KR20220081659A - 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족한다.
Description
본 발명은 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품에 관한 것이다.
적층형 전자 부품의 하나인 적층 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 적층 세라믹 커패시터는 소형이면서 고용량이 보장되고 실장이 용이하다는 장점을 인하여 다양한 전자 장치의 부품으로 사용될 수 있다. 컴퓨터, 모바일 기기 등 각종 전자 기기가 소형화, 고출력화되면서 적층 세라믹 커패시터에 대한 소형화 및 고용량화의 요구가 증대되고 있다.
적층 세라믹 커패시터의 소형화 및 고용량화를 달성하기 위해서는 유전체층 및 내부 전극의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 한다. 현재 유전체층 두께가 약 0.6μm 수준까지 도달한 상태이며, 계속해서 박층화가 진행되고 있다.
그러나, 유전체층의 두께가 얇아질수록 신뢰성이 저하되고, 절연 저항, 파괴 전압 등의 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 적층 세라믹 커패시터의 구조적인 측면뿐만 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 발명의 여러 목적 중 하나는 신뢰성이 우수한 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 절연 저항이 우수한 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는 X5R 온도 특성을 만족하는 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품을 제공하기 위함이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품은 유전체층 및 상기 유전체층과 번갈아 배치되는 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되는 외부 전극; 을 포함하며, 상기 유전체층은 유전체 조성물을 포함하고, 상기 유전체 조성물은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족한다.
본 발명의 여러 효과 중 일 효과로서, 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층형 전자 부품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 II-II' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 바디를 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 II-II' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 바디를 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
이하, 구체적인 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 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.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 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.
도면에서, 제1 방향은 적층 방향 또는 두께(T) 방향, 제2 방향은 길이(L) 방향, 제3 방향은 폭(W) 방향으로 정의될 수 있다.
유전체 조성물
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족한다.
일반적으로 적층 세라믹 커패시터 내부의 유전체의 신뢰성을 확보하기 위하여 희토류계 원소들이 많이 첨가된다.
이러한 희토류계 원소들 중 디스프로슘 (Dy)은 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 반도체화 역시 억제하기 위해서는 디스프로슘 (Dy)보다 이온 반경은 더 크되, 디스프로슘 (Dy)과의 그 크기 차이가 크지 않은 희토류 원소를 적용하는 것이 좋을 것으로 생각되었다.
또한, 일반적인 희토류 원소들의 전자가는 고정 전자가 (Fixed-valence)가 +3 가 이기 때문에, Ba (+2)를 치환하는 경우 하나의 양전하 (single positive charge, D· Ba)를 가지지만, 터븀 (Tb)과 같이 +4 의 가변 전자가 (Multi-valence)를 가질 수 있는 경우 이중 양전하 (double positive charge, D‥ Ba)를 가질 수 있기 때문에 산소 빈자리 결함 농도 감소 효과가 2개가 될 수 있다.
반대로, 이터븀 (Yb)과 같이 +2 의 가변 전자가를 가지는 경우 Ba (+2)를 치환시 전하적으로 중성이기 때문에 산소 빈자리 결함 농도 감소에 효과적이지 않으며, 이러한 이유 때문에 이터븀 (Yb) 첨가시에 오히려 신뢰성이 더 열화된다고 알려져 있다.
결과적으로, 디스프로슘 (Dy)보다 이온 반경은 크지만, 절연 저항을 감소시킬 정도로 반도체화가 되지 않고, 다중 전자가를 가지는 터븀 (Tb) 원소가 산소 빈자리 결함 농도 감소에 가장 효과적이어서 적층 세라믹 커패시터 내 유전체의 신뢰성을 크게 개선시킬 수 있을 것으로 예상되어 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)을 동시에 적용한 유전체 조성물을 개발하게 되었다.
종래에는 유전체 조성물에 희토류 원소로서 디스프로슘 (Dy), 가돌리늄 (Gd) 및 터븀 (Tb) 중 1가지 이상을 첨가하는 시도가 있었다.
