KR20220059823A

KR20220059823A - 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 커패시터

Info

Publication number: KR20220059823A
Application number: KR1020200145461A
Authority: KR
Inventors: 박정윤
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-05-10
Also published as: CN114446648A; US20220139623A1

Abstract

본 발명은, 티탄산바륨(BaTiO₃); 및 상기 티탄산바륨(BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰; 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰; 을 포함하는 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 커패시터를 제공한다.

Description

유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 커패시터{DIELECTRIC COMPOSITION AND MULTILAYERED CAPACITOR COMPRISING THE SAME}

본 발명은 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 커패시터에 관한 것이다.

적층형 커패시터는 유전체 재료를 사용하는 전자 부품으로, 최근에는 적용되는 전자 제품의 추세에 따라 소형화 및 고집적화가 요구되고 있다.

적층형 커패시터의 소형화 및 고집적화를 위해서는 적층형 커패시터를 구성하는 유전체층과 내부 전극의 박층화가 필요하다.

그러나, 유전체층을 박층화하면 동일 전압 인가 조건에서 유전체층에 걸리는 전계의 세기가 높아지기 때문에, 적층형 커패시터의 내전압이 저하되고 신뢰성이 열화되며 DC-바이어스(bias) 특성이 악화되는 문제가 발생할 수 있다.

일본등록특허 제51882531호 국내등록특허 제10-1932416호

본 발명의 목적은, 유전체층의 두께를 얇게 하더라도, 내전압 저하, 신뢰성 열화 및 DC-바이어스 특성 저하를 최소화할 수 있는 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 커패시터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 티탄산바륨(BaTiO₃); 및 상기 티탄산바륨(BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰; 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰; 을 포함하는 유전체 조성물을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 유전체 조성물은, 디스프로슘(Dy) 및 테르븀(Tb)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 유전체층과, 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 내부 전극과 접속하도록 배치되는 외부 전극; 을 포함하고, 상기 유전체층은, 티탄산바륨(BaTiO₃), 상기 티탄산바륨 (BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰을 포함하는 복수의 유전체 그레인을 포함하는 적층형 커패시터를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 유전체층의 평균 두께가 0.4㎛ 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 유전체 그레인은 각각 150nm 이하의 사이즈를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 유전체층은 유전체층이 적층되는 방향으로 4층 이상의 유전체 그레인이 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 바디는 서로 대향하는 제1 및 제2 면과, 상기 제1 및 제2 면과 연결되고 서로 대향하는 제3 및 제4 면과, 상기 제1 및 제2 면과 연결되고 상기 제3 및 제4 면과 연결되고 서로 대향하는 제5 및 제6 면을 포함하고, 상기 내부 전극은 상기 바디의 제3 및 제4 면으로 각각 노출되는 제1 및 제2 내부 전극을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 외부 전극은, 상기 바디의 제3 및 제4 면에 각각 배치되는 한 쌍의 접속부; 및 상기 한 쌍의 접속부에서 상기 바디의 제1 면까지 각각 연장되는 한 쌍의 밴드부; 를 각각 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 바디는, 상기 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 액티브 영역; 및 상기 액티브 영역의 상하에 각각 배치되는 상부 및 하부 커버; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 균일 비입성장계를 구현하여, 유전체층의 두께를 얇게 하더라도, 적층형 커패시터의 내전압 저하, 신뢰성 열화 및 DC-바이어스 특성 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 바디의 유전체층과 내부 전극의 구조를 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 유전체층이 BT 100몰 대비 1.0몰의 Mg를 포함하는 적층형 커패시터의 저항이 시간에 따라 변화하는 정도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 유전체층이 BT 100몰 대비 2.5몰의 Mg를 포함하는 적층형 커패시터의 저항이 시간에 따라 변화하는 정도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 유전체층이 Ca를 포함하지 않는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이다.
도 7은 유전체층이 BT 100몰 대비 0.3몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이다.
도 8은 유전체층이 BT 100몰 대비 0.6몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이다.
도 9는 유전체층이 BT 100몰 대비 0.9몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이다.
도 10은 유전체층이 BT 100몰 대비 1.2몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 6 내지 도 10에 따라 적층형 커패시터의 그레인 사이즈가 변화하는 정도를 비교하여 각각 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 다음과 같이 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시 예는 당해 기술 분야에서 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.

