 하에 1000 ℃로 재산화하여 유전 복합체를 제조한다. 이후 유전 복합체 양쪽 면에 In-Ga 을 도포하여 전극을 형성하여 실시예 1에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 1에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 1에 상응하는 구조를 가지며, 결정립계 절연층의 두께는 약 5 nm 이다.

상기 결정립계 절연층의 두께는, 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM) 및/또는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 측정된 이미지를 이용하여 결정립과 결정립계 절연층을 구분하고, 구분된 결정립계 절연층의 평균 두께를 산출함으로써 얻을 수 있다.

실시예 2

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질 제조 단계에서 티탄산스트론튬 결정립계에 억셉터 원소로 망간(Mn)을 첨가한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 2에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 2에 따른 입계 절연형 커패시터는 전술한 도 2에 상응하는 구조를 가지며, 결정립계 절연층 중 2차원 나노시트 비율이 50 부피%이다.

즉, 실시예 2에 따른 결정립계 절연층은 산소 베이컨시가 없는 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 및 억셉터 원소를 포함하는 3차원 벌크 소재와 2차원 나노 시트가 복합화된 구조를 이루고 있다.

실시예 3

결정립계 절연층 중 2차원 나노시트 비율이 70 부피%가 되도록 조절한 것을 제외하고는 전술한 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 실시예 3에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 3에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 2에 상응하는 구조를 갖되, 전술한 실시예 2 대비 2차원 나노시트 비율이 다소 증가한 구조를 갖는다.

실시예 4

결정립계 절연층 중 2차원 나노시트 비율이 90 부피%가 되도록 조절한 것을 제외하고는 전술한 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 실시예 3에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 4에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 2에 상응하는 구조를 갖되, 전술한 실시예 2, 실시예 3 대비 2차원 나노시트 비율이 증가한 구조를 갖는다.

실시예 5

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 제조 단계에서 결정립의 평균 입경이 약 100 nm 이 되도록 조절한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 5에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 5에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 1에 상응하는 구조를 갖는다.

실시예 6

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 제조 단계에서 결정립의 평균 입경이 약 300 nm 이 되도록 조절한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 6에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 6에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전복합체는 전술한 도 1에 상응하는 구조를 갖는다.

실시예 7

결정립계 절연층 형성 단계에서 Ca₂Nb₃O₁₀ 의 조성을 갖는 2차원 나노 시트로 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 결정립계를 코팅한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 7에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 7에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 1에 상응하는 구조를 갖는다.

실시예 8

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 대신 티탄산바륨(BaTiO₃) 결정립을 제조한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 8에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 8에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 1에 상응하는 구조를 갖는다.

비교예 1

출발 원료로 TiO₂ 와 SrCO₃ 및 도너 원소로 디스프로슘(Dy) 을 혼합하고, 상기 혼합물을 볼 밀링 처리하여, 슬러리를 제작한다. 제조된 슬러리를 증발 건조시킨 후 하소하여, 산소 베이컨시를 갖는 티탄산스트론튬(SrTiO₃)을 제조한다. 제조된 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 결정립의 평균 입경은 약 200 nm 이다.

이후, 제조된 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 결정립계에 억셉터 원소로 망간(Mn)을 첨가한 후, 환원 조건에서 소결하고, 다시 대기 분위기에서 소성하여 재산화하여, 유전 복합체를 제조한다. 이후 유전 복합체 양쪽 면에 In-Ga 을 도포하여 전극을 형성하여 비교예 1에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다.

비교예 1에 따른 입계 절연형 커패시터는 전술한 도 1과 달리 결정립계 절연층이 2차원 나노시트를 포함하지 않으며, 산소 베이컨시가 없는 티탄산스트론튬(SrTiO₃)과 억셉터 원소로 망간(Mn)을 포함한다.

이하, 실시예 1 내지 실시예 8과 비교예 1에 따른 입계 절연형 커패시터의 조성, 및 제반 물성을 하기 표 1에 나타낸다.

	결정립		결정립계 절연층			입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율 (ε_rAPP)
	조성	평균입경 (nm)	조성	2차원 나노시트 비율 (부피%)	두께 (nm)	입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율 (ε_rAPP)
실시예 1	SrTiO_3-δ	200	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆	100	5	9600
실시예 2	SrTiO_3-δ	200	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ + SrTiO₃	50	5	5400
실시예 3	SrTiO_3-δ	200	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ + SrTiO₃	70	5	7080
실시예 4	SrTiO_3-δ	200	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ + SrTiO₃	90	5	8760
실시예 5	SrTiO_3-δ	100	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆	100	5	4800
실시예 6	SrTiO_3-δ	300	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆	100	5	14400
실시예 7	SrTiO_3-δ	200	Ca₂Nb₃O₁₀	100	5	4800
실시예 8	BaTiO_3-δ	200	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆	100	5	9600
비교예 1	SrTiO_3-δ	200	SrTiO₃	0	5	1200

표 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율은 결정립의 평균 입경과 2차원 나노시트 비율에 비례하는 양상을 나타내며, 2차원 나노시트의 조성에 따라 달라지는 양상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

한편, 실시예 1의 조건을 다음과 같이 변경하여 하기 실시예 9, 실시예 10, 비교예 2, 비교예 3에 따른 입계 절연형 커패시터를 각각 제조한다.

