KR20220067953A - 적층형 전자 부품 - Google Patents

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KR20220067953A
KR20220067953A KR1020200154771A KR20200154771A KR20220067953A KR 20220067953 A KR20220067953 A KR 20220067953A KR 1020200154771 A KR1020200154771 A KR 1020200154771A KR 20200154771 A KR20200154771 A KR 20200154771A KR 20220067953 A KR20220067953 A KR 20220067953A
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internal electrode
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조민정
오유홍
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품은, 유전체층 및 상기 유전체층을 사이에 두고 번갈아 적층되는 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되어 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극; 을 포함하고, 상기 내부 전극은 Ni을 포함하며, 상기 내부 전극에 포함되는 Ni의 격자 상수(Lattice Constant)가 3.53Å ~ 3.72Å의 범위를 만족할 수 있다.

Description

적층형 전자 부품{MULTILAYERED ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 적층형 전자 부품에 관한 것이다.
적층형 전자 부품 중 하나인 적층형 세라믹 커패시터(MLCC: Multi-Layered Ceramic Capacitor)는 액정 표시 장치(LCD: Liquid Crystal Display) 및 플라즈마 표시 장치 패널(PDP: Plasma Display Panel) 등의 영상 기기, 컴퓨터, 스마트폰 및 휴대폰 등 여러 전자 제품의 인쇄회로기판에 장착되어 전기를 충전시키거나 또는 방전시키는 역할을 하는 칩 형태의 콘덴서이다.
이러한 적층형 세라믹 커패시터는 소형이면서 고용량이 보장되고 실장이 용이하다는 장점으로 인하여 다양한 전자 장치의 부품으로 사용될 수 있다. 최근 전자 장치의 부품이 소형화됨에 따라, 적층형 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화에 대한 요구가 증가되고 있다.
적층형 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화를 위해서는 내부 전극 및 유전체층의 두께를 얇게 형성할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, Ni을 주재료로 하는 내부 전극과 BaTiO3 등의 성분을 주재료로 하는 유전체층의 경우, 각각의 물질을 형성하는 원자들의 격자 상수(Lattice Constant)에 차이가 발생한다. 이 경우, 내부 전극과 유전체층이 적층되는 계면에서 원자의 배열이 전위(dislocation)되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 내부 전극과 유전체층 간의 원자 배열 전위에 따른 미스매치(mismatch)는, 계면의 응력을 상승시키고 전극의 뭉침을 가속화시키는 문제점을 갖는다.
이에 따라, 적층형 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화에 대한 기술적 요구와 함께, 내부 전극과 유전체층의 계면에서 발생하는 원자 배열의 전위 현상을 저감하는 기술이 요구된다.
일본공개특허공보 JP 2015-023209 A
본 발명의 목적 중 하나는, 내부 전극의 주재료인 Ni의 격자 상수를 증가시켜, 내부 전극과 유전체층 간의 원자 배열의 전위(dislocation) 현상을 저감하는 적층형 전자 부품을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품은, 유전체층 및 상기 유전체층을 사이에 두고 번갈아 적층되는 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되어 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극; 을 포함하고, 상기 내부 전극은 Ni을 포함하며, 상기 내부 전극에 포함되는 Ni의 격자 상수(Lattice Constant)가 3.53Å ~ 3.72Å의 범위를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 전극과 유전체층을 형성하는 원자 간의 격자 상수의 차이가 감소되어, 그 계면에서 발생하는 원자 배열의 전위 현상이 저감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 전극의 연결성 및 BDV(Breaking Down Voltage)가 향상되고, 평균 고장시간(MTTF)이 연장되어 향상된 고온 신뢰성을 나타내는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 I-I'선 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체층 및 내부 전극이 적층된 바디를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 도 2의 'P1'영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ni에 Cu 및 Sn이 각각 첨가되어, 격자 상수가 증가된 특성을 보여주는 XRD(X-Ray Diffraction) 측정 결과의 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 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, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 도면에서 본 발명을 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. 나아가, 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.
본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위해 방향을 정의하면, 도면에 표시된 X, Y 및 Z는 각각 적층형 전자 부품의 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향을 나타낸다.
또한 본 명세서에서, 길이 방향은 X방향 또는 제1 방향, 폭 방향은 Y방향 또는 제2 방향, 두께 방향은 Z방향, 제3 방향 또는 적층 방향과 각각 동일한 개념으로 사용될 수 있다.
적층형 전자 부품
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 I-I'선 단면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체층 및 내부 전극이 적층된 바디를 분해하여 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
먼저 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품(100)은, 유전체층(111) 및 유전체층(111)을 사이에 두고 번갈아 배치되는 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110)와, 바디(110)에 배치되어 내부 전극(121, 122)과 연결되는 외부 전극(131, 132)을 포함한다.
