KR20220094816A - 적층형 커패시터 - Google Patents

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KR20220094816A
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남홍기
백승인
홍지수
장은하
전희선
박재성
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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 복수의 유전체층과 상기 유전체층을 사이에 두고 제1 방향으로 적층된 복수의 내부 전극을 포함하는 바디 및 상기 바디 외부에 형성되어 상기 내부 전극과 접속된 외부 전극을 포함하며, 상기 바디는 상기 복수의 내부 전극이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부와, 상기 제1 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 커버부 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 사이드 마진부를 포함하며, 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 상기 액티브부 중 상기 커버부에 인접한 액티브-커버 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A2라 할 때, 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족하는 적층형 커패시터를 제공한다.

Description

적층형 커패시터 {MULTILAYER CAPACITOR}
본 발명은 적층형 커패시터에 관한 것이다.
커패시터는 전기를 저장할 수 있는 소자로서 일반적으로 2개의 전극을 대향시켜 전압을 걸면 각 전극에 전기가 축적되는 것이다. 직류 전압을 인가한 경우에는 전기가 축전되면서 커패시터 내부에 전류가 흐르지만, 축적이 완료되면 전류가 흐르지 않게 된다. 한편, 교류 전압을 인가한 경우, 전극의 극성이 교변하면서 교류 전류가 흐르게 된다.
이러한 커패시터는 전극 간에 구비되는 절연체의 종류에 따라서, 알루미늄으로 전극을 구성하고 상기 알루미늄 전극 사이에 얇은 산화막을 구비하는 알루미늄 전해 커패시터, 전극 재료로 탄탈륨을 사용하는 탄탈륨 커패시터, 전극 사이에 티타늄 바륨과 같은 고유전율의 유전체를 사용하는 세라믹 커패시터, 전극 사이에 구비되는 유전체로 고유전율계 세라믹을 다층 구조로 사용하는 적층 세라믹 커패시터(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC), 전극 사이의 유전체로 폴리스티렌 필름을 사용하는 필름 커패시터 등 여러 종류로 구분될 수 있다.
이 중에서 적층 세라믹 커패시터는 온도 특성 및 주파수 특성이 우수하고 소형으로 구현 가능하다는 장점을 가지고 있어 최근 고주파 회로 등 다양한 분야에서 많이 응용되고 있다. 최근에는 적층 세라믹 커패시터를 더욱 작게 구현하기 위한 시도가 계속되고 있으며 이를 위해 유전체층과 내부 전극을 얇게 형성하고 있다. 그러나 부품이 소형화될수록 전기적, 구조적 신뢰성을 향상시키는데 어려움이 있다.
본 발명의 일 목적은 유전체층의 그레인 사이즈를 영역별로 조절함에 따라 내전압 특성, 정전 용량 특성 등과 같은 신뢰성이 향상된 적층형 커패시터를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 방법으로, 본 발명은 일 예를 통하여 적층형 커패시터의 신규한 구조를 제안하고자 하며, 구체적으로, 복수의 유전체층과 상기 유전체층을 사이에 두고 제1 방향으로 적층된 복수의 내부 전극을 포함하는 바디 및 상기 바디 외부에 형성되어 상기 내부 전극과 접속된 외부 전극을 포함하며, 상기 바디는 상기 복수의 내부 전극이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부와, 상기 제1 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 커버부 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 사이드 마진부를 포함하며, 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 상기 액티브부 중 상기 커버부에 인접한 액티브-커버 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A2라 할 때, 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족한다.
일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로, 상기 액티브부의 상기 제1 방향 길이를 TA라 하고, 상기 액티브부의 상기 제2 방향 길이를 WA라 할 때, A1은 상기 절단면 중 A1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 액티브부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭일 수 있다.
