KR20200140495A - 고온 저유전손실 유전체 제조방법 - Google Patents

고온 저유전손실 유전체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 저유전손실 유전체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 Ba0.5Na0.5TiO3로 표현되는 화합물을 주성분으로 하고, 상기 화합물에 포함되는 화학양론비의 Na보다 1 at.% 내지 5 at.% 미달의 Na가 포함되어 있는, 고온 저유전손실 유전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고온캐패시터 응용을 위한 고온부 유전손실 개선 기술 및 고온 저유전손실 유전체 제조방법 {HIGH-TEMPERATURE DIELECTRIC LOSS IMPROVEMENT TECHNOLOGY FOR HIGH TEMPERATURE CAPACITOR APPLICATION AND METHOD FOR MANUFACTURING LOW DIELECTRIC LOSS DIELECTRIC MATERIAL AT HIGH-TEMPERATURE}
본 발명은 고온 저유전손실 유전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전기자동차의 수요증가 및 자동차의 전자화 증가로 인해 자동차의 고온부에 들어갈 축전기 수요가 급격히 증가하고 있다.
전기자동차에 적용하기 위해서는, 최소 200 ℃ 이상의 고온에서 작동이 가능한 고온용 축전기가 필요한 상황이나, 현재 상용화된 축전기인 BaTiO3조성 기반의 축전기(X7R)는 125 ℃가 한계온도이다.
고온용 유전체를 위해서는 유전율의 온도안전성이 좋아야 하며 작동 온도범위 내에서 유전손실 또한 작아야 한다(tanδ그러나 대부분의 유전체는 유전율의 온도 안정성은 좋을 수 있으나, 200 ℃ 이상에서 유전손실이 급격히 증가하는 경향이 있어 고온유전체로 활용되는 데에 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 현 상용 유전체의 한계온도를 극복하고 고온부(200 ℃ 이상)에서의 유전손실이 매우 적은 고온 저유전손실 유전체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체는, Ba0.5Na0.5TiO3로 표현되는 화합물을 주성분으로 하고, 상기 화합물에 포함되는 화학양론비의 Na보다 1 at.% 내지 5 at.% 미달의 Na가 포함되어 있는 것이다.
일 측면에 따르면, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 tanδ가 0.01 내지 0.02 미만의 유전손실율을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체의 제조방법은, Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계; 상기 화합물에서 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계; 및 상기 Na의 함량이 의도적으로 낮은 화합물을 열처리 하는 단계;를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계는, 모재 분말로서, Bi2O3, Na2CO3 및 TiO2를 건조하고, 화학양론비에 맞게 분말 평량하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계는, Na 함량을 낮추는 비에 맞게 분말을 평량하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 열처리 하는 단계는, 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도 조건으로 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 열처리 하는 단계는, 24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축전기는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체 또는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체의 제조방법을 통해 제조된 고온 저유전손실 유전체를 포함한다.
일 측면에 따르면, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 작동되는 전자회로에 포함되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 전기자동차에 포함되는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존 유전체의 조성인 BaTiO3에서 벗어나 새로운 조성 Bi0.5Na0.5TiO3를 적용하고 Na 이온의 결함과 고온열처리를 통해 유전율의 온도안정성을 높이는 동시에 고온부에서 낮은 유전손실을 가지는 고온 저유전손실 유전체를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 고온 저유전손실 유전체는, 온도안정성은 만족시키나 고온부 유전손실이 문제인 조성에도 적용 가능한 기술이며, 향후 고온캐패시터 개발에 적용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 유전체의 온도에 따른 유전손실율을 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 유전체의 결정성을 나타낸 XRD 데이터이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 고온 저유전손실 유전체 및 이의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체는, Ba0.5Na0.5TiO3로 표현되는 화합물을 주성분으로 하고, 상기 화합물에 포함되는 화학양론비의 Na보다 1 at.% 내지 5 at.% 미달의 Na가 포함되어 있는 것이다. Na 함량이 5 at%를 초과하는 경우 이차상이 생성된다.