여기서, 내부 전극(121, 122)은 Ni을 포함하며, 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Ni의 격자 상수(Lattice constant)는 3.53Å ~ 3.72Å의 범위를 만족할 수 있다.
바디(110)는 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)이 교대로 적층되어 형성된다.
바디(110)의 구체적인 형상에 특별히 제한은 없지만, 도시된 바와 같이 육면체 형상이나 이와 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 소성 과정에서 바디(110)에 포함된 세라믹 분말의 수축으로 인하여, 바디(110)는 완전한 직육면체 형상은 아니지만 실질적으로 육면체 형상을 가질 수 있다.
바디(110)는 두께 방향(Z방향)으로 서로 대향하는 제1 및 제2 면(1, 2), 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 폭 방향(Y방향)으로 서로 대향하는 제3 및 제4 면(3, 4), 제1 내지 제4 면(1, 2, 3, 4)과 연결되고 길이 방향(X방향)으로 서로 대향하는 제5 및 제6 면(5, 6)을 가질 수 있다.
바디(110)를 형성하는 복수의 유전체층(111)은 소성된 상태로서, 인접하는 유전체층(111) 사이의 경계는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 이용하지 않고서는 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체층(111)은 다양한 재료로 형성될 수 있으나, 예를 들어 BaTiO3을 포함할 수 있고, 특히 BaTiO3을 주성분으로 할 수 있다.
이때 본 실시예에 따르면, BaTiO3을 주성분으로 하는 유전체층(111)과 Ni을 주성분으로 하는 내부 전극(121, 122) 간의 격자 상수의 차이를 줄임으로써, 유전체층(111)과 내부 전극(121, 122) 사이의 계면에서 원자 간 전위(dislocation)가 발생하는 것을 억제할 수 있도록 한다.
BaTiO3을 주성분으로 포함하는 유전체층의 경우, BaTiO3에 의해 약 3.999Å의 격자 상수를 갖는다. 한편, Ni을 주성분으로 포함하는 내부 전극의 경우, Ni 원자들 간에 3.52Å의 격자 상수를 갖는다. 이때, 유전체층과 내부 전극 간의 격자 상수의 차이를 계산하면, 약 0.479Å에 해당하는 값이 산출된다.
이와 같이 Ni을 주성분으로 포함하는 내부 전극의 Ni 원자들과 유전체층을 이루는 BaTiO3의 격자 상수의 차이에 의하여, 유전체층 및 내부 전극이 적층되는 각각의 계면에는 원자들의 정렬이 맞지 않는 전위 현상(즉, 원자 간 mismatch)이 발생할 수 있다.
이러한 전위 현상은, 유전체층과 내부 전극의 계면 응력을 상승시킬 수 있으며, 내부 전극의 뭉침을 가속화시킬 수 있다. 그리고 이에 따라, 내부 전극의 전극 연결성이 저하되고, 적층형 전자 부품의 BDV(Breaking Down Voltage, 파괴전압) 및 고온 신뢰성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품(100)은, 내부 전극(121, 122)에 Ni보다 원자 크기가 큰 성분을 첨가하여 Ni 주성분의 내부 전극(121, 122)을 형성함으로써, Ni 원자로만 형성된 내부 전극에 비하여 격자 상수가 증가되도록 할 수 있다.
그리고 이에 따라, 내부 전극(121, 122)의 Ni의 격자 상수와 유전체층(111)을 형성하는 원자들의 격자 상수 간 차이가 감소되어, 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122) 사이의 계면에서 발생하는 전위 현상이 보다 저감될 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 내부 전극(121, 122)은, 유전체층(111)에 포함된 BaTiO3와 내부 전극(121, 122)에 포함된 Ni의 격자 상수의 차이가 0.469Å 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 내부 전극(121, 122)에 첨가되는 성분의 종류 및 질량비를 조절함으로써, 종래의 Ni 원자만으로 이루어진 격자 상수보다 0.01Å 이상 큰 격자 상수를 갖도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따라 내부 전극(121, 122)에 첨가되는 성분 및 질량비에 관한 구체적인 내용은, 이후 실험 예의 측정값들을 이용하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
한편, 유전체층(111)의 원료가 전술한 BaTiO3에 제한되는 것은 아니며, 충분한 정전 용량을 얻을 수 있는 한 다양한 원료를 사용하여 유전체층(111)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 티탄산바륨계 재료, 납 복합 페로브스카이트계 재료 또는 티탄산스트론튬계 재료 등을 사용할 수 있다. 상기 티탄산바륨계 재료는 BaTiO3계 세라믹 분말을 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 분말의 예시로, BaTiO3에 Ca(칼슘), Zr(지르코늄) 등이 일부 고용된 (Ba1-xCax)TiO3, Ba(Ti1-yCay)O3, (Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3 또는 Ba(Ti1-yZry)O3 등을 들 수 있다.