일 실시 예에서, A2는 상기 절단면 중 A2 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A2 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/6이며 상기 액티브부에서 상기 제1 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극과 접할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C1이라 하고, 상기 사이드 마진부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 M1이라 할 때, C1 < M1의 조건을 만족할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로, 상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때, C1은 상기 절단면 중 C1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/3이며, 상기 커버부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 사이드 마진부의 상기 제2 방향 길이를 WM라 할 때, M1은 상기 절단면 중 M1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 M1 직사각형은 가로의 길이가 WM/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 사이드 마진부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 커버부 중 상기 액티브부에 인접한 커버-액티브 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C2라 할 때, 0.9 < C2/M1 < 1.1의 조건을 만족할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때, C2는 상기 절단면 중 C2 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C2 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/6이며 상기 커버부에서 상기 제1 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극과 접할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유전체층은 티탄산바륨 성분을 포함하며, 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비는 상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작을 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 사이드 마진부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비는 상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작고 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 클 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 복수의 유전체층 중 적어도 하나는 평균 두께가 0.4μm 미만일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은,
복수의 유전체층과 상기 유전체층을 사이에 두고 제1 방향으로 적층된 복수의 내부 전극을 포함하는 바디 및 상기 바디 외부에 형성되어 상기 내부 전극과 접속된 외부 전극을 포함하며, 상기 바디는 상기 복수의 내부 전극이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부와, 상기 제1 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 커버부 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 사이드 마진부를 포함하며, 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 상기 액티브부 중 상기 사이드 마진부에 인접한 액티브-사이드 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A3라 할 때, 1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건을 만족하는 적층형 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 예에 따른 적층형 커패시터의 경우, 내전압 특성, 정전 용량 특성 등이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층형 커패시터의 외관을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 적층형 커패시터에서 I-I` 단면도이다.
도 3은 도 1의 적층형 커패시터에서 II-II` 단면도이며, 도 4는 도 3에서 바디 영역을 세분화 하여 나타낸 것이다.
도 5 내지 9는 바디의 각 영역 별로 유전체 그레인의 형태를 나타낸 것이다.
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, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층형 커패시터의 외관을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 적층형 커패시터에서 I-I` 단면도이다. 그리고 도 3은 도 1의 적층형 커패시터에서 II-II` 단면도이며, 도 4는 도 3에서 바디 영역을 세분화 하여 나타낸 것이다. 또한 도 5 내지 9는 바디의 각 영역 별로 유전체 그레인의 형태를 나타낸 것이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층형 커패시터(100)는 유전체층(111) 및 이를 사이에 두고 제1 방향(X 방향)으로 적층된 복수의 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110) 및 외부 전극(131, 132)을 포함하며, 바디(110)는 영역 별로 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈가 조절되어 있다.
바디(110)는 복수의 유전체층(111)이 제1 방향(X 방향)으로 적층된 적층 구조를 포함하며, 예컨대 복수의 그린 시트를 적층한 후 소결하여 얻어질 수 있다. 이러한 소결 공정에 의하여 복수의 유전체층(111)은 일체화된 형태를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 형태와 같이, 바디(110)는 직육면체와 유사한 형상을 가질 수 있다. 바디(110)에 포함된 유전체층(111)은 고유전율을 갖는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 BT계, 즉, 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹을 포함할 수 있지만, 충분한 정전 용량을 얻을 수 있는 한 당 기술 분야에서 알려진 다른 물질도 사용 가능할 것이다. 유전체층(111)에는 주성분인 이러한 세라믹 재료와 함께 필요한 경우, 첨가제, 유기용제, 가소제, 결합제 및 분산제 등이 더 포함될 수 있다. 여기서 첨가제의 경우, 금속 성분을 포함하며 이들은 제조 과정에서 금속 산화물 형태로 첨가될 수 있다. 이러한 금속 산화물 첨가제의 예로서, MnO2, Dy2O3, BaO, MgO, Al2O3, SiO2, Cr2O3 및 CaCO3 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
복수의 내부 전극(121, 122)은 세라믹 그린 시트의 일면에 소정의 두께로 도전성 금속을 포함하는 페이스트를 인쇄한 후 이를 소결하여 얻어질 수 있다. 이 경우, 복수의 내부 전극(121, 122)은 도 2에 도시된 형태와 같이, 바디(110)의 서로 대향하는 제3 방향(Z 방향)으로 노출된 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 포함할 수 있다. 여기서, 제3 방향(Z 방향)은 바디(110)의 액티브부(112)의 제1면(S1) 및 제2면(S2)가 서로 대향하는 방향을 제2 방향(Y 방향)이라 할 때 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)에 수직한 방향일 수 있다. 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 서로 다른 외부 전극(131, 132)과 연결되어 구동 시 서로 다른 극성을 가질 수 있으며, 이들 사이에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 다만, 외부 전극(131, 132)의 개수나 내부 전극(121, 122)과의 연결 방식은 실시 형태에 따라 달라질 수 있을 것이다. 내부 전극(121, 122)을 이루는 주요 구성 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등을 예로 들 수 있으며, 이들의 합금도 사용할 수 있을 것이다.
