KR20220081892A - Microwave induction heating device and hihg speed co-sintering method of multi-layer ceramic capacitor using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파 유도가열 장치를 이용한 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법에 관한 것으로서, 상기 마이크로파 유도가열 장치의 투명관에 하나 이상의 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 투입하는 단계; 상기 마이크로파 유도가열 장치의 투명관 내부를 저진공 상태 또는 비활성 가스 상태로 조성하는 단계; 상기 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 미리 결정된 가열 속도로 상온에서부터 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체 소결 온도까지 고속 승온시키는 단계; 및 상기 유전체 소결 온도를 일정시간 동안 유지한 후, 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for high-speed simultaneous sintering of multilayer ceramic capacitors using a microwave induction heating device, the method comprising: inserting one or more multilayer ceramic capacitors (MLCCs) into a transparent tube of the microwave induction heating device; forming the inside of the transparent tube of the microwave induction heating device in a low vacuum state or an inert gas state; high-speed heating from room temperature to a dielectric sintering temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) at a predetermined heating rate using the microwave induction heating device; and naturally cooling the multilayer ceramic capacitor (MLCC) after maintaining the dielectric sintering temperature for a predetermined time.
Description
본 발명은 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 제조하는 공정에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 고속으로 동시소결시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for manufacturing a multilayer ceramic capacitor (MLCC), and more particularly, to a method for simultaneously sintering a multilayer ceramic capacitor (MLCC) using a microwave induction heating device at high speed.
마이크로파(Microwave)는 극 초단파라고도 불리는 전자기파의 일종으로서, 파장이 1mm 내지 1m이고, 주파수는 300MHz 내지 300GHz에 해당하는 전자기파이다. 마이크로파는 2차 세계대전 중에 레이더용으로 개발되어 이용되었으며, 그 후 통신기기 등에 폭넓게 이용되고 있다. 특히, 휴대전화나 무선 랜(LAN) 등에서 그 활용이 증대되고 있다. 1946년 레이더 개발 도중 우연히 마이크로파가 식품을 급속히 가열시키는 현상이 발견되었으며 이것이 전자레인지의 발명으로 연결되기도 하였다. 마이크로파 가열 기술은 가정용뿐만 아니라 산업용 가열 방법으로 개발되어 적용되어 왔다. 1980년대 중반 마이크로파 가열은 화학 분석, 즉 에싱(ashing), 익스트랙션(extraction), 다이제스션(digestion) 등에 적용되기 시작하였고, 1986년에는 마이크로파 가열을 이용하여 화학 합성을 시도하여 재래식 가열 방법보다 약 1000배 빠르게 반응이 일어남을 보고하였다. 1990년대에는 마이크로파 화학 장치 업체에서 개발한 제품들이 기술적으로 발전하면서 널리 보급되었다.Microwave is a type of electromagnetic wave, also called microwave, with a wavelength of 1 mm to 1 m and a frequency of 300 MHz to 300 GHz. Microwaves were developed and used for radar during World War II, and since then, they have been widely used in communication devices. In particular, its use is increasing in mobile phones, wireless LANs, and the like. In 1946, during the development of radar, it was accidentally discovered that microwaves rapidly heated food, which led to the invention of the microwave oven. Microwave heating technology has been developed and applied as a heating method for home as well as industrial use. In the mid-1980s, microwave heating began to be applied to chemical analysis, that is, ashing, extraction, and digestion. It was reported that the reaction occurred about 1000 times faster. In the 1990s, products developed by microwave chemical device companies became widespread as technology advanced.
마이크로파에 의한 발열 메커니즘 중 한가지로서, 쌍극자 편극(dipolar polarization) 발열 메커니즘은 극성 분자들에서 열이 발생하는 프로세스로 유전가열(dielectric heating)의 원리이다. 적절한 주파수로 진동하는 전기장 하에서 극성 분자들이 전기장의 방향 및 위상에 맞추려고 할 때, 분자 간 힘으로 인해 극성 분자들이 저항을 받아 전기장에 따라갈 수 없게 됨으로써 분자들의 무작위 운동을 야기하고 이것이 열을 발생시킨다. 이러한 발열 메커니즘은 물이나 유기용매, 산화물 등을 효과적으로 가열할 수 있다.As one of the heating mechanisms by microwaves, the dipolar polarization heating mechanism is a process in which heat is generated from polar molecules and is a principle of dielectric heating. When polar molecules try to match the direction and phase of the electric field under an electric field oscillating at an appropriate frequency, the intermolecular force resists the polar molecules and prevents them from following the electric field, causing random motion of the molecules, which generates heat. Such an exothermic mechanism can effectively heat water, an organic solvent, an oxide, or the like.
마이크로파에 의한 발열 메커니즘 중 다른 한가지로서, 전기 저항(electric resistance) 발열 메커니즘은 전류에 대한 저항으로 인해 열이 발생하는 원리이다. 진동하는 전기장은 전도체 내의 전자나 이온의 진동을 일으켜 전류를 만들어내고 이 전류가 내부 저항에 의해 열을 발생시킨다. 이 발열 원리는 전기장에 의해 발생하는 전류의 흐름에 의한 것으로서 전도가열(conduction heating)이라고 할 수 있다. 이 마이크로파 전도가열은, 물이나 유기용매 같은 극성분자를 가지는 유전체가 아닌 전도성 소재에 마이크로파 전기장이 가해질 때 발생할 수 있다. 하지만, 마이크로파 공진기 내에 전도성 소재가 존재하면 소재 전도도 값이나 크기 형상 등에 의해 공진기 내 전자기장 분포에 매우 큰 영향을 주게 된다. 전도도가 매우 좋은 금속류의 소재는 마이크로파를 대부분 반사시키기 때문에 거의 가열이 되지 않을뿐더러, 뾰족하거나 얇은 형태를 가진다면 전기장이 집중되는 현상으로 인해 쉽게 방전이 일어나 소재가 손상된다. 또한, 흑연 같이 높지 않은 전도도를 가지는 전도성 소재의 경우는 어느 정도 가열이 가능하지만, 크기나 형태에 따라 방전의 위험성을 가지고 있어서 높은 출력으로 고온 가열하고자 하는 경우에는 마찬가지로 방전 손상의 위험성을 가진다.As another one of the heating mechanisms by microwaves, the electric resistance heating mechanism is a principle in which heat is generated due to resistance to current. The oscillating electric field causes the oscillation of electrons or ions in the conductor to create an electric current, and this electric current generates heat by internal resistance. This heating principle is due to the flow of current generated by an electric field, and can be called conduction heating. This microwave conduction heating can occur when a microwave electric field is applied to a conductive material other than a dielectric having a polar molecule such as water or an organic solvent. However, the presence of a conductive material in the microwave resonator greatly affects the distribution of the electromagnetic field in the resonator by the material conductivity value, size, shape, or the like. Metals with very good conductivity reflect most of the microwaves, so they hardly heat up, and if they have a sharp or thin shape, they are easily discharged due to the concentration of the electric field and the material is damaged. In addition, in the case of a conductive material having low conductivity, such as graphite, heating is possible to some extent, but there is a risk of discharge depending on the size or shape.