또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 유전체 조성물에 관한 것으로, 이하 본 발명의 실시 예에 따른 유전체 조성물을 포함하는 적층형 커패시터에 관하여도 함께 설명하기로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위해 적층형 커패시터의 방향을 정의하면, 도면에 표시된 X, Y 및 Z는 각각 바디(110)의 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향을 나타낸다.

또한, 본 실시 예에서, Z방향은 유전체층(111)이 적층되는 적층 방향과 동일한 개념으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층형 커패시터를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'선 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 바디의 유전체층과 내부 전극의 구조를 나타낸 분해사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 적층형 커패시터(100)는 복수의 유전체층(111)과 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110)와 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)을 포함한다.

바디(110)는 복수의 유전체층(111)을 Z방향으로 적층한 다음 소성한 것으로서, 바디(110)의 서로 인접하는 유전체층(111) 사이의 경계는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 이용하지 않고 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.

이때, 바디(110)는 특별히 제한되는 형상이 없지만, 대체로 직방체 형상일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 바디(110)의 형상, 치수 및 유전체층(111)의 적층 수가 본 실시 예의 도면에 도시된 것으로 한정되는 것은 아니다.

본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해, 바디(110)의 Z방향으로 서로 대향하는 양면을 제1 및 제2 면(1, 2)으로, 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 X방향으로 서로 대향하는 양면을 제3 및 제4 면(3, 4)으로, 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제3 및 제4 면(3, 4)과 연결되고 Y방향으로 서로 대향하는 양면을 제5 및 제6 면(5, 6)으로 정의한다.

본 실시 예에서, 적층형 커패시터(100)의 실장 면은 바디(110)의 제1 면(1)일 수 있다.

이러한 바디(110)에 포함되는 유전체층(111)은 유전체 조성물을 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 유전체층(111)의 평균 두께는 0.4㎛ 이하일 수 있다.

그리고, 유전체층(111)에 포함되는 유전체 그레인은 각각 150nm 이하의 사이즈를 가질 수 있다.

이렇게 유전체 그레인의 사이즈가 작아짐으로써, 유전체층(111)은 두께가 0.4㎛ 이하로 얇게 형성됨에도 불구하고 적층 방향인 Z 방향으로 세었을 때 적어도 유전체 그레인이 4층 이상 배치되도록 구성될 수 있다.

또한, 바디(110)는 커패시터의 용량 형성에 기여하는 부분으로서의 액티브 영역(115)과, 상하 마진부로서 Z방향으로 액티브 영역(115)의 상하부에 각각 형성되는 상부 및 하부 커버(112, 113)를 포함할 수 있다.

상부 및 하부 커버(112, 113)는 내부 전극을 포함하지 않는 것을 제외하고는 액티브 영역(115)의 유전체층(111)과 동일한 재질 및 구성을 가질 수 있다.

이때, 상부 및 하부 커버(112, 113)는 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 액티브 영역(115)의 상하 면에 각각 Z방향으로 적층하여 형성할 수 있다.

상부 및 하부 커버(112, 113)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 서로 다른 극성을 인가 받는 전극으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 Z방향을 따라 번갈아 배치되고, 일단이 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)을 통해 각각 노출될 수 있다.

이때, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 중간에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 절연될 수 있다.

또한, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)을 통해 번갈아 노출되는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 단부는 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 배치되는 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)과 각각 접속되어 전기적으로 연결될 수 있다.

위와 같은 구성에 따라, 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)에 소정의 전압을 인가하면 제1 및 제2 내부 전극(121, 122) 사이에 전하가 축적된다.