또한, 유전체층(111)을 형성하는 재료는, 티탄산바륨(BaTiO3) 등의 파우더에 다양한 세라믹 첨가제, 유기용제, 가소제, 결합제, 분산제 등이 첨가된 것일 수 있다.
바디(110)는 용량 형성부와, 상기 용량 형성부의 상부 및 하부에 형성된 커버부(112, 113)를 포함할 수 있다.
상기 용량 형성부는 커패시터의 용량 형성에 기여하는 부분으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 복수의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 반복적으로 적층하여 형성될 수 있다.
상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 단일 유전체층 또는 2개 이상의 유전체층을 용량 형성부의 상하부에 각각 두께 방향으로 적층하여 형성할 수 있으며, 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 내부 전극을 포함하지 않으며, 유전체층(111)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 즉, 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용량 형성부의 측면에는 마진부(114, 115)가 배치될 수 있다. 마진부(114, 115)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
마진부(114, 115)는 바디(110)의 제6 면(6)에 배치된 마진부(114)와 제5 면(5)에 배치된 마진부(115)를 포함할 수 있다. 즉, 마진부(114, 115)는 상기 세라믹 바디(110)의 폭 방향 양 측면에 배치될 수 있다.
마진부(114, 115)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바디(110)를 폭-두께(W-T) 방향으로 자른 단면에서 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 양 단과 바디(110)의 경계면 사이의 영역을 의미할 수 있다.
이때, 마진부(114, 115)는 세라믹 그린시트 상에 마진부가 형성될 곳을 제외하고 도전성 페이스트를 도포하여 내부 전극을 형성함으로써 형성된 것일 수 있다.
또한, 내부 전극(121, 122)에 의한 단차를 억제하기 위하여, 적층 후 내부 전극이 바디(110)의 제5 및 제6 면(5, 6)으로 노출되도록 절단한 후, 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 용량 형성부의 양 측면에 폭 방향으로 적층하여 마진부(114, 115)를 형성할 수도 있다.
내부 전극(121, 122)은 유전체층(111)과 교대로 적층된다.
내부 전극(121, 122)는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 바디(110)를 구성하는 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 대향하도록 번갈아 배치되며, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)으로 각각 노출될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 내부 전극(121)은 제4 면(4)과 이격되며 제3 면(3)을 통해 노출되고, 제2 내부 전극(122)은 제3 면(3)과 이격되며 제4 면(4)을 통해 노출될 수 있다.
이때, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 중간에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
도 4를 참조하면, 바디(110)는 제1 내부 전극(121)이 인쇄된 세라믹 그린 시트와 제2 내부 전극(122)이 인쇄된 세라믹 그린 시트를 번갈아 적층한 후, 소성하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 전극(121, 122)은 Ni을 포함하며, 상기 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Ni의 격자 상수가 3.53Å ~ 3.72Å의 범위를 만족할 수 있다.
Ni 원자들로 이루어진 내부 전극의 경우 3.52Å의 격자 상수를 가지나, 본 실시예의 경우 Ni 주성분의 내부 전극(121, 122)에 Ni보다 원자 크기가 큰 성분을 첨가함으로써 Ni의 격자 상수를 증가시킬 수 있다. 즉, 격자 상수를 이루는 Ni 원자 중 일부가 Ni보다 원자 크기가 큰 성분의 원자들로 치환됨으로써, Ni의 격자 상수가 평균적으로 증가할 수 있다.
내부 전극(121, 122)은 Ni을 주성분으로 포함하고, Ni 보다 원자 크기가 큰 성분을 더 포함할 수 있다. 또한, 내부 전극(121, 122)은 Ni과 원자 크기가 거의 같은 성분을 포함할 수도 있다. 이 경우, Ni 원자들 사이에 그와 상이한 원자가 일부 치환되면, Ni 원자들과 해당 원자 간에 반발력이 작용하여 격자 상수가 증가할 수 있다.
예를 들어, 내부 전극(121, 122)은 Cu, Sn, Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt, 및 Au 중에서 선택된 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다. Ni을 주성분으로 하고, Cu, Sn, Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt 및 Au 중에서 적어도 하나의 성분이 첨가된 내부 전극(121, 122)은, Ni 원자들로 구성된 격자 구조에서 일부 Ni 원자가 Cu 등의 다른 원자로 치환된 형태를 갖는다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Ni의 격자 상수가 증가할 수 있다.