금속과 같은 전도성 소재를 가열하는 도구로서 기존의 유도가열(induction heating) 기술은, 보통 수십 kHz의 주파수를 가지는 전류가 흐르는 코일을 감아서 자기장을 만들면 가까이 있는 금속에 유도전류를 발생시켜 가열시킬 수 있다. 특히 금속이 자성을 가지고 있다면 히스테리시스 손실에 의해 더 효과적으로 가열할 수 있다. 이 유도가열은 산업에서 금속의 열처리나 고온 융해로 등으로 광범위하게 활용되고 있고, 가정에서도 조리기구로 널리 보급되어 활용되고 있다. 유도가열에서 금속표면에 발생시키는 유도전류의 침투 깊이는 금속의 전도도와 밀접한 상관관계를 가지는데, 주파수가 높을수록 낮은 침투 깊이를 나타낸다. 보통 유도가열의 사용 주파수는 최대 수백 kHz 정도이기 때문에 금속에 대한 유도전류의 침투 깊이는 약 1mm 전후의 값을 가지므로, 조리기구 같이 밀리미터 수준의 두께를 가지는 소재를 가열하기에 적합하다. 하지만, 1㎛ 수준 이하의 얇은 전도성 소재는 수십 내지 수백 kHz 수준의 주파수를 가지는 유도전류의 침투 깊이보다 훨씬 얇기 때문에 자기장은 전도성 소재에 유도전류를 거의 만들어내지 못하고 투과해 버리며 가열시키기 못한다. 기존의 마이크로파 가열의 전기 저항 발열 메커니즘에 의해 1㎛ 수준 이하의 얇은 전도성 소재(즉, 전도성 박막)를 가열하려는 경우, 전도성 박막의 끝에서 집중되는 전기장으로 인해 쉽게 방전이 일어나기 때문에 사실상 사용이 불가능하다.As a tool for heating conductive materials such as metal, the existing induction heating technology creates a magnetic field by winding a coil through which an electric current with a frequency of usually several tens of kHz flows, and it can be heated by generating an induced current in a nearby metal. have. In particular, if the metal has magnetism, it can be heated more effectively due to hysteresis loss. This induction heating is widely used for heat treatment of metals or high-temperature melting furnaces in industry, and is widely used as a cooking appliance at home. The penetration depth of the induced current generated on the metal surface in induction heating has a close correlation with the conductivity of the metal, and the higher the frequency, the lower the penetration depth. Since the frequency of use of induction heating is usually about several hundred kHz, the penetration depth of the induction current into the metal has a value of about 1mm, so it is suitable for heating materials having a thickness of millimeter level such as cooking utensils. However, since a thin conductive material of 1 μm or less is much thinner than the penetration depth of an induced current having a frequency of several tens to hundreds of kHz, the magnetic field hardly generates an induced current in the conductive material, penetrates it, and does not heat it. In the case of heating a thin conductive material (that is, a conductive thin film) of 1 μm or less by the electrical resistance heating mechanism of the conventional microwave heating, it is practically impossible to use because the electric field concentrated at the end of the conductive thin film easily causes a discharge. .
이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 마이크로파 유도가열 기술은 전자레인지 등에 사용되는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 전도성 소재를 가열하는 새로운 유도가열 기술이다. 전자레인지 등에 사용되는 마이크로파의 금속표면에 대한 유도전류 침투 깊이는 약 1um 수준이므로, 수 마이크로미터 이하 또는 나노미터 수준의 매우 얇은 박막을 가열하는데 적합한 기술이다. 마이크로파 유도가열 기술은 열이 필요한 전도성 박막만을 선택적으로 직접 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 전기에너지에서 열에너지로 전환시키는 효율이 약 70% 수준으로 높아서 열에너지의 낭비 없이 매우 높은 효율로 빠르게 가열할 수 있는 기술이다.The microwave induction heating technology proposed to solve this problem is a new induction heating technology that heats a conductive material using a magnetic field in the microwave band used in microwave ovens. Since the penetration depth of the induced current to the metal surface of microwaves used in microwave ovens is about 1 μm, it is a technology suitable for heating very thin thin films of several micrometers or less or nanometer level. Microwave induction heating technology can selectively and directly heat only conductive thin films that require heat, and the efficiency of converting electrical energy into thermal energy is as high as 70%, so it can be heated quickly with very high efficiency without wasting thermal energy. to be.
한편, 적층 세라믹 커패시터(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC)는, 전도성 소재의 하나로서, 휴대폰, 개인용 PC, 노트북, 디스플레이 장치 등과 같은 전자기기에서 수동 부품의 약 60%를 차지하고 있는 대표적인 수동소자이다. 상기 MLCC는 집적회로(IC) 등과 같은 능동소자의 전원공급회로에서 노이즈를 분리하는 기능(decoupling), 신호의 DC 성분을 제거하는 기능, 신호의 평탄화 기능 등과 같은 다양한 역할을 수행할 수 있으며, 대표적인 능동소자인 반도체에 버금갈 정도로 중요한 수동소자이다. 상기 MLCC는 전기가 통하지 않는 세라믹 유전체층과 전기가 통하는 내부 전극층(가령, Ni 전극층)을 교대로 쌓아서 만들어진다.On the other hand, a multi-layer ceramic capacitor (MLCC), as one of the conductive materials, is a representative passive element that accounts for about 60% of passive components in electronic devices such as mobile phones, personal PCs, notebooks, and display devices. The MLCC may perform various roles such as a function of separating noise from a power supply circuit of an active device such as an integrated circuit (IC), a function of removing a DC component of a signal, a function of flattening a signal, and the like. It is a passive device that is as important as a semiconductor, which is an active device. The MLCC is made by alternately stacking a ceramic dielectric layer that does not conduct electricity and an internal electrode layer that conducts electricity (eg, a Ni electrode layer).
현재 MLCC 제조공정 중 유전체의 치밀화가 수행되는 소결공정은 최고 1200℃ 이상의 고온에서 약 18시간 이상 동안 장시간 수행되기 때문에 MLCC의 성능 수준과 품질을 완성하는데 매우 중요한 공정이다. 전극 소재인 니켈(Ni)은 약 800℃ 이상에서 소결이 시작되는 반면, 유전체는 약 1200℃ 이상에서 소결이 시작되므로, 유전체가 소결되는 1200℃의 고온에서는 니켈(Ni) 산화를 방지하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 산소 분압이 약 10-12 수준의 환원 분위기에서 전극과 유전체를 동시에 소결한다. 그런데, 환원 분위기의 고온 소결은 산화물 유전체에 산소 결함(oxygen vacancy)을 야기하게 되고, 이는 니켈(Ni) 전극과 유전체의 경계면에 쇼트키 접합(Schottky junction)을 형성시켜 전류 누설이 발생하고 절연 저항 저하(insulation resistance degradation)가 심화되면서 결국 MLCC 소자의 신뢰성 문제가 발생한다. 그리고, 장 시간의 유전체 고온 소결은 니켈(Ni)이 유전체 층으로 확산되는 문제, 유전체 씨앗(grain)의 성장 문제, 휘발성 도펀트(dopant)의 도입이 어려운 문제 등과 같은 많은 공정상의 어려움을 야기한다.Among the current MLCC manufacturing processes, the sintering process, in which dielectric densification is performed, is performed at a high temperature of 1200°C or higher for a long time for about 18 hours or more, so it is a very important process to complete the performance level and quality of MLCC. Nickel (Ni), which is an electrode material, starts sintering at about 800°C or higher, while dielectric starts sintering at about 1200°C or higher. It is important. Accordingly, the electrode and the dielectric are simultaneously sintered in a reducing atmosphere having an oxygen partial pressure of about 10 -12 . However, high-temperature sintering in a reducing atmosphere causes oxygen vacancy in the oxide dielectric, which forms a Schottky junction at the interface between the nickel (Ni) electrode and the dielectric, resulting in current leakage and insulation resistance. As the degradation (insulation resistance degradation) deepens, the reliability problem of the MLCC device eventually occurs. And, the high-temperature sintering of the dielectric for a long time causes many process difficulties, such as a problem in which nickel (Ni) is diffused into the dielectric layer, a problem in the growth of dielectric seeds, and a problem in that it is difficult to introduce a volatile dopant.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체층과 내부 전극층을 고속으로 동시소결할 수 있는 마이크로파 유도가열 장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a microwave induction heating apparatus capable of simultaneously sintering a dielectric layer and an internal electrode layer of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) using a microwave band magnetic field at high speed.