이때, 적층형 커패시터(100)의 정전 용량은 액티브 영역(115)에서 Z방향을 따라 서로 중첩되는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 서로 오버랩 되는 면적과 비례하게 된다.

제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 서로 다른 극성의 전압이 제공되는 것으로서, 바디(110)의 X방향의 양 단부에 각각 배치되고, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)을 통해 노출되는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 단부와 접속되어 전기적으로 연결되어 커패시터 회로를 구성할 수 있다.

제1 외부 전극(131)은 제1 접속부(131a)와 제1 밴드부(131b)를 포함할 수 있다.

제1 접속부(131a)는 바디(110)의 제3 면(3)에 형성되어 제1 내부 전극(121)의 노출되는 부분과 접속되는 부분이고, 제1 밴드부(131b)는 제1 접속부(131a)에서 실장 면인 바디(110)의 제1 면(1)의 일부까지 연장되는 부분이다.

이때, 제1 밴드부(131b)는 고착 강도 향상 등을 위해 바디(110)의 제5 및 제6 면(5, 6)의 일부 및 제2 면(2)의 일부까지 더 연장될 수 있다.

제2 외부 전극(132)은 제2 접속부(132a)와 제2 밴드부(132b)를 포함할 수 있다.

제2 접속부(132a)는 바디(110)의 제4 면(4)에 형성되어 제2 내부 전극(122)의 노출되는 부분과 접속되는 부분이고, 제2 밴드부(132b)는 제2 접속부(132a)에서 실장 면인 바디(110)의 제1 면(1)의 일부까지 연장되는 부분이다.

이때, 제2 밴드부(132b)는 고착 강도 향상 등을 위해 커패시터 바디(110)의 제5 및 제6 면(5, 6)의 일부 및 제2 면(2)의 일부까지 더 연장될 수 있다.

또한, 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 필요 시 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 형성되는 도전층과 상기 도전층 상에 형성되는 도금층을 포함할 수 있다.

이때, 상기 도금층은 도전층 상에 형성되는 니켈(Ni) 도금층과 상기 니켈(Ni) 도금층 상에 형성되는 주석(Sn) 도금층을 포함할 수 있다

한편, 본 실시 예에서, 바디(110)에 포함되는 유전체층(111)은 내환원성 유전체 조성물을 함유할 수 있으며, 상기 유전체 조성물은 다양한 산화물 및 탄산염 첨가제를 더 함유할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 조성물에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

본 실시 예에 따른 유전체 조성물은 유전체의 주성분으로, 티탄산바륨(BT, BaTiO₃)를 포함할 수 있다.

또한, 본 실시 예의 유전체 조성물은, 티탄산바륨 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰을 포함할 수 있다.

상기 Ca는 유전체층의 그레인 사이즈와 그레인 사이즈 산포를 감소시키는 역할을 할 수 있다.

이때, Ca의 함량이 BT 100몰에 대하여 0.6몰 미만인 경우 유전체층 내부에 포어가 증가되는 문제가 발생할 수 있다.

그리고, Ca의 함량이 BT 100몰에 대하여 0.9몰을 초과하면 그레인 사이즈가 다시 커지게 되고 그레인 사이즈의 산포 또한 증가할 수 있다.

상기 Mg는 억셉터로서 유전체층의 치밀화를 촉진하고 그레인 바운더리에 편석되어 입계의 이동을 억제하여 그레인의 입성장을 억제하는 작용을 할 수 있다.

유전체 그레인의 입성장이 균일하게 제어되면, 적층형 커패시터의 내전압 및 신뢰성이 개선될 수 있을 뿐만 아니라 DC-bias 특성 역시 개선될 수 있다.

이때, 상기 Mg의 함량이 BT 100몰에 대하여 0.5몰 미만인 경우 입성장 억제 효과가 미비할 수 있다.

