KR20190116111A - 유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터 - Google Patents

유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터

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KR20190116111A
KR20190116111A KR1020190070784A KR20190070784A KR20190116111A KR 20190116111 A KR20190116111 A KR 20190116111A KR 1020190070784 A KR1020190070784 A KR 1020190070784A KR 20190070784 A KR20190070784 A KR 20190070784A KR 20190116111 A KR20190116111 A KR 20190116111A
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KR
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mol
dielectric
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niobium
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KR1020190070784A
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김형욱
백승인
권형순
조지홍
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터를 제공한다.

Description

유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터{DIELECTRIC CERAMIC COMPOSITION AND MULTILAYER CERAMIC CAPACITOR COMPRISING THE SAME}
본 발명은 신뢰성을 향상시킬 수 있는 유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터에 관한 것이다.
일반적으로 커패시터, 인덕터, 압전체 소자, 바리스터 또는 서미스터 등의 세라믹 재료를 사용하는 전자부품은 세라믹 재료로 이루어진 세라믹 바디, 바디 내부에 형성된 내부전극 및 상기 내부전극과 접속되도록 세라믹 바디 표면에 배치된 외부전극을 구비한다.
최근에는 전자제품이 소형화 및 다기능화됨에 따라 칩 부품 또한 소형화 및 고기능화되는 추세이므로, 적층 세라믹 커패시터도 크기가 작고, 용량이 큰 고용량 제품이 요구되고 있다.
적층 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화를 동시에 달성하는 방법으로는 내부의 유전체층 및 전극층의 두께를 얇게 하여 많은 수를 적층하는 것인데, 현재 유전체층의 두께는 0.6 ㎛ 정도의 수준으로서 계속하여 얇은 수준으로 개발이 진행되고 있다.
이러한 상황에서 유전체층의 신뢰성 확보가 유전 재료의 주된 문제로 대두되고 있으며, 아울러 유전체의 절연저항 열화 불량이 증가하여 품질 및 수율 관리에 어려움이 있다는 점이 중요한 문제가 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 적층 세라믹 커패시터의 구조적인 측면 뿐만 아니라 특히 유전체의 조성적인 측면에서 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 방법이 필요한 실정이다.
현재 수준에서 신뢰성 수준을 한 단계 높일 수 있는 유전체 조성을 확보한다면 더욱 박층화된 적층 세라믹 커패시터를 제작할 수 있을 것이다.
본 발명은 신뢰성을 향상시킬 수 있는 유전체 자기 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 유전체 자기 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 유전체층 및 상기 유전체층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 내부전극 및 제2 내부전극을 포함하는 세라믹 바디 및 상기 세라믹 바디의 외측에 배치되되, 상기 제1 내부전극과 전기적으로 연결되는 제1 외부전극 및 상기 제2 내부전극과 전기적으로 연결되는 제2 외부전극을 포함하며, 상기 유전체층은 유전체 자기 조성물을 포함하는 유전체 그레인을 포함하고, 상기 유전체 자기 조성물은 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 적층 세라믹 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 세라믹 바디 내 유전체층이 포함하는 유전체 자기 조성물이, 부성분으로서 신규 희토류 원소인 니오븀 (Nb)을 포함하되, 그 함량을 제어함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예 및 비교예에 따른 가혹 신뢰성 평가 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 실시예 및 비교예에 따른 가혹 신뢰성 평가 결과 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.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층 세라믹 커패시터(100)는 유전체층(111) 및 상기 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 내부전극(121) 및 제2 내부전극(122)을 포함하는 세라믹 바디(110) 및 상기 세라믹 바디(110)의 외측에 배치되되, 상기 제1 내부전극(121)과 전기적으로 연결되는 제1 외부전극(131) 및 상기 제2 내부전극(122)과 전기적으로 연결되는 제2 외부전극(132)을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터(100)에 있어서, '길이 방향'은 도 1의 'L' 방향, '폭 방향'은 'W' 방향, '두께 방향'은 'T' 방향으로 정의하기로 한다. 여기서 '두께 방향'은 유전체층을 쌓아 올리는 방향 즉 '적층 방향'과 동일한 개념으로 사용할 수 있다.