또 다른 목적은 미리 결정된 형상의 유전체 공진기를 갖는 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 고속으로 동시소결할 수 있는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method capable of simultaneously sintering a multilayer ceramic capacitor (MLCC) at high speed using a microwave induction heating device having a dielectric resonator having a predetermined shape.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로파 유도가열 장치의 투명관에 하나 이상의 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 투입하는 단계; 상기 마이크로파 유도가열 장치의 투명관 내부를 저진공 상태 또는 비활성 가스 상태로 조성하는 단계; 상기 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 미리 결정된 가열 속도로 상온에서부터 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체 소결 온도까지 고속 승온시키는 단계; 및 상기 유전체 소결 온도를 일정시간 동안 유지한 후, 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시키는 단계를 포함하는 마이크로파 유도가열 장치를 이용한 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법을 제공한다. According to one aspect of the present invention to achieve the above or other object, the method comprising: inputting one or more multilayer ceramic capacitors (MLCCs) into a transparent tube of a microwave induction heating device; forming the inside of the transparent tube of the microwave induction heating device in a low vacuum state or an inert gas state; high-speed heating from room temperature to a dielectric sintering temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) at a predetermined heating rate using the microwave induction heating device; and naturally cooling the multilayer ceramic capacitor (MLCC) after maintaining the dielectric sintering temperature for a predetermined time.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로파를 입력받는 마이크로파 입력부; 상기 마이크로파 입력부에 결합되어, 상기 마이크로파를 전달하는 마이크로파 커플러; 하나 이상의 전도성 소재를 삽입하기 위한 관통 홀을 마련하고, 상기 마이크로파 커플러로부터 전달받은 마이크로파를 기반으로 공진 모드의 전자기장 패턴을 생성하여 상기 전도성 소재를 유도가열하는 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기를 감싸도록 배치되어, 상기 마이크로파의 외부 누설을 차단하는 마이크로파 차단 용기; 및 상기 유전체 공진기의 관통 홀에 배치된 전도성 소재의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 마이크로파 유도가열 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, a microwave input unit for receiving a microwave; a microwave coupler coupled to the microwave input unit to transmit the microwave; a dielectric resonator providing a through hole for inserting one or more conductive materials and generating an electromagnetic field pattern of a resonance mode based on the microwaves transmitted from the microwave coupler to inductively heat the conductive materials; a microwave blocking container disposed to surround the dielectric resonator to block external leakage of the microwave; And it provides a microwave induction heating device including a temperature sensor for measuring the temperature of the conductive material disposed in the through hole of the dielectric resonator.
본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로파 유도가열 장치 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 고속 동시소결 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Effects of the microwave induction heating apparatus and the method for high-speed simultaneous sintering of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) using the microwave induction heating apparatus according to embodiments of the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 마이크로파 유도 가열 장치를 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 고온 동시소결을 매우 짧은 시간 내에 수행함으로써, 종래의 고온 가열로(furnace)에서 장 시간 수행되면서 발생하는 유전체 환원, 전극 산화, 전극 연결 손실(discontinuity) 등의 문제를 최소화시킬 수 있고, 보다 높은 성능과 내구성을 갖는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 제조할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, high-temperature co-sintering of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is performed within a very short time using a microwave induction heating device, thereby generating while being performed for a long time in a conventional high-temperature furnace Problems such as dielectric reduction, electrode oxidation, and electrode discontinuity can be minimized, and a multilayer ceramic capacitor (MLCC) having higher performance and durability can be manufactured.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로파 유도가열 장치 및 이를 이용한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 고속 동시소결 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the microwave induction heating apparatus and the method for high-speed simultaneous sintering of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) using the microwave induction heating apparatus according to embodiments of the present invention are not limited to those described above, and other effects not mentioned above These will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains from the following description.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기에서의 전기장 패턴 및 자기장 패턴을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 2는 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 해당 유전체 공진기에서의 전자기장 패턴 변화와 표면 유도 전류를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 소재의 위치를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기의 중심축 상에 배치된 전도성 소재의 가열을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 유도가열 장치를 설명하는 도면;
도 6은 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 MLCC의 전극층을 유도가열하는 원리를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 마이크로파 유도가열 장치를 이용한 MLCC의 고속 동시소결 방법을 설명하는 순서도;
도 8 및 도 9는 마이크로파 유도가열에 의한 MLCC의 고속 동시소결 공정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 10은 마이크로파 유도가열에 의한 MLCC의 대량 소결 공정을 설명하기 위해 참조되는 도면.The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description to help the understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention and explain the technical spirit of the present invention together with the detailed description.
1 is a diagram referred to for explaining an electric field pattern and a magnetic field pattern in a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention;
FIG. 2 is a diagram referenced to explain the electromagnetic field pattern change and surface induced current in the dielectric resonator when the dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention is surrounded by a conductive material;
3 is a view referenced to explain the position of a conductive material capable of microwave induction heating when a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention is surrounded by a conductive material;
4 is a view referred to for explaining heating of a conductive material disposed on a central axis of a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention;
5 is a view for explaining a microwave induction heating apparatus according to an embodiment of the present invention;
6 is a diagram referenced to explain the principle of induction heating of an electrode layer of an MLCC using a microwave induction heating device;
7 is a flowchart illustrating a method for high-speed co-sintering of MLCC using a microwave induction heating device;
8 and 9 are diagrams referenced to explain a high-speed co-sintering process of MLCC by microwave induction heating;
10 is a view referenced to explain a mass sintering process of MLCC by microwave induction heating.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this case, the same components in each drawing are denoted by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of already known functions and/or configurations will be omitted. The content disclosed below will focus on parts necessary to understand operations according to various embodiments, and descriptions of elements that may obscure the gist of the description will be omitted. Also, some components in the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not fully reflect the actual size, so the contents described herein are not limited by the relative size or spacing of the components drawn in each drawing.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. And, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification. The terminology used in the detailed description is for the purpose of describing embodiments of the present invention only, and should not be limiting in any way. Unless explicitly used otherwise, expressions in the singular include the meaning of the plural. In this description, expressions such as “comprising” or “comprising” are intended to indicate certain features, numbers, steps, acts, elements, some or a combination thereof, one or more other than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, acts, elements, or any part or combination thereof.
본 발명은 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체층과 내부 전극층을 고속으로 동시소결할 수 있는 마이크로파 유도가열 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 미리 결정된 형상의 유전체 공진기를 갖는 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 고속으로 동시소결할 수 있는 방법을 제안한다.The present invention proposes a microwave induction heating apparatus capable of simultaneously sintering a dielectric layer and an internal electrode layer of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) using a microwave band magnetic field at high speed. In addition, the present invention proposes a method for co-sintering a multilayer ceramic capacitor (MLCC) at high speed using a microwave induction heating device having a dielectric resonator having a predetermined shape.