또한, 아래 반응식 1에서 볼 수 있듯이, 상기 Mg는 Ti 자리에 고용될 때 억셉터로 작용하기 때문에 유전체 조성물 내에서 함량이 높아지면 상대적으로 유전체 조성물의 유전율이 저하될 수 있다. 이에 Mg의 상한 값은 BT 100몰에 대하여 2.0몰 이하로 한다.

<반응식 1>

도 4는 유전체 조성물에 포함되는 Mg가 티탄산바륨 100몰에 대하여 1.0몰인 경우의 시간에 변화에 따른 적층형 커패시터의 저항을 나타낸 그래프이고, 도 5는 유전체 조성물에 포함되는 Mg가 티탄산바륨 100몰에 대하여 2.5몰인 경우의 시간의 변화에 따른 적층형 커패시터의 저항을 나타낸 그레프이다..

이때, 저항은 S-IR(스텝아이알) 장비를 이용하여 측정한다. 적층형 커패시터 하나를 양 쪽 외부 전극에 스프링으로 된 지그에 물리게 한 뒤 가혹 조건 하에서의 각 칩의 저항을 지속적으로 측정한다.

이때, 온도는 130℃로 유지하고 유전체 두께 당 5V씩 전압을 인가하여 5V/um, 10V/um, 15V/um 등으로 전압을 높여가면서 저항을 측정한다. 이때, 각 전압 별 유지 시간은 300초로 한다.

도 4에서 볼 수 있듯이, Mg가 적정 함량인 경우 적층형 커패시터의 절연 저항(IR)의 열화를 줄일 수 있지만, 도 5에서 볼 수 있듯이, Mg가 과량으로 포함되면 절연 저항의 열화 방지가 제대로 되지 못한다.

절연 저항의 열화는 내전압 저하의 원인이 되므로, 본 실시 예에서는, Mg를 0.5 내지 2.0몰의 범위로 포함하여 절연 저항의 열화를 방지할 수 있고, 이에 적층형 커패시터의 내전압 저하를 방지할 수 있다.

그리고, 본 실시 예의 유전체 조성물은, 디스프로슘(Dy) 및 테르븀(Tb)를 더 포함할 수 있다.상기 Dy와 Tb는 희토류 원소(Rare earth element)로서, 산화물 또는 탄산염 형태로 포함될 수 있으며, 이때 산화물 또는 탄산염의 형태가 특별히 제한되는 것은 아니다.

이러한 Dy와 Tb는 BT의 격자 내에 고용되어 도너(donor)로 작용함으로써, 적층형 커패시터의 신뢰성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.

또한, 상기 Dy와 Tb는 +3가 이상의 원자가를 가지며, 유전체 조성물에 Al 또는 Mg 등의 억셉터(acceptor) 원소가 첨가됨으로써 발생하는 산소 빈자리의 생성을 억제하거나 또는 그 농도를 낮춰주는 역할을 할 수 있다.

산소 빈자리 결함의 분극이 발생하면 (-) 쪽 영역에 산소 빈자리 결함 농도가 증가하고, 상기 산소 빈자리 결합 농도가 일정 수준을 초과하면 n형 반도체 영역이 생성될 수 있고, 이러한 n형 반도체 영역의 증가에 의해 IR(절연 저항)이 열화될 수 있다.

본 실시 예에서는, Dy와 Tb가 산소 빈자리의 생성을 억제하거나 그 농도를 낮춰서 유전체층의 IR 열화를 억제시킬 수 있고, 이에 적층형 커패시터의 신뢰성을 개선할 수 있다.

이때, 상기 Dy는 유전체 조성물 100몰에 대하여 0.8 내지 2.0몰일 수 있고, 상기 Tb는 유전체 조성물 100몰에 대하여 0.001 내지 0.2몰일 수 있다.

상기 Dy의 함량이 유전체 조성물 100몰에 대하여 2.0몰을 초과하거나, 상기 Tb의 함량이 유전체 조성물 100몰에 대하여 0.2몰을 초과하면, 유전체가 n-타입 반도체화 되어 유전체로서의 저항 구현이 불가능해질 수 있다.