그러나, 이러한 경우에도 터븀 (Tb)의 상기 효과에 대한 인식 없이 단순히 희토류 원소로서 나열하거나 소량 첨가된 정도에 불과하였으며, 신뢰성 향상을 위해 첨가되는 터븀 (Tb)의 함량에 대한 구체적인 연구는 없는 실정이다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)의 첨가 함량에 있어서 최적의 비율을 탐색하여 신뢰성 개선에 효과가 우수한 비율을 찾아낼 수 있었다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하가 되도록 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 1.5몰 이하이거나 2.0몰 초과인 경우에는 절연 저항이 저하될 우려가 있으며, 특히 고온에서의 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족하도록 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.1 미만인 경우에는 터븀 (Tb)의 첨가에 따른 신뢰성 개선 효과가 불충분할 수 있다.
반면에, 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.15 이상인 경우에는 지나친 반도체화에 의해 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)과 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)를 동시에 상술한 범위를 만족하도록 조절하는 경우, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물의 각 성분을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
a) 주성분
본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체 조성물은 BaTiO3로 표시되는 주성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 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 조성물은 상온 유전율이 2000 이상일 수 있다.
상기 주성분은 특별히 제한되는 것은 아니나, 주성분 분말의 평균 입경은 40nm 이상 150nm 이하일 수 있다.
b) 제1 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 제1 부성분 원소로서 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)을 포함하며, 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)의 함량의 합(Dy+Tb) 및 비(Tb/Dy)를 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하가 되도록 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 1.5몰 이하이거나 2.0몰 초과인 경우에는 절연 저항이 저하될 우려가 있으며, 특히 고온에서의 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족하도록 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하며 온도 변화에 따른 용량 변화를 억제할 수 있어 X5R 온도 특성을 만족할 수 있다.
디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.1 미만인 경우에는 터븀 (Tb)의 첨가에 따른 신뢰성 개선 효과가 불충분할 수 있다.
반면에, 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.15 이상인 경우에는 지나친 반도체화에 의해 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
일 실시예에서, 터븀(Tb)의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.16몰 초과 0.235몰 미만일 수 있다.
터븀(Tb)의 함량이 Ti 100몰 대비 0.16몰 이하인 경우에는 터븀 (Tb)의 첨가에 따른 신뢰성 개선 효과가 불충분할 수 있다.
반면에, 터븀(Tb)의 함량이 Ti 100몰 대비 0.235몰 이상인 경우에는 지나친 반도체화에 의해 절연 저항이 저하될 우려가 있다.
일 실시예에서, 제1 부성분은 Dy 및 Tb 외에 희토류 원소인 Y, Ho, Er, Ce, Nd, Pm, Eu, Tb, Tm, Yb, Lu 및 Sm 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
b) 제2 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 제2 부성분으로 Mg를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.5몰 이하로 포함할 수 있다.
Mg는 억셉터 (Acceptor)로 작용하여 전자 농도를 줄이는 역할을 수행할 수 있다. Mg를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.5몰 이하로 첨가함으로써, n-type화로 인한 신뢰성 개선 효과를 극대화할 수 있다.
Mg를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.5몰 초과로 첨가하는 경우에는 유전율이 낮아질 우려가 있다.
일 실시예에서, 제2 부성분은 Al, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zr 및 Hf 중 하나 이상을 더 포함할 수 있으며, 제2 성분의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 이하일 수 있다.
Al, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zr 및 Hf도 Mg와 같이 억셉터(Acceptor) 역할을 수행하는 원소들이다. 즉, Mg를 포함한 억셉터(Acceptor) 원소들의 함량의 합을 1.5몰 이하로 제어할 수 있다. 억셉터(Acceptor) 원소들의 함량의 합이 1.5몰 초과인 경우에는 산소 공공 결함이 증가할 우려가 있다.
일 실시예에서, 제1 부성분 함량의 합 대비 제2 부성분 함량의 합의 비는 몰비로 1.4 초과 2.0 미만일 수 있다. 즉, (억셉터 원소 함량의 합/희토류 원소 함량의 합)이 몰비로 1.4 초과 2.0 미만일 수 있다.
제1 부성분 함량의 합 대비 제2 부성분 함량의 합의 비가 몰비로 1.4 초과 2.0 미만을 만족함에 따라, 첨가제 고용을 활발히 하여 신뢰성 향상 효과를 최적화할 수 있다.
c) 제3 부성분
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유전체 조성물은 제3 부성분으로 Mn 및 V를 포함할 수 있으며, 상기 Mn 및 V의 함량의 합이 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.3몰 이하일 수 있다.