이하 본 명세서에서는, 마이크로파를 이용한 유도 가열의 대상이 되는 전도성 박막 및 미세 와이어, 전도성 섬유, 박막 전극을 가진 칩 소자(chip device) 등을 통칭하여 전도성 소재라 지칭하도록 한다.Hereinafter, in the present specification, a conductive thin film, a fine wire, a conductive fiber, a chip device having a thin film electrode, etc., which are subjected to induction heating using microwaves, will be collectively referred to as a conductive material.
디스플레이, 반도체 소자, 태양전지, 적층 세라믹 커패시터(MLCC) 등과 같은 첨단 소자들은 모두 박막 형태의 전극을 가지고 있다. 이들 소자들은 제조공정 과정에서 고온의 열처리로 필요한 성능의 소재를 만들어내야 하는데, 기존의 가열방식은 긴 열처리 시간이 필요해서 생산성이 낮고 많은 에너지 비용이 소모되거나 기판의 가열 온도 한계로 인해 충분히 높은 온도에서의 열처리가 불가능한 경우가 많다. 이러한 박막 형태의 전도성 소재를 선택적으로 빠르게 가열할 수 있다면, 기존 공정을 뛰어넘는 생산성과 소자 성능을 얻을 수 있을 것이다.Advanced devices such as displays, semiconductor devices, solar cells, and multilayer ceramic capacitors (MLCCs) all have thin-film electrodes. These devices have to produce materials with required performance through high-temperature heat treatment during the manufacturing process, but the conventional heating method requires a long heat treatment time, resulting in low productivity and high energy cost, or a sufficiently high temperature due to the heating temperature limit of the substrate. In many cases, heat treatment is not possible. If such a thin film-type conductive material can be selectively and quickly heated, productivity and device performance that exceed existing processes can be obtained.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기에서의 전기장 패턴 및 자기장 패턴을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.1 is a diagram referenced to explain an electric field pattern and a magnetic field pattern in a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention.
마이크로파 유도가열 장치를 구성하는 요소들 중 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 가장 핵심적인 요소는 유전체 공진기이다. 유전체 공진기는 보통 유전상수(dielectric constant) 값이 3 이상이며, 손실 탄젠트(loss tangent) 값이 0.0005 이하인 유전체를 사용한다.Among the elements constituting the microwave induction heating device, the most essential element for realizing microwave induction heating is a dielectric resonator. The dielectric resonator uses a dielectric having a dielectric constant value of 3 or more and a loss tangent value of 0.0005 or less.
도 1에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(10)가 만들어내는 기본 공진모드의 전자기장 패턴은, 유전체 공진기(10)의 중심축을 기준으로 회전하는 전기장 패턴(좌측 그림)과 상기 중심축을 따라 나와서 외곽으로 돌아 나가고 다시 중심축으로 돌아오는 자기장 패턴(우측 그림)으로 구성된다. 이러한 유전체 공진기(10)의 전기장 패턴은 중심축에서의 값이 0이 되고 유전체 공진기(10)의 외곽으로 일정거리 이상 떨어지면 0에 근접해 거의 없어지게 된다. 마이크로파 유도가열을 구현하는데 있어, 유전체 공진기(10)의 전자기장 형성 패턴에서 가장 중요한 사실은 전기장은 주로 유전체 공진기(10) 내에서 회전하는 루프의 형태로 존재하며, 자기장은 중심축을 통해 나와서 외곽으로 퍼져서 돌아 다시 중심축으로 들어오는 루프의 형태로 존재한다는 점이다.As shown in FIG. 1, the electromagnetic field pattern of the basic resonance mode created by the
도 2는 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 해당 유전체 공진기에서의 전자기장 패턴 변화와 표면 유도 전류를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.FIG. 2 is a diagram referenced to explain the electromagnetic field pattern change and surface induced current in the dielectric resonator when the dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention is surrounded by a conductive material.
도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)가 전도성 소재(21)로 둘러싸인 경우, 마이크로파의 전자기장 패턴은 내부 공간에 압축된 형태로 변형된다. 이때, 전자기장의 일반적인 경계조건에 의해, 전도성 소재(21)가 있는 면에 수직인 방향의 전기장과 전도성 소재(21)가 있는 면에 나란한 방향의 자기장만이 존재할 수 있다. 결국, 유전체 공진기(20)를 전도성 소재(21)로 둘러싸는 경우, 전도성 소재(21)에서는 전기장은 존재하지 않고 전도성 소재(21) 표면에 나란한 자기장만이 존재하게 되고, 그 자기장에 의해 전도성 소재(21) 표면에 유도전류(22)가 발생하게 된다. 이와 같은 패턴의 전자기장은 전도성 소재(21)가 전기장에 의한 방전 위험에 노출되지 않고 자기장에 의해서만 유도가열이 가능할 수 있도록 해 준다.As shown in FIG. 2 , when the dielectric resonator 20 is surrounded by the conductive material 21 , the electromagnetic field pattern of microwaves is transformed into a compressed form in the internal space. At this time, due to the general boundary condition of the electromagnetic field, only an electric field in a direction perpendicular to the surface of the conductive material 21 and a magnetic field in a direction parallel to the surface of the conductive material 21 may exist. As a result, when the dielectric resonator 20 is surrounded by the conductive material 21, an electric field does not exist in the conductive material 21, but only a magnetic field parallel to the surface of the conductive material 21 exists, and the conductive material by the magnetic field (21) An induced current 22 is generated on the surface. The electromagnetic field of such a pattern allows the conductive material 21 to be induction heating only by the magnetic field without being exposed to the risk of discharge by the electric field.
도 3은 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 소재의 위치를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.3 is a diagram referenced to explain the location of a conductive material capable of microwave induction heating when a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention is surrounded by a conductive material.
도 3에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(30)가 직육면체 형상의 전도성 소재(또는 전도성 박막, 31)로 둘러싸인 경우, 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 소재(31)의 위치는 유전체 공진기(30)의 상하면 및 측면의 외곽에 위치한 전도성 소재(31)의 모든 표면이다. 이와 같은 전도성 소재(31)의 모든 위치에서 동시에 가열이 이루어질 수 있으며, 어느 한 쪽 면에서만 가열하고 다른 쪽의 면들은 가열에 사용하지 않을 수도 있다.3, when the
도 4는 본 발명과 관련된 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 유전체 공진기의 중심축 상에 배치된 전도성 소재의 가열을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.4 is a diagram referenced to explain heating of a conductive material disposed on the central axis of a dielectric resonator for implementing microwave induction heating related to the present invention.
유전체 공진기(40)의 중심축은 외곽과 마찬가지로 전기장이 존재하지 않으면서 강한 자기장이 존재하는 영역이다. 따라서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(40)의 중심축에 놓인 1㎛ 또는 그 이하(또는 면저항 0.1Ω/㎡ 이상이 되도록 하는 두께)의 금속 또는 전도성 박막, 미세 와이어, 전도성 섬유, 나노박막 등과 같은 전도성 소재(41)를 효과적으로 가열할 수 있다. 또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(40)의 중심축에 놓인 박막 전극을 가지는 칩 소자 형태의 전도성 소재(42)를 효과적으로 가열할 수 있다.The central axis of the
본 발명과 관련된 유전체 공진기는 상술한 바와 같은 원리를 기초로 마이크로파 유도가열의 대상이 되는 소재(즉, 가열 대상 소재)를 마이크로파 대역의 자기장으로 가열한다. 예를 들어, 유전체 공진기의 상면쪽, 하면쪽, 측면쪽, 또는 관통 홀의 중심축에 배치된 가열 대상 소재를 마이크로파 대역의 자기장으로 유도 가열한다. 유전체 공진기는 원기둥이나 육면체의 기둥형, 구형, 둥근 모서리형, 대칭성이 없는 소정의 임의 형태, 중심에 관통 홀이 있는 형태, 하나의 공진기를 수직 또는 수평으로 분할하여 소정의 거리만큼 이격되게 배열한 형태, 또는 복수의 공진기를 조합한 형태 등으로 형성될 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는, 중심에 관통 홀이 형성된 유전체 공진기를 예시하여 설명하도록 한다.The dielectric resonator related to the present invention heats a material to be subjected to microwave induction heating (ie, a material to be heated) with a magnetic field in the microwave band based on the principle as described above. For example, the heating target material disposed on the top, bottom, side, or central axis of the through hole of the dielectric resonator is inductively heated with a magnetic field of a microwave band. A dielectric resonator is a cylindrical or hexahedral column, spherical, rounded corner, any shape without symmetry, a shape with a through hole in the center, and one resonator is divided vertically or horizontally and arranged to be spaced apart by a predetermined distance. It may be formed in a form or a form in which a plurality of resonators are combined. Hereinafter, in the present embodiment, a dielectric resonator having a through hole formed in the center thereof will be exemplified.