적층형 커패시터에서 유전체층의 두께를 얇게 할수록, 동일 인가 전압 하에서 유전체층에 걸리는 전계 세기가 높아져 DC-바이어스(bias) 특성이 악화될 수 있다.

이에 유효한 DC-바이어스를 구현하기 위해서는, 유전체층을 구성하는 그레인의 사이즈를 작게 할 필요가 있고, 이와 동시에 그레인 사이즈의 균일성이 높아야 번트(bunrt)에 의한 신뢰성 불량이 발생하지 않는다. 즉, 유전체층이 균일 비입성장계를 구현하도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 균일 비입성장계를 구현하기 위해 유전체의 Ti 대비 Ba의 비율을 높이는 방법이 있다.

일반적으로 BaTiO₃ 모재 내에서 Ba와 Ti의 몰비는 유전 특성에 많은 영향을 미친다.

Ti의 함량이 높은 경우, 입계에서의 액상 형성이 비교적 높은 온도에서 이루어지기 때문에 비정상 입성장이 이루어진다.

반면에, Ba의 함량이 높으면, 비정상 입성장을 최소화시키면서 균일 입성장을 유도할 수 있지만, 치밀도가 저하되면서 내습 신뢰성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 유전체층이 티탄산바륨(BaTiO₃)과, 티탄산바륨 (BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2몰을 포함하는 유전체 그레인으로 이루어져, 소성시 액상의 젖음성(wetting)을 개선하고, 유전체층이 균일 비입성장계를 구현할 수 있다.

이에 유전체층의 평균 두께를 0.4㎛ 이하로 작게 하더라도, 외부 환경의 변화에 따른 바디의 유전율의 변화를 최소화하여 내전압 및 DC-바이어스 특성의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 실시 예에 따르면, 균일 비입성장계를 구현하면서도 치밀도가 저하되지 않기 때문에 내습 신뢰성 불량 등의 문제를 개선할 수 있다.

본 실시 예에서는, 유전체 조성물에 Ca가 BaTiO₃ 100몰에 대하여 0.6 내지 0.9몰 포함된다.

이때 Ca는 BaTiO₃ 내의 Ba와 등가 원소로서 A site 치환이 용이하므로, 격자 내 고용이 되었다고 가정할 때 Ba의 함량이 높은 경우에서 발생하는 치밀도의 저하를 방지하면서 균일 입성장을 유도할 수 있게 된다.

또한, 설령 A site 치환이 안되었더라도 액상 젖음성 개선에 참여하는 원소로 치밀도 향상에 도움을 줄 수 있다.

그리고, 이렇게 균일 비입성장계가 구현되면서 적층형 커패시터의 내전압 저하, 신뢰성 열화 등의 부효과를 억제할 수 있게 된다.

BaTiO3와 같은 강유전체 물질의 유전특 성 구현에 도메인((domain)과 디폴(dipole)이란 개념이 사용된다. 기본적으로 분극을 가지고 있는 dipole과 그 dipole들이 일정 영역을 이루며 있는 데 그 영역을 domain 이라고 한다.

그레인의 입성장이 억제 될 경우, 그레인 내 domain은 작은 크기로 형성되고, domain 내 dipole들이 DC 전계에 구속되어 한 방향으로 정렬되며, 정렬된 상태에서의 크기가 작은 domain 내 dipole들은 조대 그레인(coarse grain) 내에 형성되는 큰 크기의 것들 보다 AC 필드에 의한 분역 회전(domain switching)이 비교적 용이할 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 위와 같은 작용에 의해 유전체층의 그레인 사이즈를 감소시킬 수 있고, 이에 내전압 저하, 신뢰성 열화 문제를 더욱 개선할 수 있으며, DC-바이어스에 의한 유효 용량 변화율을 감소시킬 수 있다.