Mn 및 V는 가변 전자가(multi-valence)를 가지는 원소로서, Mn 및 V는 유전체 조성물이 적용된 적층 세라믹 커패시터의 소성 온도를 저하시키고, 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 한다.
일 실시예에서, 상기 Mn 및 V는 몰비로 Mn ≥ 0.2V를 만족할 수 있다. 이에 따라, 고온 내전압 특성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있어 신뢰성 개선 효과를 얻을 수 있다. Mn < 0.2V 인 경우에는 V 원소의 지나친 도너(donor)화로 절연저항이 감소할 우려가 있다.
적층형 전자 부품
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 I-I' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 II-II' 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품의 바디를 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 상술한 유전체 조성물에서 설명한 내용과 중복되는 부분은 중복된 설명을 피하기 위하여 생략하도록 한다. 또한, 적층형 전자 부품의 일례로서 적층 세라미 커패시터에 대하여 설명하나, 본 발명은 상술한 유전체 조성물을 이용하는 다양한 전자 제품, 예를 들어, 인덕터, 압전체 소자, 바리스터, 또는 서미스터 등에도 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층형 전자 부품(100)은 유전체층(111) 및 상기 유전체층과 번갈아 배치되는 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110); 및 상기 바디에 배치되는 외부 전극(131, 132); 을 포함하며, 상기 유전체층은 유전체 조성물을 포함하고, 상기 유전체 조성물은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족한다.
바디(110)는 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)이 교대로 적층되어 있다.
바디(110)의 구체적인 형상에 특별히 제한은 없지만, 도시된 바와 같이 바디(110)는 육면체 형상이나 이와 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 소성 과정에서 바디(110)에 포함된 세라믹 분말의 수축으로 인하여, 바디(110)는 완전한 직선을 가진 육면체 형상은 아니지만 실질적으로 육면체 형상을 가질 수 있다.
바디(110)는 제1 방향으로 서로 대향하는 제1 및 제2 면(1, 2), 상기 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제2 방향으로 서로 대향하는 제3 및 제4 면(3, 4), 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제3 및 제4 면(3, 4)과 연결되며 제3 방향으로 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)를 이용하지 않고 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.
유전체층(111)은 상술한 유전체 조성물을 이용하여 형성될 수 있다.
적층형 전자 부품에 적용된 유전체의 성분은 예컨대 다음의 방법으로 분석할 수 있다. 파괴 공법의 경우, 적층형 전자 부품을 분쇄하고 내부 전극을 제거한 후 유전체 부분을 선별하며, 이렇게 선별된 유전체를 유도결합플라즈마 분광 분석기(ICP-OES), 유도결합플라즈마 질량 분석기(ICP-MS) 등의 장치를 이용하여 유전체의 성분을 분석할 수 있다. 그리고 비파괴 공법의 경우, TEM-EDS를 이용해 칩의 중앙부에서 성분을 분석할 수 있다.
한편, 유전체층(111)의 두께(td)는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 일반적으로 유전체층을 0.6μm 미만의 두께로 얇게 형성하는 경우, 특히 유전체층의 두께가 0.53μm 이하인 경우에는 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따르면 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)의 함량의 합(Dy+Tb) 및 비(Tb/Dy)를 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하기 때문에, 유전체층(111)의 두께가 0.53μm 이하인 경우에도 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다.
따라서, 유전체층(111)의 두께가 0.53μm 이하인 경우에 본 발명에 따른 신뢰성 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다.
상기 유전체층(111)의 두께(td)는 상기 제1 및 제2 내부 전극(121, 122) 사이에 배치되는 유전체층(111)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
상기 유전체층(111)의 평균 두께는 바디(110)의 길이 및 두께 방향(L-T) 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다.
예를 들어, 바디(110)의 제3 방향(폭 방향)의 중앙부에서 절단한 제1 및 제2 방향(길이 및 두께 방향) 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 스캔한 이미지에서 추출된 임의의 유전체층에 대해서, 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다.
상기 등간격인 30개의 지점에서 측정한 두께는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)이 서로 중첩되는 영역을 의미하는 용량 형성부(Ac)에서 측정될 수 있다.