실시예 9

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질이 평균 입경을 약 1300 nm가 되도록 형성하고, 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질 제조 단계에서 티탄산스트론튬 결정립계에 억셉터 원소로 망간(Mn)을 첨가한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 실시예 9에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 9에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체에는 결정립계 절연층이 수 십 nm의 두께로 형성되어 있다. 또한, 실시예 9에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 2에 상응하는 구조를 가지며, 결정립계 절연층 중 2차원 나노시트 비율이 80 부피%이다.

실시예 10

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질이 평균 입경을 약 1000 nm가 되도록 형성하고, 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질 제조 단계에서 티탄산스트론튬 결정립계에 억셉터 원소로 망간(Mn)을 첨가한 것을 제외하고는 전술한 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질을 제조한다.

이와 별개로, 출발 원료로 K₂CO₃, SrCO₃, Nb₂O₅를 혼합하고, 상기 혼합물을 펠렛으로 성형한다. 얻어진 펠렛을 열처리하여, KSr₂Nb₃O₁₀ 분말을 제조한다. 제조된 KSr₂Nb₃O₁₀ 분말을 HCl 용액 또는 HNO₃ 용액에 넣어 교반한 후, 여과하여 HSr₂Nb₃O₁₀ 분말을 얻는다.

얻어진 HSr₂Nb₃O₁₀ 분말을 TBAOH 수용액에 넣어 교반하고, 원심 분리하여, 2차원 나노 시트들을 얻는다. 상기 2차원 나노 시트의 조성은 Sr₂Nb₃O₁₀ 이다. 제조된 2차원 나노 시트는 1.5 nm의 평균 두께와 500 nm의 평균 입경을 갖는다.

이후, 얻어진 2차원 나노 시트를 양이온성 화합물로 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 이용하여 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질의 결정립계에 코팅함으로써, 2차원 나노 시트로 이루어진 결정립계 절연층을 형성한다. 이에 따라 중간생성물은 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질로 이루어진 코어와, 코어를 둘러싼 2차원 나노 시트로 이루어진 결정립계 절연층 구조를 갖게 된다.

이후, 결정립 코어-결정립계 절연층을 1% 건식 H₂ 분위기 하에 1250 ℃로 환원 소결하여 결정립계 내 티탄산 스트론튬에 산소 베이컨시를 형성(SrTiO_3-δ)하고, 이를 공기(air) 분위기 하에 900 ℃로 재산화하여, 유전 복합체를 제조한다. 이후 유전 복합체 양쪽 면에 In-Ga 을 도포하여 전극을 형성하여 실시예 10에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 실시예 10에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체에는 결정립계 절연층이 수 십 nm의 두께로 형성되어 있다. 또한, 실시예 10에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체는 전술한 도 2에 상응하는 구조를 가지며, 결정립계 절연층 중 2차원 나노시트 비율이 80 부피%이다.

비교예 2

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질이 평균 입경을 약 1300 nm가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질을 제조한다.

이후, 제조된 티탄산스트론튬(SrTiO₃) 결정립계에 억셉터 원소로 망간(Mn)을 첨가한 후, 환원 조건에서 소결하고, 다시 대기 분위기에서 소성하여 재산화함으로써, 비교예 2에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 비교예 2에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체에는 결정립계 절연층이 수 십 nm의 두께로 형성되어 있다.

비교예 2에 따른 입계 절연형 커패시터는 전술한 도 1과 달리 결정립계 절연층이 2차원 나노시트를 포함하지 않으며, 산소 베이컨시가 없는 티탄산스트론튬(SrTiO₃)과 억셉터 원소로 망간(Mn)을 포함한다.

비교예 3

티탄산스트론튬(SrTiO₃) 코어물질이 평균 입경을 약 1000 nm가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 과정을 거쳐 비교예 3에 따른 입계 절연형 커패시터를 제조한다. 비교예 3에 따른 입계 절연형 커패시터 내 유전 복합체에는 결정립계 절연층이 수 십 nm의 두께로 형성되어 있다.

비교예 3에 따른 입계 절연형 커패시터는 비교예 2와 마찬가지로 결정립계 절연층이 2차원 나노시트를 포함하지 않으며, 산소 베이컨시가 없는 티탄산스트론튬(SrTiO₃)과 억셉터 원소로 망간(Mn)을 포함한다.

이하, 실시예 9, 실시예 10과 비교예 2, 비교예 3에 따른 입계 절연형 커패시터의 조성, 및 제반 물성을 하기 표 2에 나타낸다.