한편, 가열 대상 소재는 1㎛ 두께 이하의 금속 또는 전도성 박막, 미세 와이어, 전도성 섬유, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노박막, 박막 전극을 가진 칩 소자(chip device) 등 마이크로미터 수준 이하의 전도성 소재를 포함한다. 가열 대상 소재는 평면, 구면이나 곡면, 원통면, 또는 이들의 조합 형태 등 다양한 형태일 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는, 마이크로파 유도가열의 대상이 되는 소재가 적층 세라믹 커패시터(MLCC)임을 예시하여 설명하도록 한다.On the other hand, the material to be heated is a metal or conductive thin film with a thickness of 1 μm or less, a fine wire, a conductive fiber, a conductive oxide, a carbon nanotube, a nano-thin film such as graphene, a chip device having a thin film electrode, etc. at the micrometer level. The following conductive materials are included. The material to be heated may have various shapes such as a flat surface, a spherical surface, a curved surface, a cylindrical surface, or a combination thereof. Hereinafter, in the present embodiment, a material to be subjected to microwave induction heating will be described by exemplifying a multilayer ceramic capacitor (MLCC).
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 유도가열 장치를 설명하는 도면이고, 도 6은 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 MLCC의 전극층을 유도가열하는 원리를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.5 is a diagram for explaining a microwave induction heating apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram referenced to explain the principle of induction heating of an electrode layer of an MLCC using a microwave induction heating apparatus.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 유도가열 장치(100)는 마이크로파 입력부(110), 마이크로파 커플러(120), 유전체 공진기(130), 마이크로파 차단용기(140), 온도 측정 포트(150), 온도 센서(160) 및 투명관(170)을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 마이크로파 유도가열 장치(100)는 상술한 구성요소들(110~170)의 동작을 전반적으로 제어하기 위한 제어장치를 더 포함할 수 있다.5 and 6, the microwave
마이크로 입력부(110)는 마이크로파 차단용기(140)의 일 영역에 배치되어, 외부의 마이크로파를 상기 마이크로파 차단용기(140)의 내부로 입력하는 기능을 수행한다.The
마이크로파 입력부(110)는 동축 도파관 형태일 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 입력부(110)는 마이크로파 차단용기(140)의 일 영역에 결합되는 동축 도파관 형태일 수 있다. 마이크로파 입력부(110)는 사각 또는 원형 도파관의 형태로 사용할 수 있다. 마이크로파 입력부(110)의 형태는 마이크로파 커플러(120)의 형태에 따라 결정되는 것이 바람직하다.The
마이크로파 커플러(120)는, 마이크로파 입력부(110)와 결합되어, 상기 마이크로파 입력부(110)로부터 수신된 마이크로파를 유전체 공진기(130)로 전달하는 기능을 수행한다.The
마이크로파 커플러(120)는 유전체 공진기(130)로부터 소정 거리만큼 이격되어 배치되는 루프(loop) 형상의 금속이거나 혹은 막대 형상의 금속일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 마이크로파 커플러(120)는 마이크로파 입력부(110)의 길이 방향에 수직한 방향으로 배치되거나 혹은 마이크로파 입력부(110)의 길이 방향에 수평한 방향으로 배치될 수 있다.The
마이크로파 커플러(120)는, 유전체 공진기(130)와의 결합 상수(coupling coefficient)에 기초하여, 제어장치(미도시)의 제어 명령에 따라 유전체 공진기(130)와의 이격 거리를 조절하여(가령, 커플러 단부가 소정의 가이드를 따라 이동 가능) 상기 유전체 공진기(130)로 전달되는 마이크로파의 양을 조절할 수 있다.The
유전체 공진기(130)는 마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 전자기장 패턴을 생성하여 가열 대상 소자(즉, 적층 세라믹 커패시터, MLCC, 200)에 유도 전류를 발생시키는 기능을 수행한다. 이때, 상기 유전체 공진기(130)는 기본 공진 모드에서의 전기장 패턴 및 자기장 패턴을 생성할 수 있다.The
유전체 공진기(130)의 전체적인 형상은 원통, 직육면체, 정육면체 등과 같은 기둥 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 유전체 공진기(130)는 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)이 실장된 투명관(170)을 수용하기 위한 관통 홀이 중앙 부분에 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 유전체 공진기(130)의 중심축은 외곽과 마찬가지로 전기장이 존재하지 않으면서 강하고 균일한 자기장이 존재하는 영역이다. 따라서, 유전체 공진기(130)의 중심축 방향으로 형성된 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 유전체 공진기(130)의 관통 홀에 배치된 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)을 균일하게 가열할 수 있게 된다.The overall shape of the
마이크로파 차단용기(140)는 유전체 공진기(130)를 둘러싸도록 배치되어 마이크로파의 외부 누설을 차단하는 기능을 수행한다. 또한, 마이크로파 차단용기(140)는, 제어장치의 제어 명령에 따라, 유전체 공진기(130)와의 이격 거리를 조정해서(가령, 측벽 일부/전부가 소정의 가이드를 따라 이동 가능) 유전체 공진기(130)의 공진 모드 시 전자기장의 공진 주파수를 조정하는 기능을 수행할 수 있다.The
마이크로파 차단용기(140)의 전체적인 형상은 원통, 직육면체, 정육면체 등과 같은 기둥 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 마이크로파 차단용기(140)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 마이크로파 차단용기(140)는 유전체 공진기(130)의 제작 정밀도의 한계로 인해 나타나는 공진 주파수의 오차 또는 공급되는 마이크로파의 주파수 변화에 대처할 수 있는 도구로 활용할 수 있다.The overall shape of the
마이크로파 차단용기(140)는 마이크로파 입력부(110)가 결합되는 제1 개구부와, 투명관(170)과 결합되는 제2 개구부와, 온도 측정 포트(150)와 결합되는 제3 개구부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제3 개구부들은 마이크로파 누설이 발생하지 않도록 차단 주파수(cutoff frequency) 설계에 기반하여 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 내지 제3 개구부들은 특정 주파수의 마이크로파가 통과하지 못하도록 하는 쵸크 캐비티(choke cavity)형 개구부일 수 있다.The
온도 측정 포트(150)는, 마이크로파 차단용기(140)의 일 영역에 배치되어, 온도 센서(160)에서 조사되는 적외선을 적층 세라믹 커패시터(MLCC, 200) 방향으로 가이드하는 기능을 수행한다.The
온도 센서(160)는, 온도 측정 포트(150)의 인접 영역에 설치되며, 적외선(IR)을 이용하여 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)의 온도를 측정하는 기능을 수행한다.The
투명관(170)은, 일종의 로더(loader)로서, 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)을 이동시켜서 그 가열 부위가 유전체 공진기(130)로부터 소정의 거리를 두고 위치하도록 로딩(loading)하거나, 또는 유도 가열이 끝난 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)을 가열 위치로부터 제거되도록 언로딩(unloading)하는 기능을 수행한다. 또한, 투명관(170)은 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)을 수용하기 위한 공간을 마련하고, MLCC 소결 대기 환경을 조성 및 유지하는 기능을 수행한다.The
투명관(170)은 마이크로파 차단용기(140)의 일 영역에 삽입되거나 혹은 마이크로파 차단용기(140)로부터 제거되도록 형성될 수 있다. 투명관(170)은 유전체 공진기(130)의 중심부에 형성된 관통 홀을 가로지르도록 배치될 수 있다. 투명관(170)은 내열성이 우수한 쿼츠(quartz) 재질로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. The
적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)은 투명관(170)을 통하여 외부에서 투입될 수 있다. 또한, 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)은 1300℃ 이상의 고온으로 가열되므로 알루미나 등과 같이 고온에 잘 견디면서 마이크로파를 흡수하지 않는 소재로 홀더(holder)를 만들어 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)을 투입하고 이송시키는 용도로 사용할 수 있다.The multilayer