일 실시형태로서, Ni을 주성분으로 하는 내부 전극(121, 122)에 구리(Cu)가 더 포함될 수 있다. 특히, 본 실시형태의 내부 전극(121, 122)은 Ni을 96.0 ~ 99.9wt% 포함하고, Cu를 0.1 ~ 4.0wt% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 Cu가 일부 첨가되는 경우, 내부 전극(121, 122)을 이루는 Ni 격자 구조에서, 일부 Ni 원자가 Cu로 치환될 수 있다. 이때, 내부 전극(121, 122)은 Ni8Cu4의 결정 형태를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 내부 전극(121, 122)은, 예를 들어 12개의 Ni 원자 중에서 4개가 Cu 원자로 치환된 형태의 격자 구조를 형성할 수 있다.
구리(Cu)는 0.128nm의 원자 크기를 가지며, 이는 니켈(Ni)의 원자 크기(0.125nm)보다 큰 값에 해당한다. 이에 따라, Ni 원자로만 이루어진 구조에 비하여, 일부 원자가 Cu로 치환된 구조의 격자 상수가 더 큰 값을 가질 수 있다.
이때, 내부 전극(121, 122)에 Cu가 0.1 ~ 4.0wt%의 범위만큼 포함되는 경우, 내부 전극(121, 122)과 유전체층(111) 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극(121, 122)의 전극 연결성이 개선될 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 포함되는 Cu의 질량비가 0.1wt% 미만인 경우에는, 치환되는 Cu 원자가 극소량에 불과하여 Ni의 격자 상수가 증가되는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있다.
반대로, 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Cu의 질량비가 4.0wt%을 초과하는 경우에는, Ni보다 녹는점이 낮은 Cu의 과량 첨가로 인해 내부 전극(121, 122)의 연결성이 오히려 저하되는 부효과가 발생할 수 있다.
또 다른 실시형태로서, Ni을 주성분으로 하는 내부 전극(121, 122)에 주석(Sn)이 더 포함될 수 있다. 특히, 본 실시형태의 내부 전극(121, 122)은 Ni을 97.0 ~ 99.9wt% 포함하고, Sn을 0.1 ~ 3.0wt% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 Sn이 일부 첨가되는 경우, 내부 전극(121, 122)을 이루는 Ni 격자 구조에서, 일부 Ni 원자가 Sn으로 치환될 수 있다. 주석(Sn)은 0.141nm의 원자 크기를 가지며, 이는 니켈(Ni)의 원자 크기(0.125nm)보다 큰 값에 해당한다. 이에 따라, Ni 원자로만 이루어진 구조에 비하여, 일부 원자가 Sn으로 치환된 구조의 격자 상수가 더 큰 값을 가질 수 있다.
이때, 내부 전극(121, 122)에 Sn이 0.1 ~ 3.0wt%의 범위만큼 포함되는 경우, 내부 전극(121, 122)과 유전체층(111) 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극(121, 122)의 전극 연결성이 개선될 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 포함되는 Sn의 질량비가 0.1wt% 미만인 경우에는, 치환되는 Sn 원자가 극소량에 불과하여 Ni의 격자 상수가 증가되는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있다.
반대로, 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Sn의 질량비가 3.0wt%을 초과하는 경우에는, Ni보다 녹는점이 낮은 Sn의 과량 첨가로 인해 내부 전극(121, 122)의 연결성이 오히려 저하되는 부효과가 발생할 수 있다.
또 다른 실시형태로서, Ni을 주성분으로 하는 내부 전극(121, 122)에 구리(Cu) 및 주석(Sn)이 더 포함될 수 있다. 특히, 본 실시형태의 내부 전극(121, 122)은, 내부 전극의 전체 질량에 대한 Cu 및 Sn의 질량비의 합을 W라 정의할 때, 상기 W가 0.1wt%≤W≤4.0wt%를 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 Cu 및 Sn이 함께 첨가되는 경우, 내부 전극(121, 122)을 이루는 Ni 격자 구조에서, 일부 Ni 원자가 Cu 및 Sn 원자로 각각 치환될 수 있다. 이때, 내부 전극(121, 122)은 Ni10Cu1Sn1의 결정 형태를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 내부 전극(121, 122)은, 예를 들어 12개의 Ni 원자 중에서 1개가 Cu 원자로, 다른 1개가 Sn 원자로 치환된 형태의 격자 구조를 형성할 수 있다.
이때, 내부 전극(121, 122)에 Cu 및 Sn의 질량비의 합 W가 0.1 ~ 4.0wt%의 범위를 만족하는 경우, 내부 전극(121, 122)과 유전체층(111) 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극(121, 122)의 전극 연결성이 개선될 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 포함되는 Cu 및 Sn의 질량비의 합이 0.1wt% 미만인 경우에는, 치환되는 원자들이 극소량에 불과하여 Ni의 격자 상수가 증가되는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있다.