상기 세라믹 바디(110)의 형상에 특별히 제한은 없지만, 도시된 바와 같이 직방체 형상일 수 있다.
상기 세라믹 바디(110) 내부에 형성된 복수 개의 내부전극(121, 122)은 세라믹 바디(110)의 일면 또는 상기 일면과 마주보는 타면으로 일단이 노출된다.
상기 내부전극(121, 122)은 서로 다른 극성을 갖는 제1 내부전극(121) 및 제2 내부전극(122)을 한 쌍으로 할 수 있다.
제1 내부전극(121)의 일단은 세라믹 바디의 일면으로 노출되고, 제2 내부전극(122)의 일단은 상기 일면과 마주보는 타면으로 노출될 수 있다.
상기 세라믹 바디(110)의 일면 및 상기 일면과 마주보는 타면에는 제1 및 제2 외부전극(131, 132)이 형성되어 상기 내부전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 형성하는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 은(Ag), 납(Pb), 백금(Pt), 니켈(Ni) 및 구리(Cu) 중 하나 이상의 물질을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 외부전극(131, 132)은 정전 용량 형성을 위해 상기 제1 및 제2 내부전극(121, 122)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 외부전극(132)은 상기 제1 외부전극(131)과 다른 전위에 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)에 함유되는 도전성 재료는 특별히 한정되지 않지만, 니켈(Ni), 구리(Cu), 또는 이들 합금을 이용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)의 두께는 용도 등에 따라 적절히 결정할 수 있으며 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 10 내지 50㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체층(111)을 형성하는 원료는 충분한 정전 용량을 얻을 수 있는 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 티탄산바륨(BaTiO3) 분말일 수 있다.
상기 유전체층(111)을 형성하는 재료는 티탄산바륨(BaTiO3) 등의 파우더에 본 발명의 목적에 따라 다양한 첨가제, 유기용제, 가소제, 결합제, 분산제 등이 첨가될 수 있다.
상기 유전체층(111)은 소결된 상태로서, 인접하는 유전체층끼리의 경계는 확인할 수 없을 정도로 일체화되어 있을 수 있다.
상기 유전체층(111) 상에 제1 및 제2 내부전극(121, 122)이 형성될 수 있으며, 내부전극(121, 122)은 소결에 의하여 일 유전체층을 사이에 두고, 상기 세라믹 바디 내부에 형성될 수 있다.
유전체층(111)의 두께는 커패시터의 용량 설계에 맞추어 임의로 변경할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서 소성 후 유전체층의 두께는 1층당 바람직하게는 0.4 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 소성 후 상기 제1 및 제2 내부전극(121, 122)의 두께는 1층당 바람직하게는 0.4 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체층(111)은 유전체 자기 조성물을 포함하는 유전체 그레인을 포함하고, 상기 유전체 자기 조성물은 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 것을 특징으로 한다.
일반적으로 적층 세라믹 커패시터 내부의 유전체의 신뢰성을 확보하기 위하여 희토류계 원소들이 많이 첨가된다.
이러한 희토류계 원소들 중 디스프로슘 (Dy)은 모재 주성분인 티탄산바륨 (BaTiO3)에 첨가시 Ba-site를 치환하면서 산소 빈자리 공공의 농도를 줄임으로써 신뢰성 개선에 효과가 있음이 알려져 있다.
한편, 디스프로슘 (Dy)보다 이온 반경이 큰 희토류 원소, 예를 들어 란티넘 (La), 사마륨 (Sm) 등을 사용할 경우 Ba 자리를 더 효과적으로 치환할 수 있기 때문에 산소 빈자리 결함 농도 감소에는 더욱 효과적이지만, 지나친 반도체화로 인하여 절연 저항이 급격히 하락하는 문제가 있었기 때문에 실제로 적용되지는 못하고 있다.
따라서, 신뢰성 개선을 위해 산소 빈자리 결함 농도를 최소화시키면서도, 절연저항 확보를 위해 신규 희토류 원소를 적용하는 것이 좋을 것으로 생각되었다.