	결정립		결정립계 절연층			입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율 (ε_rAPP)
	조성	평균입경 (nm)	조성	2차원 나노시트 비율 (부피%)	두께	입계 절연형 커패시터의 겉보기 비유전율 (ε_rAPP)
실시예 9	SrTiO_3-δ	1300	Ca₂Na₂Nb₅O₁₆+ SrTiO₃	80	수 십 nm	4420
실시예 10	SrTiO_3-δ	1000	Sr₂Nb₃O₁₀+ SrTiO₃	80	수 십 nm	7950
비교예 2	SrTiO_3-δ	1300	SrTiO₃	0	수 십 nm	2600
비교예 3	SrTiO_3-δ	1000	SrTiO₃	0	수 십 nm	2300

전술한 표 1과 표 2를 함께 참고하면, 실시예 9와 실시예 10에 따른 입계 절연형 커패시터는 전술한 실시예 1 내지 실시예 8들 대비 결정립의 평균 입경이 증가하였지만, 결정립계 절연층 형성 두께 또한 약 5 nm에서 수 십 nm로 증가하였음을 확인할 수 있다.

한편, 표 2를 참고하면, 동일 결정립 평균입경을 기준으로 볼 때, 결정립계 절연층이 2차원 나노시트를 함유하는 실시예 9와 실시예 10이, 그렇지 않은 비교예 2, 비교예 3 대비 우수한 겉보기 비유전율을 나타냄을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 9와 실시예 10을 참고하면, 대체로 유사한 평균입경을 가지는 동일 소재의 결정립 코어물질을 사용하더라도 2차원 나노시트의 소재가 상이한 경우 겉보기 비유전율은 상이해질 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 나노시트 소재의 변화에 따라 전술한 수학식 1의 ε_rAPP가 달라지기 때문이다.

이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.

1: 적층형 커패시터 11: 유전체층
12: 내부 전극 13: 외부전극

Claims

반도성, 또는 전도성을 갖는 소재로 이루어진 복수의 결정립, 및
상기 결정립의 경계를 둘러싸고 있는 결정립계 절연층을 포함하며,
상기 결정립계 절연층은 상기 결정립 표면의 적어도 일부를 덮고 있는 2차원 층상소재를 포함하는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 단일 층으로 이루어진, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 단일 층이 2층 이상 적층된 다중 층인, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 상기 결정립 표면과 직접 접촉하고 있는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 상기 결정립 표면을 전부 덮고 있는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 120 nm 이하의 두께를 갖는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재의 비유전율은 50 내지 1000인, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 결정립계 절연층은 상기 2차원 층상소재와 복합화되어 있는 3차원 벌크 소재를 더 포함하는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 결정립계 절연층 100 부피%를 기준으로,
상기 2차원 층상소재는 10 부피% 내지 100 부피% 함유되어 있는, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는,
아우리빌리우스(aurivilius) 상을 갖는 소재, 루들스덴-파퍼 상(ruddlesden-popper phase)을 갖는 소재, 디온-제이콥슨(Dion―Jacobson) 상을 갖는 소재, 및 티타노 니오베이트(titano-niobate) 중 어느 하나로부터 박리된 것인, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 2차원 층상소재는 하기 화학식 1로 표현되는, 유전 복합체:
[화학식 1]
X_m[A_(n-1)B'_nO_(3n+1)]
상기 화학식 1에서, X는 H, 알칼리 금속, 및 양이온성 화합물 중에서 선택되는 1종 이상이고, A는 Ca, Na, Ta, Bi, Ba, Sr 중에서 선택되는 1종 이상이고, B'는 W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Zr, Hf, Pb, Sn, La, Ti 중에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤m≤2, n≥1이다.
제11항에서,
상기 양이온성 화합물은 테트라메틸암모늄 화합물, 테트라에틸암모늄 화합물, 테트라프로필암모늄 화합물, 테트라부틸암모늄 화합물, 메틸아민 화합물, 에틸아민 화합물, 프로필아민 화합물, 부틸아민 화합물, 폴리에틸렌이민 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 유전 복합체.
제11항에서,
상기 화학식 1로 표현되는 2차원 층상 소재는 전기적으로 중성인, 유전 복합체:
제1항에서,
상기 결정립은 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산납, 지르콘산납, 티탄산지르콘산납, 또는 이들의 조합을 포함하는 소재로 이루어진, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 결정립의 평균 입경은 50 nm 내지 2.0 ㎛ 인, 유전 복합체.
제1항에서,
상기 유전 복합체의 비유전율은 1000 내지 20000 인, 유전 복합체.
내부 전극과 유전체층이 교번적으로 적층된 구조를 갖는 적층형 커패시터(Multi-layered capacitor)로서,
상기 유전체층은 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 유전 복합체를 포함하는, 적층형 커패시터:
제17항에서,
상기 내부 전극과 상기 유전체층은 2 회 이상 교번적으로 적층되어 있는, 적층형 커패시터.
제17항에서,
상기 유전체층의 두께는 500 nm 이하인, 적층형 커패시터.
제17항에서,
상기 유전체층은 4000 내지 40000 의 비유전율을 갖는, 적층형 커패시터.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 유전 복합체를 포함하는, 전자 소자.
제21항에서,
상기 전자 소자는 배리스터(varistor), 서미스터(thermistor), 또는 에너지 저장용 커패시터인, 전자 소자.