바디(110)는 바디(110)의 내부에 배치되며, 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 제1 내부 전극(121) 및 제2 내부 전극(122)을 포함하여 용량이 형성되는 용량 형성부(Ac)와 상기 용량 형성부(Ac)의 제1 방향 상부 및 하부에 형성된 커버부(112, 113)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용량 형성부(Ac)는 커패시터의 용량 형성에 기여하는 부분으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 복수의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 반복적으로 적층하여 형성될 수 있다.
커버부(112, 113)는 상기 용량 형성부(Ac)의 제1 방향 상부에 배치되는 상부 커버부(112) 및 상기 용량 형성부(Ac)의 제1 방향 하부에 배치되는 하부 커버부(113)를 포함할 수 있다.
상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 용량 형성부(Ac)의 상하면에 각각 두께 방향으로 적층하여 형성할 수 있으며, 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 내부 전극을 포함하지 않으며, 유전체층(111)과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
즉, 상기 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
한편, 커버부(112, 113)의 두께는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 커버부(112, 113)의 두께(tp)는 20μm 이하일 수 있다.
또한, 상기 용량 형성부(Ac)의 측면에는 마진부(114, 115)가 배치될 수 있다.
마진부(114, 115)는 바디(110)의 제5 면(5)에 배치된 마진부(114)와 제6 면(6)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 끝단과 바디(110)의 경계면 사이의 영역을 의미할 수 있다.
마진부(114, 115)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
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 바디의 제5 및 제6 면(5, 6)으로 노출되도록 절단한 후, 단일 유전체층 또는 2 개 이상의 유전체층을 용량 형성부(Ac)의 양측면에 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.
내부 전극(121, 122)을 형성하는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(121, 122)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 내부 전극(121, 122)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 하나 이상을 포함하는 내부 전극용 도전성 페이스트를 세라믹 그린 시트에 인쇄하여 형성할 수 있다. 상기 내부 전극용 도전성 페이스트의 인쇄 방법은 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등을 사용할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 내부 전극(121, 122)의 두께(te)는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 일반적으로 내부 전극을 0.6μm 미만의 두께로 얇게 형성하는 경우, 특히 내부 전극의 두께가 0.50μm 이하인 경우에는 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따르면 디스프로슘 (Dy)과 터븀 (Tb)의 함량의 합(Dy+Tb) 및 비(Tb/Dy)를 조절함으로써, 절연 저항 향상 등 신뢰성 개선이 가능하기 때문에, 내부 전극(121, 122)의 두께가 0.50μm 이하인 경우에도 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다.
따라서, 내부 전극(121, 122)의 두께가 0.50μm 이하인 경우에 본 발명에 따른 효과가 보다 현저해질 수 있으며, 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성할 수 있다.
상기 내부 전극(121, 122)의 두께(te)는 내부 전극(121, 122)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
상기 내부 전극(121, 122)의 평균 두께는 바디(110)의 길이 및 두께 방향(L-T) 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다.
예를 들어, 바디(110)의 제3 방향(폭 방향)의 중앙부에서 절단한 제1 및 제2 방향(길이 및 두께 방향) 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 스캔한 이미지에서 추출된 임의의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)에 대해서, 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다.
상기 등간격인 30개의 지점은 내부 전극(121, 122)이 서로 중첩되는 영역을 의미하는 용량 형성부(Ac)에서 측정될 수 있다.
외부 전극(131, 132)은 바디(110)의 제3 면(3) 및 제4 면(4)에 배치된다.
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.
도 1을 참조하면, 외부 전극(131, 132)은 사이드 마진부(114, 115)의 제2 방향 양 단면을 덮도록 배치될 수 있다.
본 실시 형태에서는 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 것이라면 어떠한 물질을 사용하여 형성될 수 있고, 전기적 특성, 구조적 안정성 등을 고려하여 구체적인 물질이 결정될 수 있으며, 나아가 다층 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 외부 전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되는 전극층(131a, 132a) 및 전극층(131a, 132a) 상에 형성된 도금층(131b, 132b)을 포함할 수 있다.
전극층(131a, 132a)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 전극층(131a, 132a)은 도전성 금속 및 글라스를 포함한 소성(firing) 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극일 수 있다.