본 발명의 일 실시형태에서는 안정적인 유전 특성을 나타내는 디스프로슘(Dy) 원소와 함께 니오븀 (Nb) 원소를 적용하며, 우수한 신뢰성을 확보할 수 있는 최적의 함량비를 선정하였다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 자기 조성물은 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하가 되도록 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하다.
상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 이하의 경우에는 희토류 원소인 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 너무 적어 신뢰성 향상 효과가 크지 않다.
상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량은 증가할 수록 신뢰성 향상 측면에서는 유리하나, 일정량 이상에서 반도체화되어 절연체의 특성을 저하시키고 소결성이 떨어지기 때문에, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량은 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰 이하인 것이 바람직하다.
즉, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 초과하는 경우에는 과도한 희토류 함량에 따라 소결성 부족으로 용량 미확보 및 신뢰성 열화의 문제가 발생할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족할 수 있다.
상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족할 경우, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선 효과가 우수하다.
상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol 미만의 경우에는 니오븀 (Nb)의 함량이 너무 적어 신뢰성 향상 효과가 크지 않다.
한편, 상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.20 mol 을 초과하는 경우에는 반도체화로 인한 절연 저항의 저하가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 세라믹 바디 내 유전체층이 포함하는 유전체 자기 조성물에 있어서, 부성분으로서 희토류 원소인 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하되, 디스프로슘 (Dy)과 니오븀 (Nb)의 함량을 제어함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 니오븀 (Nb)은 상기 유전체 그레인의 바운더리에 배치될 수 있다.
상기 니오븀 (Nb)은 상기 유전체 그레인의 바운더리에 배치됨으로써, 적층 세라믹 커패시터의 절연 저항 저하를 막아 신뢰성을 향상할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터(100)는 상술한 바와 같이 초소형 고용량 제품으로서, 상기 유전체층(111)의 두께는 0.4 ㎛ 이하이고, 상기 제1 및 제2 내부전극(121, 122)의 두께는 0.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 적층 세라믹 커패시터의 사이즈(100)는 1005 (길이X폭, 1.0mm X 0.5 mm) 이하일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터(100)는 초소형 고용량 제품이기 때문에, 유전체층(111)과 제1 및 제2 내부전극(121, 122)의 두께는 종래 제품에 비하여 얇은 박막으로 구성되어 있으며, 이와 같이 박막의 유전체층 및 내부전극이 적용된 제품의 경우, 절연 저항 등의 신뢰성 향상을 위한 연구는 매우 중요한 이슈이다.
즉, 종래의 적층 세라믹 커패시터의 경우에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 커패시터가 포함하는 유전체층 및 내부전극보다는 상대적으로 두꺼운 두께를 갖기 때문에, 유전체 자기 조성물의 조성이 종래와 동일하더라도 신뢰성이 크게 문제되지 않았다.
그러나, 본 발명의 일 실시형태와 같이 박막의 유전체층 및 내부전극이 적용되는 제품에 있어서는 적층 세라믹 커패시터의 신뢰성이 중요하며 이를 위해 유전체 자기 조성물의 조성을 조절할 필요가 있다.
즉, 본 발명의 일 실시형태에서는 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하가 되도록 조절하고, 특히 상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족하도록 조절함으로써, 유전체층(111)의 두께가 0.4 ㎛ 이하인 박막의 경우에도 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하다.
다만, 상기 박막의 의미가 유전체층(111)과 제1 및 제2 내부전극(121, 122)의 두께가 0.4 ㎛ 이하인 것을 의미하는 것은 아니며, 종래의 제품보다 얇은 두께의 유전체층과 내부전극을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 자기 조성물의 각 성분을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
a) 모재 주성분
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 자기 조성물은 BaTiO3로 표시되는 모재 주성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 모재 주성분은 BaTiO3, (Ba1-xCax)(Ti1-yCay)O3 (여기서, x는 0≤x≤0.3, y는 0≤y≤0.1), (Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3(여기서, x는 0≤x≤0.3, y는 0≤y≤0.5), 및 Ba(Ti1-yZry)O3 (여기서, 0 <y≤0.5)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 자기 조성물은 상온 유전율이 2000 이상일 수 있다.