반대로, 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Cu 및 Sn의 질량비의 합이 4.0wt%을 초과하는 경우에는, Ni보다 녹는점이 낮은 원자들의 과량 첨가로 인해 내부 전극(121, 122)의 연결성이 오히려 저하되는 부효과가 발생할 수 있다.
상기한 바와 같이, Ni에 Cu 및 Sn이 첨가되는 경우를 예시적으로 설명하였으나, 이와 마찬가지로 Ni을 주성분으로 하는 내부 전극(121, 122)에 Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt 및 Au 중에서 적어도 하나의 성분이 더 포함되는 실시형태도 가능하다.
이때, 내부 전극(121, 122)에 포함되는 첨가 성분들의 질량비의 총합이 0.1wt% 미만인 경우에는, 치환되는 원자가 극소량에 불과하여 Ni의 격자 상수가 증가되는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt 또는 Au의 질량비에 특별히 제한이 있는 것은 아니나, Ni을 제외한 성분들의 질량비의 총합이 0.1wt% 이상이 되도록 할 수 있다.
또한, 내부 전극(121, 122)에 Cu, Sn, Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt 및 Au 중에서 2 이상의 성분을 함께 포함하는 실시형태도 가능하다. 이 경우, Ni을 제외한 성분들의 질량비의 총합이 0.1wt% 이상이 되도록 할 수 있다.
내부 전극(121, 122)에 전술한 Co, Sb 등의 성분이 첨가되는 경우, 첨가 성분들은 소성 중 쉽게 환원될 수 있으므로, 내부 전극(121, 122)을 이루는 Ni 격자 구조에서 일부 Ni 원자가 새롭게 첨가된 원자로 치환될 수 있다.
이와 같은 첨가 성분들의 원자 크기는 Ni의 원자 크기보다 큰 값을 가지므로, Ni 원자로만 이루어진 구조에 비하여, 일부 원자가 치환된 구조의 격자 상수가 더 큰 값을 가질 수 있다. 즉, 첨가 성분들이 Ni의 격자 상수를 증가시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 전극(121, 122)은 내부 전극의 연결성이 87% 이상일 수 있다.
내부 전극의 연결성이란, 내부 전극의 전체 길이에 대한 실제 내부 전극이 형성된 부분의 길이의 비로 정의될 수 있다.
도 5는 도 2의 'P1'영역을 확대하여 나타낸 도면이며, 내부 전극의 연결성의 정의를 나타내는 도면이므로, 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 내부 전극(121, 122)의 연결성에 관해 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 내부 전극(121)의 어느 한 지점에서 측정된 전체 전극 길이를 b 및 실제 전극이 형성된 부분의 길이를 각각 e1, e2, e3, e4로 규정할 때, 실제 전극이 형성된 부분의 길이의 합(e = e1 + e2 + e3 + e4)을 전체 전극 길이(b)로 나눈 값인 e/b로 상기 내부 전극의 연결성을 표현할 수 있다.
내부 전극의 연결성이 87% 미만인 경우에는 충분한 정전 용량을 확보하기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 Ni에 Cu, Sn 등의 성분 중 일부를 첨가한 내부 전극(121, 122)은, 내부 전극(121, 122)을 이루는 Ni의 격자 상수가 증가되어 내부 전극의 연결성을 87% 이상으로 확보할 수 있다.
내부 전극의 연결성의 상한을 특별히 한정할 필요는 없으나, 제조 공정 등을 고려하면 그 상한은 97% 일 수 있다.
외부 전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되고, 내부 전극(121, 122)과 연결된다.
도 2에 도시된 형태와 같이, 외부 전극(131, 132)은 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 각각 배치되어, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)과 각각 연결된 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 적층형 전자 부품(100)이 2개의 외부 전극(131, 132)을 갖는 구조를 설명하고 있지만, 외부 전극(131, 132)의 개수나 형상 등은 내부 전극(121, 122)의 형태나 기타 다른 목적에 따라 바뀔 수 있을 것이다.
한편, 외부 전극(131, 132)은 금속 등과 같이 전기 전도성을 갖는 다양한 물질을 사용하여 형성될 수 있고, 전기적 특성, 구조적 안정성 등을 고려하여 구체적인 물질이 결정될 수 있다.
예를 들어, 외부 전극(131, 132)은 도전성 금속 및 글라스를 포함한 소성 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극일 수 있다.
또한, 외부 전극(131, 132)은 바디(110) 상에 소성 전극 및 수지계 전극이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 외부 전극(131, 132)은 바디(110) 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성되거나, 소성 전극 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성된 것일 수 있다.
외부 전극(131, 132)에 포함되는 도전성 금속으로 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 도전성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 그들의 합금 중 하나 이상일 수 있다.