현재 상용화된 X7R BaTiO3 유전체는 125 ℃가 한계 온도이며, 고온용 유전체를 위해 강유전체(Ferroelectric material ex. BaTiO3)에 릴렉서(Relaxor)를 합성하여 유전율의 온도안전성을 높이는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 온도안정성은 좋아지는 것에 비해 고온부의 유전손실율이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 Bi0.5Na0.5TiO3 소재 기반 유전체에 관한 것으로, BiTiO3 기반의 종래 소재의 최고온도 한계를 극복하기 위해 Bi0.5Na0.5TiO3 소재의 Na 함량(A site 의 일부)을 의도적으로 미량 제거하여 고온 조건 손실을 극복하였다.
일 측면에 따르면, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 tanδ가 0.01 내지 0.02 미만의 유전손실율을 가지는 것일 수 있다.
Bi0.5Na0.5TiO3 소재의 Na 함량을 의도적으로 미량 제거하고, 열처리함으로써, 소재의 결정성이 좋아지며, 고온 조건에서 매우 낮은 유전손실율을 구현할 수 있다.
현재 상용화되어 있는 대부분의 유전체는 200 ℃ 이상에서 유전손실이 급격히 증가하는 경향이 있어 고온유전체로 활용되는 데에 어려움이 있다. 반면, 본 발명에 따른 고온 저유전손실 유전체는, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 매우 낮은 유전손실율을 구현할 수 있으며, 200 ℃ 이상의 고온에서 작동이 가능한 고온용 축전기를 필요로 하는 전기자동차에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체의 제조방법은, Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계; 상기 화합물에서 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계; 및 상기 Na의 함량이 의도적으로 낮은 화합물을 열처리 단계;를 포함한다.
Bi0.5Na0.5TiO3 소재의 Na 함량을 의도적으로 미량 제거하고, 열처리함으로써, 소재의 결정성이 좋아지며, 고온 조건에서 매우 낮은 유전손실율을 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계는, 모재 분말로서, Bi2O3, Na2CO3 및 TiO2를 건조하고, 화학양론비에 맞게 분말 평량하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계는, Na 함량을 낮추는 비에 맞게 분말을 평량하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 열처리 하는 단계는, 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도 조건으로 수행하는 것일 수 있다. 500 ℃ 미만의 온도 조건으로 상기 열처리 하는 단계를 수행할 경우 열처리 효과가 미미하여 유전 특성의 온도안정성이 좋아지지 않고, 900 ℃를 초과하는 온도 조건으로 상기 열처리 하는 단계를 수행할 경우 Bi 이온이 휘발되어 화학양론비가 달라질 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 열처리 하는 단계는, 24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 24 시간 미만으로 상기 열처리 하는 단계를 수행할 경우 열처리 효과가 미미하여 유전 특성의 온도안정성이 좋아지지 않고, 100 시간을 초과하여 상기 열처리 하는 단계를 수행할 경우 Bi 이온이 휘발되어 화학양론비가 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축전기는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체 또는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 저유전손실 유전체의 제조방법을 통해 제조된 고온 저유전손실 유전체를 포함한다.