상기 모재 주성분은 특별히 제한되는 것은 아니나, 주성분 분말의 평균 입경은 40nm 이상 200nm 이하일 수 있다.
b)제1 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 자기 조성물은 제1 부성분 원소로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함한다.
상기 제1 부성분은 본 발명의 일 실시형태에서 유전체 자기 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 신뢰성 저하를 막는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고, 상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하가 되도록 조절하고, 특히 상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족하도록 조절함으로써, 유전체층(111)의 두께가 0.4 ㎛ 이하인 박막의 경우에도 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하다.
c)제2 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 자기 조성물은 제2 부성분으로서, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물 혹은 탄산염을 포함할 수 있다.
상기 제2 부성분으로서, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물 혹은 탄산염은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, 0.1 내지 2.0 몰의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 제2 부성분은 유전체 자기 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 소성 온도 저하 및 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 제2 부성분의 함량 및 후술하는 제3 내지 제4 부성분의 함량은 모재 분말 100 몰에 대하여 포함되는 양으로서, 특히 각 부성분이 포함하는 금속 이온의 몰로 정의될 수 있다.
상기 제2 부성분의 함량이 0.1 몰 미만이면 소성 온도가 높아지고 고온 내전압 특성이 다소 저하될 수 있다.
상기 제2 부성분의 함량이 2.0 몰 이상의 경우에는 고온 내전압 특성 및 상온 비저항이 저하될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 자기 조성물은 모재 주성분 100 몰에 대하여 0.1 내지 2.0 몰의 함량을 갖는 제2 부성분을 포함할 수 있으며, 이로 인하여 저온 소성이 가능하며 높은 고온 내전압 특성을 얻을 수 있다.
d)제3 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 자기 조성물은 원자가 고정 억셉터 (fixed-valence acceptor) 원소 Mg을 포함하는 산화물 또는 탄산염인 제3 부성분을 포함할 수 있다.
상기 원자가 고정 억셉터 (fixed-valence acceptor) 원소 Mg은 상기 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰에 대하여, 0.2 내지 0.7 몰의 제3 부성분을 포함할 수 있다.
상기 제3 부성분은 원자가 고정 억셉터 원소 및 이를 포함하는 화합물들로서, 억셉터 (Acceptor)로 작용하여 전자 농도를 줄이는 역할을 수행할 수 있다. 상기 제3 부성분인 원자가 고정 억셉터 (fixed-valence acceptor) 원소 Mg을 상기 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰에 대하여, 0.2 내지 0.7 몰 첨가함으로써, n-type화로 인한 신뢰성 개선 효과를 극대화할 수 있다.
상기 제3 부성분의 함량이 상기 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰에 대하여, 0.7 몰을 초과하는 경우 유전율이 낮아지는 문제가 있을 수 있으며, 절연 파괴 전압(BDV)이 낮아지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
e)제4 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 자기 조성물은 제4 부성분으로서, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물을 포함할 수 있다.
상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.0 내지 0.5 몰의 제4 부성분을 더 포함할 수 있다.
상기 제4 부성분의 함량은 글라스, 산화물 또는 탄산염과 같은 첨가 형태를 구분하지 않고 제4 부성분에 포함된 Si 및 Al 중 적어도 하나 이상의 원소의 함량을 기준으로 할 수 있다.
상기 제4 부성분은 유전체 자기 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 소성 온도 저하 및 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 제4 부성분의 함량이 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, 0.5 몰을 초과하면 소결성 및 치밀도 저하, 2차상 생성 등의 문제가 있을 수 있어 바람직하지 못하다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 유전체 자기 조성물이 0.5 몰 이하의 함량으로 Al을 포함함으로써, Al이 억셉터로 작용하여 오히려 전자 농도를 줄일 수 있어 신뢰성 개선에 효과가 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
본 발명의 실시예는 티탄산바륨(BaTiO3) 분말을 포함하는 유전체 원료 분말에, Dy, Nb, Al, Mg, Mn 등의 첨가제, 바인더 및 에탄올 등의 유기 용매를 첨가하고, 습식 혼합하여 유전체 슬러리를 마련한 다음 상기 유전체 슬러리를 캐리어 필름상에 도포 및 건조하여 세라믹 그린시트를 마련하며, 이로써 유전체 층을 형성할 수 있다.