이때, 유전체층(111)의 유전체 그레인은 각각 150nm 이하의 사이즈를 가질 수 있다.

또한, 이렇게 유전체 그레인의 사이즈가 작아지면, 적층 방향인 Z방향으로 세었을 때 적어도 하나의 유전체층 내에 유전체 그레인이 4층 이상을 구성하도록 배치될 수 있다.

이하, 본 발명은 실시 예 및 비교 예를 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실험에 사용된 적층형 커패시터의 제조 공정은 다음과 같다.

먼저 유전체 조성물의 모재는 평균 입자 크기가 80nm 급인 BT를 사용한다.

그리고, #1은 바디의 유전체층에 Ca가 포함되지 않은 경우이고, #2는 바디의 유전체층에 Ca가 모재 100몰에 대하여 0.3몰 포함되는 경우이고, #3은 바디의 유전체층에 Ca가 모재 100몰에 대하여 0.6몰 포함되는 경우이고, #4는 바디의 유전체층에 Ca가 모재 100몰에 대하여 0.9몰 포함되는 경우이고, #5는 바디의 유전체층에 Ca가 모재 100몰에 대하여 1.2몰 포함되는 경우이다.

또한, 본 실험에서 #1 내지 #5는 모재와 Ca를 마련한 후, 지르코니아 볼을 혼합 및 분산 메디아로 사용하고 에탄올 및 톨루엔을 용매로 하여 분산제와 혼합한 후 약 20시간　동안 볼 밀링(milling)하고, 이후 유전체 시트(Sheet)의 강도 구현을 위해 바인더를 혼합하여 슬러리를 제작한다.

다음으로, 이렇게 제조된 슬러리는 소형 닥터 블레이드(doctor blade) 방식의 코터(coater)를 이용하여 0.7㎛ 또는 그 이하 두께의 시트로 성형하여 제조한다.

다음으로, 성형된 시트에 내부 전극을 인쇄한 후, 상하 커버로 시트를 각각 적층하여 적층체를 만들고 압착 공정을 거쳐 바아(Bar)를 제작한다.

그리고, 상기 바아를 절단기를 이용하여 X방향의 길이와 Y방향의 폭이 각각 0.6mmХ0.3mm 크기의 칩으로 절단한다.

다음으로, 상기 칩을 탈 바인더를 위해 400℃ 에어 분위기에서 가소한 후, 약 1,200℃ 이하 수소(H₂) 농도 0.1% 이하 조건에서 소성하고, 수소 농도 0.03%에서 재산화를 진행한다.

이후, 도전성 페이스트로 터미네이션 공정 및 전극 소성을 행하여 적층형 커패시터를 완성한다.

그리고, 각각의 시료 별로 아래 도 6 내지 도 10에서와 같이 적층형 커패시터의 유전체층의 치밀도를 측정한다.

도 6은 유전체층이 Ca를 포함하지 않는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이고, 도 7은 유전체층이 BT 100몰 대비 0.3몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이고, 도 8은 유전체층이 BT 100몰 대비 0.6몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이고, 도 9는 유전체층이 BT 100몰 대비 0.9몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이고, 도 10은 유전체층이 BT 100몰 대비 1.2몰의 Ca를 포함하는 적층형 커패시터의 바디를 나타낸 단면도이고, 도 11은 도 6 내지 도 10에 따라 적층형 커패시터의 그레인 사이즈가 변화하는 정도를 비교하여 각각 나타낸 그래프이다.

도 6 내지 도 11을 참조하면, Ca의 함량이 0.6몰인 #3과 0.9몰인 #4의 경우, 그레인들이 균일 입성장하여 평균 그레인 사이즈가 각각 127nm 및 124nm로 작고 그레인 사이즈의 산포도 감소하여 유전체층의 치밀도가 높은 것을 알 수 있다. 또한, #3과 #4의 경우, 유전체층 내에서 확인된 포어(pore)의 수가 많지 않았다.