마이크로파 유도가열 장치(100)는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 전도성 소재에 유도전류를 발생시키고 그에 의한 저항열로 해당 전도성 소재를 가열한다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 적층 세라믹 커패시터들(MLCC, 200)에 마이크로파 자기장(610)을 인가하면 니켈(Ni) 금속으로 이루어진 내부 전극층(250)에 회전하는 유도전류(620)를 발생시켜 가열할 수 있다. 일반적인 적층 세라믹 커패시터의 내부 전극층의 두께는 1㎛ 이하이므로 마이크로파 유도가열 방식으로 매우 효과적으로 가열할 수 있고, 내부 전극층 사이의 유전체층의 두께는 수㎛ 이하이므로 유전체층이 직접 가열되지 않더라도 내부 전극층에서 발생한 열은 거의 동시에 유전체층으로 전도되어 거의 같은 온도가 된다.The microwave
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 유도가열 장치는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 유전체 공진기의 관통 홀에 배치된 적층 세라믹 커패시터들(MLCC)의 내부 전극층을 선택적으로 가열할 수 있다. 또한, 마이크로파 유도가열 장치는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 적층 세라믹 커패시터들(MLCC)의 유전체층과 내부 전극층을 고속으로 동시소결할 수 있다.As described above, the microwave induction heating apparatus according to an embodiment of the present invention can selectively heat the internal electrode layers of the multilayer ceramic capacitors (MLCCs) disposed in the through-holes of the dielectric resonator using a microwave band magnetic field. have. In addition, the microwave induction heating apparatus can simultaneously sinter the dielectric layer and the internal electrode layer of the multilayer ceramic capacitors (MLCCs) at high speed using a magnetic field in the microwave band.
기존의 가열로(furnace)를 이용하는 장 시간의 소결 공정에서 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체는 보통 1200℃ 정도에서 소결(소성)된다. 이에 반해, 본 발명에 따른 마이크로파 유도가열 방식의 소결 공정에서는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 빠르게 소결시키기 위해, 최고 1300℃ 이상의 온도까지 승온시킨다. 마이크로파 유도가열에 의한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 소결 공정은 다음과 같이 진행될 수 있다.In a long-term sintering process using a conventional furnace, the dielectric of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) is usually sintered (sintered) at about 1200°C. On the other hand, in the microwave induction heating sintering process according to the present invention, in order to rapidly sinter the multilayer ceramic capacitor (MLCC), the temperature is raised to a maximum temperature of 1300° C. or higher. The sintering process of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) by microwave induction heating may be performed as follows.
도 7은 마이크로파 유도가열 장치를 이용한 MLCC의 고속 동시소결 방법을 설명하는 순서도이고, 도 8은 마이크로파 유도가열에 의한 MLCC의 고속 동시소결 공정을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 이하, 본 실시 예에서 설명하는 동시소결 공정은 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 제조 공정 중 Binder burnout 공정 이후에 실시되는 공정을 의미한다.7 is a flowchart illustrating a method of high-speed co-sintering of MLCCs using a microwave induction heating device, and FIG. 8 is a diagram referenced to explain a high-speed co-sintering process of MLCCs by microwave induction heating. Hereinafter, the co-sintering process described in this embodiment refers to a process performed after the binder burnout process during the manufacturing process of the multilayer ceramic capacitor (MLCC).
도 7 및 도 8을 참조하면, 미리 결정된 형상의 유전체 공진기를 갖는 마이크로파 유도가열 장치를 마련한다(S710). 이때, 상기 마이크로파 유도가열 장치는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 수용하기 위한 투명관을 포함할 수 있다. 상기 투명관은, 일종의 로더(loader)로서, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 이동시켜서 그 가열 부위가 유전체 공진기로부터 소정의 거리를 두고 위치하도록 로딩하거나, 또는 유도 가열이 끝난 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 가열 위치로부터 제거되도록 언로딩하는 기능을 수행한다.7 and 8, a microwave induction heating device having a dielectric resonator having a predetermined shape is prepared (S710). In this case, the microwave induction heating device may include a transparent tube for accommodating the multilayer ceramic capacitor (MLCC). The transparent tube, as a kind of loader, is loaded by moving the multilayer ceramic capacitor (MLCC) so that the heating part is located at a predetermined distance from the dielectric resonator, or loading the multilayer ceramic capacitor (MLCC) after induction heating has been completed. It performs the function of unloading to be removed from the heating position.
마이크로파 유도가열 장치의 투명관에 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 투입한다(S720). 여기서, 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 구성하는 복수의 유전체층 및 복수의 내부 전극층은 입자 상태일 수 있다.A multilayer ceramic capacitor (MLCC) is put into the transparent tube of the microwave induction heating device (S720). Here, the plurality of dielectric layers and the plurality of internal electrode layers constituting the multilayer ceramic capacitor MLCC may be in a particle state.
마이크로파 유도가열 장치의 투명관 내부를 저진공 상태 또는 비활성 가스 상태로 조성한다(S730). 여기서, 상기 저진공 상태의 압력은 0.1 토르(Torr) 이하일 수 있다.The inside of the transparent tube of the microwave induction heating device is created in a low vacuum state or in an inert gas state (S730). Here, the pressure in the low vacuum state may be 0.1 Torr or less.
이후, 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 미리 결정된 가열 속도(또는 승온 속도)로 상온에서부터 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체층 소결이 시작되는 온도(즉, 유전체 소결 시작 온도, 가령 1200℃)까지 빠르게 승온시킨다(S740). 여기서, 상기 미리 결정된 가열 속도는 5℃/s 내지 200℃/s의 범위 내에서 적절하게 선택될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.Thereafter, using a microwave induction heating device, the temperature is rapidly increased from room temperature at a predetermined heating rate (or temperature increase rate) to the temperature at which sintering of the dielectric layer of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) starts (i.e., the dielectric sintering start temperature, for example, 1200° C.) (S740). Here, the predetermined heating rate may be appropriately selected within the range of 5°C/s to 200°C/s, but is not necessarily limited thereto.