이 때, 티탄산 바륨 대비 모든 원소의 첨가제의 크기는 40% 이하로 단분산하여 투입하였다.
본 발명의 실시예는 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하가 되도록 제작하고, 특히 상기 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족하도록 제작하였다.
상기 실시예 중 실시예 1은 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 첨가하였다.
다음으로, 실시예 2 내지 4는 각각 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol, 0.1 mol 및 0.20 mol을 첨가하여 제작하였다.
상기 세라믹 그린시트는 세라믹 분말, 바인더, 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 닥터 블레이드 법으로 수 μm의 두께를 갖는 시트(sheet)형으로 제작할 수 있다.
다음으로, 니켈 입자 평균 크기가 0.1 내지 0.2 μm이며, 40 내지 50 중량부의 니켈 분말을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 마련할 수 있다.
상기 그린시트 상에 상기 내부전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄공법으로 도포하여 내부전극을 형성한 후 내부전극 패턴이 배치된 그린시트를 적층하여 적층체를 형성한 이후, 상기 적층체를 압착 및 커팅하였다.
이후, 커팅된 적층체를 가열하여 바인더를 제거한 후 고온의 환원 분위기에서 소성하여 세라믹 바디를 형성하였다.
상기 소성 과정에서는 환원 분위기(0.1% H2/99.9% N2, H2O/H2/N2 분위기)에서 1100 ~ 1200℃의 온도에서 2시간 소성한 후, 1000℃에서 질소(N2) 분위기에서 재산화를 3시간 동안 실시하여 열처리 하였다.
다음으로, 소성된 세라믹 바디에 대하여 구리(Cu) 페이스트로 터미네이션 공정 및 전극 소성을 거쳐 외부전극을 완성하였다.
또한, 세라믹 바디(110) 내부의 유전체층(111)과 제1 및 제2 내부전극(121, 122)은 소성 후 두께가 0.4 ㎛ 이하가 되도록 제작하였다.
(비교예 1)
비교예 1의 경우에는 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 초과한 1.8 몰로 첨가한 것으로서, 그 외 제작 과정은 상술한 실시예에서와 동일하다.
(비교예 2)
비교예 2의 경우에는 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 초과한 2.1 몰로 첨가한 것으로서, 그 외 제작 과정은 상술한 실시예에서와 동일하다.
(비교예 3)
비교예 3의 경우에는 종래와 같이 니오븀 (Nb)을 첨가하지 않은 것으로서, 그 외 제작 과정은 상술한 실시예에서와 동일하다.
(비교예 4)
비교예 4의 경우에는 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.25 mol을 첨가한 것으로서, 그 외 제작 과정은 상술한 실시예에서와 동일하다.
상기와 같이 완성된 프로토 타입 적층 세라믹 커패시터(Proto-type MLCC) 시편인 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 대해 가혹 신뢰성 평가 (Halt) 테스트를 수행하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예 및 비교예에 따른 가혹 신뢰성 평가 결과 그래프이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예 1의 경우로서, 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 첨가하였으며, 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 없어 신뢰성이 우수함을 알 수 있다.
본 실시예 1의 경우 공칭 용량 (Norminal Capacity)이 101%이고, 절연파괴전압(BDV)가 63V로서, 용량 및 BDV 측면에서의 신뢰성 평가에서도 우수함을 알 수 있다.
도 3(b)는 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 초과한 1.8 몰을 첨가한 비교예 1의 경우이고, 도 3(c)는 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 1.5 몰을 초과한 2.1 몰을 첨가한 비교예 2의 경우이다.