또한, 전극층(131a, 132a)은 바디 상에 소성 전극 및 수지계 전극이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성되거나, 소성 전극 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성된 것일 수 있다.
전극층(131a, 132a)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.
도금층(131b, 132b)은 실장 특성을 향상시키는 역할을 수행한다. 도금층(131b, 132b)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, Ni, Sn, Pd 및 이들의 합금 중 하나 이상을 포함하는 도금층일 수 있고, 복수의 층으로 형성될 수 있다.
도금층(131b, 132b)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 도금층(131b, 132b)은 Ni 도금층 또는 Sn 도금층일 수 있으며, 전극층(131a, 132a) 상에 Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있고, Sn 도금층, Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 도금층(131b, 132b)은 복수의 Ni 도금층 및/또는 복수의 Sn 도금층을 포함할 수도 있다.
적층형 전자 부품(100)의 사이즈는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 소형화 및 고용량화를 동시에 달성하기 위해서는 유전체층 및 내부 전극의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 하기 때문에, 1005 (길이×폭, 1.0mm×0.5mm) 이하의 사이즈를 가지는 적층형 전자 부품(100)에서 본 발명에 따른 신뢰성 및 절연 저항 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다.
따라서, 제조 오차, 외부 전극 크기 등을 고려하면 적층형 전자 부품(100)의 길이가 1.1mm 이하이고, 폭이 0.55mm 이하인 경우, 본 발명에 따른 신뢰성 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다. 여기서, 적층형 전자 부품(100)의 길이는 적층형 전자 부품(100)의 제2 방향 크기를 의미하며, 적층형 전자 부품(100)의 폭은 적층형 전자 부품(100)의 제3 방향 크기를 의미할 수 있다.
(실시예)
본 발명의 실시예는 티탄산바륨(BaTiO3)을 주성분으로 포함하며, Dy 및 Tb를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 하기 표 1에 기재된 함량을 가지는 유전체 조성물을 준비한 후, 상기 유전체 조성물을 포함하는 세라믹 그린시트를 이용하여 유전체층을 형성한 프로토 타입 적층 세라믹 커패시터(Proto-type MLCC)를 마련하였다.
상기와 같이 완성된 프로토 타입 적층 세라믹 커패시터(Proto-type MLCC) 시편인 시험번호 1 내지 4에 대해 온도에 따른 용량 변화를 측정하여 표 2에 기재하였고, 이에 따른 용량온도계수 (Temperature Coefficient of Capacitance, TCC)를 하기 표 3에 기재하였다.
X5R 온도 특성 기준은 25℃ 용량 기준 -55℃~85℃ 범위에서 정전 용량 ±15% 를 만족하여야 한다.
시험번호 | Dy(몰) | Tb(몰) | Dy+Tb(몰) | Tb/Dy |
1 | 1.4 | 0.1 | 1.5 | 0.07 |
2 | 1.5 | 0.2 | 1.7 | 0.13 |
3 | 1.8 | 0.2 | 2 | 0.11 |
4 | 1.8 | 0.3 | 2.1 | 0.17 |
시험번호 | 용량(μF) | |||||
-55℃ | -25℃ | 5℃ | 25℃ | 55℃ | 85℃ | |
1 | 3.81 | 4.16 | 4.34 | 4.43 | 4.45 | 3.63 |
2 | 3.88 | 4.23 | 4.43 | 4.51 | 4.6 | 3.84 |
3 | 3.87 | 4.22 | 4.46 | 4.55 | 4.44 | 3.87 |
4 | 3.95 | 4.22 | 4.45 | 4.54 | 4.4 | 3.77 |
시험번호 | TCC(%) | |||||
-55℃ | -25℃ | 5℃ | 25℃ | 55℃ | 85℃ | |
1 | -14 | -6 | -2 | 0 | 0.5 | -18 |
2 | -14 | -6.3 | -1.9 | 0 | 1.9 | -15 |
3 | -15 | -7.1 | -2 | 0 | -2.4 | -15 |
4 | -13 | -7 | -2 | 0 | -3 | -17 |
시험번호 1의 경우, 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 1.5몰, 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.07몰로 25℃ 용량 기준 85℃ 용량이 -18%로 X5R 온도 특성을 만족하지 못하였다.