한편, 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 도금층을 더 포함할 수 있다. 상기 도금층은 제1 및 제2 니켈(Ni) 도금층과, 상기 제1 및 제2 니켈 도금층을 각각 커버하는 제1 및 제2 주석(Sn) 도금층을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품(100)의 제조방법을 설명한다.
우선, 복수의 세라믹 그린시트를 준비한다.
상기 세라믹 그린시트는 바디(110)의 유전체층(111)을 형성하기 위한 것으로, 세라믹 분말, 폴리머 및 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 닥터 블레이드 등의 공법을 통해 시트(sheet) 형상으로 제작할 수 있다.
여기서, 상기 유전체층을 형성하는 슬러리에 포함되는 세라믹 분말은 BaTiO3를 주성분으로 할 수 있다.
이후, 상기 각각의 세라믹 그린시트의 적어도 일면에 내부 전극용 도전성 페이스트를 인쇄하여 내부 전극(121, 122)을 형성한다.
상기 내부 전극용 도전성 페이스트는 Ni: 96.0 ~ 99.9wt% 및 Cu: 0.1 ~ 4.0wt%를 포함하여 형성할 수 있다. 예를 들어, Ni 분말과 Cu 분말을 혼합하거나, Ni-Cu 합금 분말을 포함하여 내부 전극용 도전성 페이스트를 형성할 수 있다.
또는, 상기 내부 전극용 도전성 페이스트는 Ni: 96.0 ~ 99.9wt% 및 Sn: 0.1 ~ 3.0wt%를 포함하여 형성할 수 있다. 예를 들어, Ni 분말과 Sn 분말을 혼합하거나, Ni-Sn 합금 분말을 포함하여 내부 전극용 도전성 페이스트를 형성할 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 상기 내부 전극용 도전성 페이스트는 Ni에 Cu 및 Sn을 함께 첨가하여 형성할 수도 있고, Ni에 Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt, Au 등의 성분을 첨가하여 형성할 수도 있다.
내부 전극용 도전성 페이스트의 인쇄방법은 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등을 사용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 내부 전극(121)이 인쇄된 세라믹 그린 시트와 제2 내부 전극(122)이 인쇄된 세라믹 그린 시트를 번갈아 적층하고, 적층 방향으로부터 가압하여 적층된 복수의 세라믹 그린시트와 세라믹 그린시트 상에 형성된 내부 전극을 서로 압착시켜 적층체를 구성할 수 있다.
또한, 적층체의 상하에는 적어도 1개 이상의 세라믹 그린 시트를 적층하여 커버부(112, 113)를 형성할 수 있다. 커버부(112, 113)는 적층체의 내부에 위치한 유전체층(111)과 동일한 조성으로 이루어질 수 있으며, 내부 전극을 포함하지 않는다는 점에서 유전체층(111)과 차이를 갖는다.
이후, 상기 적층체를 1개의 커패시터에 대응하는 영역마다 절단하여 칩화한 후, 고온에서 소성하여 바디(110)를 완성한다.
이후, 바디(110)의 양 측면에 노출된 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 노출 부분을 덮어 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)과 전기적으로 연결될 수 있도록 제1 및 제2 외부전극(131, 132)을 형성할 수 있다.
이때, 제1 및 제2 외부전극(131, 132)의 표면에는 필요 시 니켈(Ni) 또는 주석(Sn) 등으로 도금 처리를 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Ni에 Cu 및 Sn이 각각 첨가되어, 격자 상수가 증가된 특성을 보여주는 XRD(X-Ray Diffraction) 측정 결과의 그래프이다.
도 6에 따른 XRD 측정 결과의 그래프는 각 실시형태에 따른 내부 전극(121, 122)에 포함되는 Ni의 격자 상수를 나타낸다. 이때, XRD 그래프에 따라 격자 상수를 도출하는 방식은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 사용되는 X-Ray 회절 분석 방식을 따를 수 있다.
즉, 그래프 상의 피크의 위치(2θ)로 Bragg 각(θ)을 찾을 수 있고, 가장 강한 강도를 갖는 3개의 피크의 Bragg 각을 사용하여 면간 거리를 계산할 수 있다. 여기서, 본 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 Bragg's law와, 결정의 면간 거리 계산식을 각각 이용함으로써, 결정 격자의 격자 상수를 도출할 수 있다.
이와 같은 방식으로 Ni의 격자 상수를 도출하는 경우, 도 6의 XRD 측정 결과의 그래프에서 3개의 피크가 좌측에 위치할수록 더 큰 격자 상수를 갖는다는 점을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, Ni에 다른 성분이 첨가되지 않은 실시형태의 경우(도 6에서 가장 하단의 Ni 그래프), 3개의 피크가 모두 가장 우측에 위치한 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 3개의 실시형태 중에서 가장 격자 상수가 작은 것으로 해석된다.