적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 가열 속도를 제약하는 것은 잔류 바인더가 가스화되면서 생기는 압력에 의한 크랙(crack) 발생인데, 초기 가열 속도를 일정 속도 이하로 제어하면 크랙 발생을 막을 수 있다. 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 내부 전극층은 유전체층의 소결 온도보다 낮은 약 800℃ 정도에서 소결이 시작되고 수축이 일어나는데, 유전체층 보다 먼저 내부 전극층의 수축이 일어나서 발생하는 전극 연결 손실 문제를 최소화하기 위해서는 가능한 빠르게 유전체 소결 온도까지 승온하는 것이 중요하다.Limiting the heating rate of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is crack generation due to pressure generated when the residual binder is gasified. If the initial heating rate is controlled below a certain rate, crack generation can be prevented. The internal electrode layer of a multilayer ceramic capacitor (MLCC) starts sintering and shrinks at about 800°C lower than the sintering temperature of the dielectric layer. It is important to raise the temperature to the dielectric sintering temperature.
적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 온도가 유전체 소결 시작 온도에 도달하면, 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 상기 유전체 소결 시작 온도를 일정 시간 동안 유지한다(S750). 여기서, 유전체 소결 시작 온도가 일정하게 유지되는 시간은 1초에서부터 10분까지의 범위 중에서 적절하게 선택될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 유전체층의 소결이 시작되는 온도부터는 MLCC 전체가 균일하게 안정적으로 소결될 수 있도록 제어하는 것이 중요하므로 일정 시간 온도를 유지하게 되면 MLCC 내부의 온도편차를 최소화할 수 있다.When the temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) reaches the dielectric sintering start temperature, the dielectric sintering start temperature is maintained for a predetermined time using a microwave induction heating device (S750). Here, the time for which the dielectric sintering start temperature is kept constant may be appropriately selected from the range of 1 second to 10 minutes, but is not necessarily limited thereto. Since it is important to control the entire MLCC to be uniformly and stably sintered from the temperature at which the dielectric layer starts sintering, if the temperature is maintained for a certain period of time, the temperature deviation inside the MLCC can be minimized.
마지막으로 유전체 소결 시작 온도에서 일정 시간 동안 유지한 다음 마이크로파 유도가열을 중지하고, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시킨다(S760). 본 실시 예에서는, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 내부 전극층 산화가 진행되는 약 800℃ 이상의 온도에서 머무르는 시간(T)을 10분 이내로 하는 것이 바람직하다.Finally, after maintaining the dielectric sintering start temperature for a predetermined time, microwave induction heating is stopped, and the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is naturally cooled (S760). In the present embodiment, it is preferable that the time (T) for staying at a temperature of about 800° C. or higher during which the oxidation of the internal electrode layer of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) proceeds is within 10 minutes.
한편, 다른 실시 예로, 도 9에 도시된 바와 같이, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 온도가 유전체 소결 시작 온도에 도달하면, 상기 유전체 소결 시작 온도를 일정 시간 동안 유지한 후 미리 결정된 가열 속도로 최고 소결 온도(가령, 1300℃)까지 승온시킬 수 있다. 이후, 최고 소결 온도에서 일정 시간 동안 유지한 후 마이크로파 유도가열을 중지하고, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시킬 수 있다. 최고 소결 온도에서는 열이 발생하는 내부 전극층에서 가장 떨어진 MLCC의 모서리 부분의 유전체층까지 완전히 소결된다.Meanwhile, in another embodiment, as shown in FIG. 9 , when the temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) reaches the dielectric sintering start temperature, the dielectric sintering start temperature is maintained for a certain period of time, and then the highest sintering is performed at a predetermined heating rate. The temperature may be raised to a temperature (eg, 1300° C.). Thereafter, after maintaining for a certain period of time at the highest sintering temperature, microwave induction heating may be stopped, and the multilayer ceramic capacitor (MLCC) may be naturally cooled. At the highest sintering temperature, it is completely sintered from the inner electrode layer where heat is generated to the dielectric layer at the edge of the MLCC, which is the furthest away.
MLCC 칩이 정지된 상태에서는 마이크로파의 출력을 제어하여 가열 온도를 제어할 수 있다. 하지만, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 대량 소결 공정으로 수행해야 하는 경우에는, 도 10에 도시된 바와 같이, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 일렬로 연속 투입하여 유전체 공진기에 들어가면서 가열을 시작하고, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 이동시키면서 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 온도를 상온에서부터 유전체 소결 온도까지 고속으로 상승시키고, 유전체 공진기의 끝 부분에서는 온도 센서로 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 온도를 모니터하면서 정확하게 일정 온도를 유지할 수 있도록 마이크로파 출력을 제어하고, 적층 세라믹 커패시터(MLCC)가 유전체 공진기를 벗어나면서 자연 냉각되도록 할 수 있다.When the MLCC chip is stopped, the heating temperature can be controlled by controlling the output of the microwave. However, when the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is to be performed through a mass sintering process, as shown in FIG. 10 , the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is continuously input in a line to start heating while entering the dielectric resonator, While moving the capacitor (MLCC), the temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is rapidly increased from room temperature to the dielectric sintering temperature, and the temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is monitored with a temperature sensor at the end of the dielectric resonator while being precisely constant. The microwave output can be controlled to maintain the temperature, and the multilayer ceramic capacitor (MLCC) can be naturally cooled while leaving the dielectric resonator.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로파 유도 가열에 의한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 고속 동시소결 방법은, 기존의 고온 가열로(furnace)에서 18시간 이상 수행되면서 발생하는 유전체 환원, 전극 산화, 전극 연결 손실(discontinuity) 문제 등을 최소화시키고, 보다 높은 성능과 내구성을 가지는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 제조할 수 있다. 예를 들어, 전장용 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 마이크로파 유도가열 기술로 1분 이내에 소결 공정을 수행한 경우, 내부 전극층의 연결도(continuity)가 99% 이상으로 거의 완벽한 상태를 보였고, 외부 전극에 의한 정전용량(capacitance) 측정에서는 dissipation factor 값이 28% 수준으로 감소되는 성능향상을 보여주었다. 또한, 매우 짧은 시간 동안 적층 세라믹 커패시터(MLCC)만 고온 가열하기 때문에 기존 가열로(furnace)에 비해 훨씬 더 적은 에너지 사용만으로도 소결 공정을 수행할 수 있고, 장치가 차지하는 공간 또한 훨씬 작기 때문에 대형 공간을 확보해야 하는 기존 방식에 비해 관련 비용이 소모가 훨씬 적다.In the method for high-speed co-sintering of multilayer ceramic capacitors (MLCC) by microwave induction heating according to an embodiment of the present invention, dielectric reduction, electrode oxidation, and electrode connection loss occurring while being performed for 18 hours or more in an existing high-temperature furnace A multilayer ceramic capacitor (MLCC) having higher performance and durability may be manufactured by minimizing the (discontinuity) problem. For example, when the multilayer ceramic capacitor (MLCC) for electric use was sintered within 1 minute using microwave induction heating technology, the continuity of the inner electrode layer was 99% or more, which was almost perfect. In the capacitance measurement by the method, the dissipation factor value was reduced to the level of 28%, which showed an improvement in performance. In addition, since only the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is heated at a high temperature for a very short time, the sintering process can be performed using much less energy compared to the conventional furnace, and the space occupied by the device is much smaller, so a large space is saved. The cost involved is much lower than the existing method that must be secured.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, in the present invention, specific matters such as specific components, etc., and limited embodiments and drawings have been described, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all technical ideas with equivalent or equivalent modifications to the claims as well as the claims to be described later are included in the scope of the present invention. should be interpreted as
100: 마이크로파 유도가열 장치 110: 마이크로파 입력부
120: 마이크로파 커플러 130: 유전체 공진기
140: 마이크로파 차단용기 150: 온도 측정 포트
160: 온도 센서 170: 투명관100: microwave induction heating device 110: microwave input unit
120: microwave coupler 130: dielectric resonator
140: microwave shielding vessel 150: temperature measurement port
160: temperature sensor 170: transparent tube
Claims (15)
상기 마이크로파 유도가열 장치의 투명관에 하나 이상의 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 투입하는 단계;
상기 마이크로파 유도가열 장치의 투명관 내부를 저진공 상태 또는 비활성 가스 상태로 조성하는 단계;
상기 마이크로파 유도가열 장치를 이용하여 미리 결정된 가열 속도로 상온에서부터 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 유전체 소결 온도까지 고속 승온시키는 단계; 및
상기 유전체 소결 온도를 일정시간 동안 유지한 후, 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시키는 단계를 포함하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.A method for high-speed simultaneous sintering of a multilayer ceramic capacitor using a microwave induction heating device, the method comprising:
inserting one or more multilayer ceramic capacitors (MLCCs) into a transparent tube of the microwave induction heating device;
forming the inside of the transparent tube of the microwave induction heating device in a low vacuum state or an inert gas state;
high-speed heating from room temperature to a dielectric sintering temperature of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) at a predetermined heating rate using the microwave induction heating device; and
and naturally cooling the multilayer ceramic capacitor (MLCC) after maintaining the dielectric sintering temperature for a predetermined time.