시험번호 4의 경우, 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 2.1몰, 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.17몰로 25℃ 용량 기준 85℃ 용량이 -17%로 X5R 온도 특성을 만족하지 못하였다.
반면에, 본 발명에서 제시한 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)이 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하를 만족하고, 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)가 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족하는 시험번호 2 및 3은 X5R 온도 특성을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 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 전자 부품
110: 바디
111: 유전체층
112, 113: 커버부
114, 115: 사이드 마진부
121, 122: 내부 전극
131, 132: 외부 전극
131a: 전극층
132b: 도금층
110: 바디
111: 유전체층
112, 113: 커버부
114, 115: 사이드 마진부
121, 122: 내부 전극
131, 132: 외부 전극
131a: 전극층
132b: 도금층
Claims (16)
- BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며,
상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고,
상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고,
상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀(Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족하는
유전체 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 터븀(Tb)의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.16몰 초과 0.235몰 미만인
유전체 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 부성분은 Y, Ho, Er, Ce, Nd, Pm, Eu, Tb, Tm, Yb, Lu 및 Sm 중 하나 이상을 더 포함하는
유전체 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체 조성물은 제2 부성분을 더 포함하며,
상기 제2 부성분은 Mg를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.5몰 이하로 포함하는
유전체 조성물.
- 제4항에 있어서,
상기 제2 부성분은 Al, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zr 및 Hf 중 하나 이상을 더 포함하며,
상기 제2 부성분의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 이하인
유전체 조성물.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 부성분 함량의 합 대비 제2 부성분 함량의 합의 비는 몰비로 1.4 초과 2.0 미만인
유전체 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체 조성물은 제3 부성분을 포함하며,
상기 제3 부성분은 Mn 및 V를 포함하고, 상기 Mn 및 V의 함량의 합이 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.3몰 이하인
유전체 조성물.
- 제7항에 있어서,
상기 Mn 및 V는 몰비로 Mn ≥ 0.2V를 만족하는
유전체 조성물.
- 유전체층 및 상기 유전체층과 번갈아 배치되는 내부 전극을 포함하는 바디; 및
상기 바디에 배치되는 외부 전극; 을 포함하며,
상기 유전체층은 유전체 조성물을 포함하고,
상기 유전체 조성물은 BaTiO3 계 주성분과 제1 부성분을 포함하며, 상기 제1 부성분은 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)을 포함하고, 상기 디스프로슘(Dy) 및 터븀(Tb)의 함량의 합(Dy+Tb)은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 초과 2.0몰 이하이고, 상기 디스프로슘(Dy) 대비 터븀 (Tb)의 함량의 비(Tb/Dy)는 0.1 ≤ Tb/Dy < 0.15을 만족하는
적층형 전자 부품.
- 제9항에 있어서,
상기 터븀(Tb)의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.16몰 초과 0.235몰 미만인
적층형 전자 부품.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 부성분은 Y, Ho, Er, Ce, Nd, Pm, Eu, Tb, Tm, Yb, Lu 및 Sm 중 하나 이상을 더 포함하는
적층형 전자 부품.
- 제9항에 있어서,
상기 유전체 조성물은 제2 부성분을 더 포함하며,
상기 제2 부성분은 Mg를 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.5몰 이하로 포함하는
적층형 전자 부품.
- 제12항에 있어서,
상기 제2 부성분은 Al, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zr 및 Hf 중 하나 이상을 더 포함하며,
상기 제2 부성분의 함량은 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 1.5몰 이하인
적층형 전자 부품.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 부성분 함량의 합 대비 제2 부성분 함량의 합의 비는 몰비로 1.4 초과 2.0 미만인
적층형 전자 부품.
- 제9항에 있어서,
상기 유전체 조성물은 제3 부성분을 포함하며,
상기 제3 부성분은 Mn 및 V를 포함하고, 상기 Mn 및 V의 함량의 합이 상기 주성분의 Ti 100몰 대비 0.3몰 이하인
적층형 전자 부품.
- 제15항에 있어서,
상기 Mn 및 V는 몰비로 Mn ≥ 0.2V를 만족하는
적층형 전자 부품.
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