또한, Ni에 Cu가 첨가되어 Ni8Cu4의 결정 형태를 갖는 실시형태의 경우(도 6에서 중앙의 Ni8Cu4 그래프), 3개의 피크가 Ni 그래프에 비해 좌측에 위치한 것을 확인할 수 있다. 즉, Ni만으로 이루어진 내부 전극에 비해 Ni의 격자 상수가 증가된 것으로 해석된다.
또한, Ni에 Cu 및 Sn이 함께 첨가되어 Ni10Cu1Sn1의 결정 형태를 갖는 실시형태의 경우(도 6에서 가장 상단의 Ni10Cu1Sn1 그래프), 3개의 피크가 Ni 그래프 및 Ni8Cu4 그래프에 비해 더 좌측에 위치한 것을 확인할 수 있다. 즉, Ni만으로 이루어진 내부 전극에 비해 Ni의 격자 상수가 증가된 것으로 해석되며, Cu 원자보다 원자 크기가 큰 Sn의 첨가로 인해, Ni8Cu4 보다도 더 큰 격자 상수를 나타내는 것으로 해석된다.
(실험 예)
하기 표 1은 Ni에 Cu 및 Sn 중에서 적어도 하나를 특정 비율만큼 첨가한 내부 전극용 도전성 페이스트를 사용하여 내부 전극을 형성하고, 이를 포함하는 샘플 칩을 이용하여 Ni 격자 상수, 전극 연결성, BDV(파괴 전압), MTTF(평균 고장 시간)을 각각 측정한 결과를 나타낸 것이다.
표 1에서, 실험 예 1은 Ni에 Cu 또는 Sn을 첨가하지 않은 내부 전극용 도전성 페이스트를 사용하여 내부 전극을 형성한 것으로서, 다른 실험 예들에 대한 비교 기준으로 사용되었다.
여기서, Ni의 격자 상수는, 각 실험 예에 따른 내부 전극을 TEM(Transmission Electron Microscopy)으로 스캔한 이미지에서 측정한 값에 해당한다.
또한, 전극 연결성은, 각 실험 예에 따른 샘플 칩의 바디를 폭(W) 방향 중앙부에서 절단하여 그 길이 및 두께 방향 단면(L-T 단면)의 이미지를 SEM(Scanning Eletron Microscope)으로 스캔하고, 모든 내부 전극에 대하여 전체 길이 대비 실제 내부 전극이 형성된 부분의 길이를 측정하여 도출되는 전극 연결성의 평균값을 기재한 것이다.
또한, BDV(Breaking Down Voltage, 파괴 전압)는 각 실험 예에 따른 샘플 칩을 회로에 연결하고 0V에서 0.5V씩 순차적으로 승압을 하여, 전류가 20mA이상이 되는 지점의 전압을 BDV로 판단하여 그 값을 기재한 것이다.
또한, MTTF(Mean Time To Failure, 평균 고장 시간)는 고온 신뢰성을 판단하는 지표로 측정되었으며, 각 실험 예에 따른 샘플 칩에 125℃, 8V의 조건으로 고온 부하 시험을 실시한 결과, 절연저항이 10KΩ 이하가 된 시간을 고장 시간으로 판단하여 그 값을 기재한 것이다.
실험 예 내부 전극
(wt%)		 Ni 격자상수
(Å)		 전극 연결성
(%)		 BDV
(V)		 MTTF
(hr)
Cu Sn
1* 0.0 0.0 3.52 84 43 28
2 0.1 0.0 3.53 87 49 31
3 0.0 0.1 3.54 87 50 32
4 0.5 0.0 3.55 88 51 35
5 0.3 0.3 3.57 89 50 37
6 0.0 0.5 3.58 87 53 34
7 2.0 0.0 3.59 92 56 40
8 3.0 0.0 3.61 93 59 54
9 1.0 1.0 3.62 90 57 44
10 4.0 0.0 3.64 91 55 51
11 0.0 2.0 3.65 89 54 43
12 1.5 1.5 3.66 91 62 48
13 0.0 3.0 3.70 92 63 59
14 2.0 2.0 3.72 87 55 56
15* 5.0 0.0 3.73 85 43 30
16* 0.0 4.0 3.74 81 44 25
17* 2.5 2.5 3.74 83 45 27
18* 0.0 5.0 3.80 82 40 21
상기 표 1을 참조하면, Cu 및 Sn 중에서 적어도 하나가 포함된 실시 예 2 내지 18의 경우, Ni의 격자 상수가 실험 예 1에 비해 증가된 것을 확인할 수 있다.