일 측면에 따르면, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 작동되는 전자회로에 포함되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 전기자동차에 포함되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 고온 저유전손실 유전체는, 200 ℃ 이상의 온도 조건에서 매우 낮은 유전손실율을 구현할 수 있으며, 200 ℃ 이상의 고온에서 작동이 가능한 고온용 축전기를 필요로 하는 전기자동차에 적용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
Bi 1/2 Na 1/2-x TiO 3 [BNTa] (a=100x, x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05) 유전체 제조
모재 분말로서 Bi2O3, Na2CO3 및 TiO2 건조하였다. 이어서, 모재 분말을 Bi1/2Na1/2-xTiO3[BNTa] (a=100x, x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)의 화학양론비에 따라 각각, 평량하였다. 이어서, 에탄올, 지르코니아 볼과 함께 24 시간 1 차 밀링한 후 건조하였다. 건조된 분말을 850 ℃에서 2 시간 동안 하소하였다. 하소한 분말을 에탄올, 지르코니아 볼과 함께 24 시간 2차 밀링한 후 건조하였다. 바인더로서 PVA와 혼합한 후 분말을 직경 12 mm, 두께 1 mm 몰드에 넣어 70 MPa 압력 하에서 펠렛(pellet) 형태로 성형하였다. 이어서, 펠렛을 1150 ℃에서 2.5 시간 동안 소결하였다. 소결된 샘플을 700 ℃에서 24 시간 동안 열처리하였다.
이하에서는 상기 실시예에 따라 제조된 유전체의 Na의 제거량에 따라 BNT0(비교예), BNT1, BNT2, BNT3, BNT4 및 BNT5로 표기한다. 또한, 24 시간 동안 열처리 한 실시예는 BNT0-24h, BNT1-24h, BNT2-24h, BNT3-24h, BNT4-24h 및 BNT5-24h로 표기한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 유전체의 온도에 따른 유전손실율을 나타낸 그래프이다.
더욱 자세하게, Na를 제거하지 않은 BNT0과 Na를 4 % 제거한 BNT4 및 Na를 제거한 후 24 시간 동안 열처리를 수행한 BNT4-24h를 비교한 그래프이다.
도 1을 참조하면, Na를 일부 제거함으로써, 온도안정성이 좋아지고, 이를 열처리함으로써, 온도안정성이 좋아지는 것과 동시에 고온부의 유전손실율이 확연하게 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 유전체의 결정성을 나타낸 XRD 데이터이다.
도 2를 참조하면, Na를 일부 제거하고, 열처리를 수행함으로써, 재료의 결정성 또한 좋아지는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. Ba0.5Na0.5TiO3로 표현되는 화합물을 주성분으로 하고,
    상기 화합물에 포함되는 화학양론비의 Na보다 1 at.% 내지 5 at.% 미달의 Na가 포함되어 있는,
    고온 저유전손실 유전체.
  2. 제1항에 있어서,
    200 ℃ 이상의 온도 조건에서 tanδ가 0.01 내지 0.02 미만의 유전손실율을 가지는 것인,
    고온 저유전손실 유전체.
  3. Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계;
    상기 화합물에서 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계; 및
    상기 Na의 함량이 의도적으로 낮은 화합물을 열처리 하는 단계;를 포함하는,
    고온 저유전손실 유전체의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Ba0.5Na0.5TiO3로 나타내지는 화합물을 준비하는 단계는,
    모재 분말로서, Bi2O3, Na2CO3 및 TiO2를 건조하고, 화학양론비에 맞게 분말 평량하는 단계를 포함하는 것인,
    고온 저유전손실 유전체의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 Na의 함량을 의도적으로 낮추는 단계는,
    Na 함량을 낮추는 비에 맞게 분말을 평량하는 단계를 포함하는 것인,
    고온 저유전손실 유전체의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 열처리 하는 단계는,
    500 ℃ 내지 900 ℃의 온도 조건으로 수행하는 것인,
    고온 저유전손실 유전체의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 열처리 하는 단계는,
    24 시간 내지 100 시간 동안 수행하는 것인,
    고온 저유전손실 유전체의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항의 고온 저유전손실 유전체 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 고온 저유전손실 유전체의 제조방법을 통해 제조된 고온 저유전손실 유전체를 포함하는,
    축전기.
  9. 제8항에 있어서,
    200 ℃ 이상의 온도 조건에서 작동되는 전자회로에 포함되는 것인,
    축전기.
  10. 제8항에 있어서,
    전기자동차에 포함되는 것인,
    축전기.
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