상기 저진공 상태의 압력은 0.1 토르(Torr) 이하인 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1,
The high-speed simultaneous sintering method for multilayer ceramic capacitors, characterized in that the pressure in the low vacuum state is 0.1 Torr or less.
상기 가열 속도는 5℃/s 내지 200℃/s의 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1,
The high-speed co-sintering method for multilayer ceramic capacitors, characterized in that the heating rate is determined within the range of 5°C/s to 200°C/s.
상기 일정시간은, 1초에서부터 10분까지의 범위 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.The method of claim 1,
The predetermined time is selected from the range of 1 second to 10 minutes.
상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)의 내부 전극층 산화가 진행되는 온도 이상에서 머무르는 시간을 10분 이내로 하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1,
The method of high-speed co-sintering of the multilayer ceramic capacitor (MLCC), characterized in that the staying time above the temperature at which the internal electrode layer of the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is oxidized is within 10 minutes.
상기 유전체 소결 온도를 일정 시간 동안 유지한 후 미리 결정된 가열 속도로 최고 소결 온도까지 승온시키는 단계; 및
상기 최고 소결 온도에서 일정 시간 동안 유지한 후 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 자연 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1, wherein the natural cooling step,
maintaining the dielectric sintering temperature for a predetermined time and then raising the temperature to the highest sintering temperature at a predetermined heating rate; and
and naturally cooling the multilayer ceramic capacitor (MLCC) after maintaining it at the highest sintering temperature for a certain period of time.
상기 투명관을 이용하여 상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 이동시켜서 그 가열 부위가 상기 마이크로파 유도가열 장치의 유전체 공진기로부터 소정의 거리를 두고 위치하도록 로딩하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1, wherein the input step,
The method for high-speed simultaneous sintering of multilayer ceramic capacitors, characterized in that the multilayer ceramic capacitor (MLCC) is moved using the transparent tube and loaded so that the heating part is positioned at a predetermined distance from the dielectric resonator of the microwave induction heating device.
상기 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 상기 투명관에 일렬로 연속 투입하고, 상기 투입된 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 이동시키면서 소결하는 단계를 더 포함하는 적층 세라믹 커패시터 고속 동시소결 방법.According to claim 1,
and continuously inserting the multilayer ceramic capacitor (MLCC) into the transparent tube in a row, and sintering the multilayer ceramic capacitor (MLCC) while moving.
상기 마이크로파 입력부에 결합되어, 상기 마이크로파를 전달하는 마이크로파 커플러;
하나 이상의 전도성 소재를 삽입하기 위한 관통 홀을 마련하고, 상기 마이크로파 커플러로부터 전달받은 마이크로파를 기반으로 공진 모드의 전자기장 패턴을 생성하여 상기 전도성 소재를 유도가열하는 유전체 공진기;
상기 유전체 공진기를 감싸도록 배치되어, 상기 마이크로파의 외부 누설을 차단하는 마이크로파 차단 용기; 및
상기 유전체 공진기의 관통 홀에 배치된 전도성 소재의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 마이크로파 유도가열 장치.a microwave input unit receiving microwaves;
a microwave coupler coupled to the microwave input unit to transmit the microwave;
a dielectric resonator providing a through hole for inserting one or more conductive materials and generating an electromagnetic field pattern of a resonance mode based on the microwaves transmitted from the microwave coupler to inductively heat the conductive materials;
a microwave blocking container disposed to surround the dielectric resonator to block external leakage of the microwave; and
Microwave induction heating device including a temperature sensor for measuring the temperature of the conductive material disposed in the through hole of the dielectric resonator.
상기 마이크로파 차단용기의 일 영역에 배치되어, 상기 온도 센서에서 조사되는 적외선을 상기 전도성 소재 방향으로 가이드하는 온도 측정 포트를 더 포함하는 마이크로파 유도가열 장치.10. The method of claim 9,
The microwave induction heating device further comprising a temperature measuring port disposed in an area of the microwave blocking container and guiding the infrared rays irradiated from the temperature sensor in the direction of the conductive material.
상기 유전체 공진기의 관통 홀에 삽입되도록 형성되며, 상기 전도성 소재를 수용하기 위한 공간을 구비하는 투명관을 더 포함하는 마이크로파 유도가열 장치.10. The method of claim 9,
Microwave induction heating apparatus further comprising a transparent tube formed to be inserted into the through hole of the dielectric resonator, the transparent tube having a space for accommodating the conductive material.
상기 투명관은, MLCC 소결 대기 환경을 조성하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.12. The method of claim 11,
The transparent tube, microwave induction heating device, characterized in that to create an atmospheric environment for MLCC sintering.
상기 투명관은, 내열성이 우수한 쿼츠(quartz) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.12. The method of claim 11,
The transparent tube, microwave induction heating device, characterized in that formed of a quartz (quartz) material excellent in heat resistance.
상기 마이크로파 커플러와 상기 유전체 공진기 간의 결합 상수(coupling coefficient)에 기초하여, 상기 마이크로파 커플러와 상기 유전체 공진기 간의 이격 거리를 조절하여 상기 마이크로파 커플러에서 상기 유전체 공진기로 전달되는 마이크로파의 양을 조절하는 제어장치를 더 포함하는 마이크로파 유도가열 장치.10. The method of claim 9,
Based on a coupling coefficient between the microwave coupler and the dielectric resonator, by adjusting the separation distance between the microwave coupler and the dielectric resonator, a control device for controlling the amount of microwaves transmitted from the microwave coupler to the dielectric resonator Microwave induction heating device further comprising.
상기 제어장치는, 상기 마이크로파 차단장치와 상기 유전체 공진기 간의 이격 거리를 조절하여 상기 유전체 공진기의 공진 모드 시 마이크로파의 공진 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.15. The method of claim 14,
The control device, microwave induction heating device, characterized in that by adjusting the separation distance between the microwave blocking device and the dielectric resonator to adjust the resonance frequency of the microwave in the resonance mode of the dielectric resonator.
Priority Applications (2)
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