반면에, Ca가 포함되지 않는 #1의 경우, 그레인의 비정상 입성장이 이루어져 평균 그레인 사이즈가 220nm로 크고 그레인 사이즈의 산포도 큰 것을 알 수 있다.

Ca의 함량이 0.9몰을 초과하는 #5의 경우, 그레인의 균일 입성장이 제대로 되지 않아 평균 그레인 사이즈가 186nm로 #3 및 #4에 비해 커지고, 그레인 사이즈의 산포도 #3 및 #4 대비 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

또한, Ca의 함량이 0.3몰인 #2의 경우, 그레인 사이즈 산포가 작고 평균 그레인 사이즈도 141nm로 #1 대비 작게 나타났지만 유전체층 내에서 포어(pore)가 다량 확인되었고, 이는 적층형 커패시터의 바디를 구성하는데 적합한 미세 구조로 보기 어렵다.

따라서, 유전체층의 치밀도가 우수하고 적층형 커패시터의 바디를 구성하는데 적합한 미세 구조를 가지는 Ca의 함량은 티탄산바륨 100몰에 대하여 0.6 내지 0.9몰인 것을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 예 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.

100: 적층형 커패시터
110: 바디
111: 유전체층
112, 113: 커버
115: 액티브 영역
121, 122: 제1 및 제2 내부 전극
131, 132: 제1 및 제2 외부 전극
131a, 132a: 제1 및 제2 접속부
131b, 132b: 제1 및 제2 밴드부

Claims

티탄산바륨(BaTiO₃); 및
상기 티탄산바륨(BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰; 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰; 을 포함하는 유전체 조성물.
제1항에 있어서,
디스프로슘(Dy) 및 테르븀(Tb)를 더 포함하는 유전체 조성물
유전체층과, 내부 전극을 포함하는 바디; 및
상기 바디에 내부 전극과 접속하도록 배치되는 외부 전극; 을 포함하고,
상기 유전체층은, 티탄산바륨(BaTiO₃), 상기 티탄산바륨 (BaTiO₃) 100몰(mol)에 대하여, 칼슘(Ca) 0.6 내지 0.9몰 및 마그네슘(Mg) 0.5 내지 2.0몰을 포함하는 복수의 유전체 그레인을 포함하는 적층형 커패시터.
제3항에 있어서,
상기 유전체 그레인이 디스프로슘(Dy) 및 테르븀(Tb)를 더 포함하는 적층형 커패시터
제3항에 있어서,
상기 유전체층의 평균 두께가 0.4㎛ 이하인 적층형 커패시터.
제3항에 있어서,
상기 유전체 그레인이 각각 150nm 이하의 사이즈를 가지는 적층형 커패시터.
제3항에 있어서,
상기 유전체층은 유전체층이 적층되는 방향으로 4층 이상의 유전체 그레인이 배치되는 적층형 커패시터.
제3항에 있어서,
상기 바디는 서로 대향하는 제1 및 제2 면과, 상기 제1 및 제2 면과 연결되고 서로 대향하는 제3 및 제4 면과, 상기 제1 및 제2 면과 연결되고 상기 제3 및 제4 면과 연결되고 서로 대향하는 제5 및 제6 면을 포함하고,
상기 내부 전극이 상기 바디의 제3 및 제4 면으로 각각 노출되는 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 적층형 커패시터.
제8항에 있어서,
상기 외부 전극은,
상기 바디의 제3 및 제4 면에 각각 배치되는 한 쌍의 접속부; 및
상기 한 쌍의 접속부에서 상기 바디의 제1 면까지 각각 연장되는 한 쌍의 밴드부; 를 각각 포함하는 적층형 커패시터.
제8항에 있어서,
상기 바디는,
상기 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 액티브 영역; 및
상기 액티브 영역의 상하에 각각 배치되는 상부 및 하부 커버; 를 포함하는 적층형 커패시터.