비교예 1 및 비교예 2의 경우 모두 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 다수 발생하는 것으로서 신뢰성 저하가 확인되었다.
또한, 비교예 1의 경우에는 공칭 용량 (Norminal Capacity)이 90%이고, 절연파괴전압(BDV)가 58V이며, 비교예 2의 경우에는 공칭 용량 (Norminal Capacity)이 82%이고, 절연파괴전압(BDV)가 47V로서, 모두 기준에 미달함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 실시예 및 비교예에 따른 가혹 신뢰성 평가 결과 그래프이다.
도 4(a)는 종래와 같이 니오븀 (Nb)을 첨가하지 않은 비교예 3의 경우로서, 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 다수 발생하여 신뢰성 저하가 확인되었다.
도 4(b) 내지 도 4(d)는 각각 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol, 0.1 mol 및 0.20 mol을 첨가하여 제작한 실시예 2 내지 4의 경우로서, 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 없거나 최소로 발생하여 신뢰성이 우수함을 알 수 있다.
도 4(e)는 니오븀 (Nb)의 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.25 mol을 첨가한 비교예 4의 경우로서, 가혹 신뢰성 평가에서 불량이 다수 발생하여 신뢰성 저하가 확인되었다.
본 발명은 상술한 실시 형태 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.
110: 세라믹 바디 111: 유전체층
121, 122: 제1 및 제2 내부전극 131, 132: 제1 및 제2 외부전극

Claims (13)

  1. BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고,
    상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 유전체 자기 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니오븀 (Nb)의 함량은 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족하는 유전체 자기 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.1 내지 2.0 몰의 제2 부성분을 포함하는 유전체 자기 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰에 대하여, 원자가 고정 억셉터 (fixed-valence acceptor) 원소 Mg을 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.2 내지 0.7 몰의 제3 부성분을 포함하는 유전체 자기 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.001 내지 0.5 몰의 제4 부성분을 포함하는 유전체 자기 조성물.
  6. 유전체층 및 상기 유전체층을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 내부전극 및 제2 내부전극을 포함하는 세라믹 바디; 및
    상기 세라믹 바디의 외측에 배치되되, 상기 제1 내부전극과 전기적으로 연결되는 제1 외부전극 및 상기 제2 내부전극과 전기적으로 연결되는 제2 외부전극;을 포함하며,
    상기 유전체층은 유전체 자기 조성물을 포함하는 유전체 그레인을 포함하고,
    상기 유전체 자기 조성물은 BaTiO3 계 모재 주성분과 부성분을 포함하며, 상기 부성분은 제1 부성분으로서 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)을 포함하고,
    상기 디스프로슘 (Dy) 및 니오븀 (Nb)의 총 함량이 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.2 몰 초과 1.5 몰 이하인 적층 세라믹 커패시터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 니오븀 (Nb)의 함량은 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰 대비 0.05 mol ≤ Nb ≤ 0.20 mol 를 만족하는 적층 세라믹 커패시터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.1 내지 2.0 몰의 제2 부성분을 포함하는 적층 세라믹 커패시터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 중 티타늄 (Ti) 100몰에 대하여, 원자가 고정 억셉터 (fixed-valence acceptor) 원소 Mg을 포함하는 산화물 또는 탄산염인 0.2 내지 0.7 몰의 제3 부성분을 포함하는 적층 세라믹 커패시터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 유전체 자기 조성물은 상기 모재 주성분 100 몰에 대하여, Si 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 또는 Si를 포함하는 글라스(Glass) 화합물인 0.001 내지 0.5 몰의 제4 부성분을 포함하는 적층 세라믹 커패시터.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께는 0.4 ㎛ 이하이고, 상기 제1 및 제2 내부전극의 두께는 0.4 ㎛ 이하인 적층 세라믹 커패시터.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 적층 세라믹 커패시터의 사이즈는 1005 (길이X폭, 1.0mm X 0.5 mm) 이하인 적층 세라믹 커패시터.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 니오븀 (Nb)은 상기 유전체 그레인의 바운더리에 배치된 적층 세라믹 커패시터.
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