특히, Cu만 포함된 실시 예들 중에서는, Cu가 0.1 이상 4.0wt% 이하로 포함된 실험 예 2, 4, 7, 8, 10의 경우, Cu가 4.0wt%을 초과하여 포함된 실험 예 15에 비하여 전극 연결성이 87% 이상으로 향상되었고, BDV 및 MTTF 또한 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, Sn만 포함된 실시 예들 중에서는, Sn이 0.1 이상 3.0wt% 이하로 포함된 실험 예 3, 6, 11, 13의 경우, Sn이 3.0wt%을 초과하여 포함된 실험 예 16, 17에 비하여 전극 연결성이 87% 이상으로 향상되었고, BDV 및 MTTF 또한 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, Cu 및 Sn이 함께 포함된 실시 예들 중에서는, Cu 및 Sn의 질량비의 합이 4.0wt% 이하로 포함된 실험 예 5, 9, 12, 14의 경우. 그 질량비의 합이 4.0wt%를 초과하여 포함된 실험 예 17에 비하여 전극 연결성이 87% 이상으로 향상되었고, BDV 및 MTTF 또한 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 실시 예 1 및 2의 측정값들을 대비해볼 때, 내부 전극에 포함되는 Cu 또는 Sn의 질량비가 0.1wt% 미만인 경우에는, 치환되는 Cu 또는 Sn 원자가 극소량에 불과하여, Ni의 격자 상수가 증가되는 효과가 충분히 발휘되지 않을 것으로 해석할 수 있다.
실험 예 15 내지 17의 경우, Cu 및 Sn 원자의 치환으로 인해 내부 전극을 이루는 Ni의 격자 상수가 증가되는 효과는 있었으나, Ni보다 녹는점이 낮은 Cu 및 Sn의 과량 첨가로 인해 전극의 연결성이 오히려 저하된 것으로 해석된다. 또한, 실험 예 15 내지 17의 경우, BDV가 50V 미만으로 저조하게 나타났으며, MTTF 또한 50시간 미만으로 나타나 고온 신뢰성이 충분하지 못한 것을 확인할 수 있다.
따라서, Ni 주성분의 내부 전극에 Cu가 0.1 ~ 4.0wt%의 범위만큼 포함되는 경우, 내부 전극과 유전체층 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극의 전극 연결성, BDV 및 고온 신뢰성이 개선될 수 있다.
또한, Ni 주성분의 내부 전극에 Sn이 0.1 ~ 3.0wt%의 범위만큼 포함되는 경우, 내부 전극과 유전체층 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극의 전극 연결성, BDV 및 고온 신뢰성이 개선될 수 있다.
또한, Ni 주성분의 내부 전극에 포함되는 Cu 및 Sn의 질량비의 합이 0.1 ~ 4.0wt%의 범위를 만족하는 경우, 내부 전극과 유전체층 간의 격자 상수의 차이가 효과적으로 저감됨과 동시에, 내부 전극의 전극 연결성, BDV 및 고온 신뢰성이 개선될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시예 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: 상부 커버부
113: 하부 커버부
114, 115: 마진부
121, 122: 제1 및 제2 내부 전극
131, 132: 제1 및 제2 외부 전극

Claims (10)

  1. 유전체층 및 상기 유전체층을 사이에 두고 번갈아 적층되는 내부 전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디에 배치되어 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극; 을 포함하고,
    상기 내부 전극은 Ni을 포함하며,
    상기 내부 전극에 포함되는 Ni의 격자 상수(Lattice Constant)가 3.53Å ~ 3.72Å의 범위를 만족하는
    적층형 전자 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Cu, Sn, Co, Sb, Ru, Pd, Ag, In, Bi, Re, Os, Ir, Pt 및 Au 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는
    적층형 전자 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Ni: 96.0 ~ 99.9wt% 및 Cu: 0.1 ~ 4.0wt%를 포함하는
    적층형 전자 부품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Ni8Cu4의 결정 형태를 포함하는
    적층형 전자 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Ni: 97.0 ~ 99.9wt% 및 Sn: 0.1 ~ 3.0wt%를 포함하는
    적층형 전자 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Cu 및 Sn을 더 포함하며,
    내부 전극의 전체 질량에 대한 Cu 및 Sn의 질량비의 합을 W라 정의할 때, 상기 W가 0.1wt%≤W≤4.0wt%를 만족하는
    적층형 전자 부품.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 전극은 Ni10Cu1Sn1의 결정 형태를 포함하는
    적층형 전자 부품.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극은,
    내부 전극의 전체 길이에 대한 실제 내부 전극이 형성된 부분의 길이를 비를 내부 전극의 연결성이라 정의할 때, 상기 내부 전극의 연결성이 87% 이상인
    적층형 전자 부품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 BaTiO3를 포함하는
    적층형 전자 부품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내부 전극에 포함된 Ni과 상기 유전체층에 포함된 BaTiO3의 격자 상수의 차이는 0.469Å 이하인
    적층형 전자 부품.
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