외부 전극(131, 132)은 바디(110)의 외부에 형성되며, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)과 각각 접속된 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 제3 방향(Z 방향)으로 대향하도록 배치될 수 있다. 외부 전극(131, 132)은 도전성 금속을 포함하는 물질을 페이스트로 제조한 후 이를 바디(110)에 도포하는 방법 등으로 형성될 수 있으며, 도전성 금속의 예로서, 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 금(Au) 또는 이들의 합금을 들 수 있다. 여기에 외부 전극(131, 132)은 추가로 Ni, Sn 등을 포함하는 도금층을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시 형태의 경우, 바디(110)는 복수의 내부 전극(121, 122)이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부(112), 제1 방향(X 방향)으로 액티브부(112)를 커버하는 커버부(114), 제2 방향(Y 방향)으로 액티브부(112)를 커버하는 사이드 마진부(113)를 포함할 수 있다. 여기서, 사이드 마진부(113)와 커버부(114)에 포함된 유전체층(111)은 액티브부(112)에 포함된 유전체층(111)과 다른 특성(예컨대, 그레인 사이즈, Ba/Ti 비율 등)을 가질 수 있으며, 이는 바디(110)의 영역 별로 내전압 특성 등에 영향을 미치는 요인들을 분석하여 설계된 것이다. 즉, 바디(110)는 영역별로 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈가 다른데 이는 내전압, 고온 신뢰성 등의 특성을 고려하여 조절된 것이다.
도 4를 참조하여 이를 구체적으로 설명하면, 도 4는 도 3에서 바디를 영역별로 세분화하여 나타낸 것이며 내부 전극은 도시하지 않았다. 본 실시 형태의 경우, 액티브부(112)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 액티브부(112) 중 커버부(114)에 인접한 액티브-커버 경계부에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 A2라 할 때, 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 바디(110)에서 액티브부(112)는 제1 방향(X 방향)으로 최외측에 배치된 내부 전극(121, 122) 사이에 해당하는 영역을, 커버부(114)는 최외측에 배치된 내부 전극(121, 122)과 접하는 영역부터 바디(110)의 표면까지의 영역으로 정의될 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족하는 경우, 정전 용량을 충분히 확보할 수 있으며, 내전압 특성도 향상될 수 있다. 이는 액티브부(112)와 액티브-커버 경계부에서 입성장 속도가 다르게 하여 액티브부(112)에서는 충분한 용량을 확보하는 한편, 액티브-커버 경계부에서는 상대적으로 미세화되고 균일화된 그레인을 통하여 내전압 특성이 향상되도록 하였다. 후술할 실험 결과에서 볼 수 있듯이, A1/A2이 1.49 이하인 경우와 비교하여 A1/A2이 1.49보다 큰 경우 정전 용량이나 내전압 신뢰성이 향상되는 결과를 나타낼 수 있으며, 다만, A1/A2이 커져서 2.50 이상의 수준이 되어 영역별로 그레인 사이즈의 편차가 지나치게 커지는 경우 정전 용량 특성 등이 저하될 수 있다.
이러한 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건과 별개로 액티브부(112) 중 사이드 마진부(113)에 인접한 액티브-사이드 경계부에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 A3라 할 때, 1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건을 만족한다. 후술할 실험 예에서 볼 수 있듯이, A1/A3이 1.14 미만인 경우와 비교하여 A1/A3이 1.14 이상인 경우 정전 용량이나 내전압 신뢰성이 향상되는 결과를 나타낼 수 있으며, 다만, A1/A3이 커져서 1.50 이상의 수준이 되어 영역별로 그레인 사이즈의 편차가 지나치게 커지는 경우 정전 용량 특성 등이 저하될 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는 액티브부(112)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 그레인들을 충분히 입성장 시킴으로써 평균 그레인 사이즈가 상대적으로 크도록 하였으며, 이로부터 정전 용량 특성이 향상될 수 있다. 이와 달리, 사이드 마진부(113)와 커버부(114)에서는 입성장이 상대적으로 억제되어 그레인 사이즈가 작다. 이 경우, 1.49 < A1/A2 < 2.50 조건과 1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건은 동시에 만족할 수도 있다.
도 4와 함께 도 5 내지 9를 함께 참조하면, 그레인 사이즈의 측정 방법 중 일 예로서, 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈는 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)으로 절단된 절단면, 즉, 제3 방향(Z 방향)에 수직한 바디(110)의 절단면을 기준으로 측정될 수 있다. 이 경우, 제3 방향(Z 방향)으로는 바디(110)의 중간에서 절단된 면을 이용할 수 있으며, 이렇게 절단된 면을 예컨대 SEM, TEM과 같은 전자현미경으로 촬영한 이미지를 이용하여 평균 그레인 사이즈를 얻을 수 있다.
우선, 액티브부(112)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈인 A1의 경우, 상기 절단면 중 A1 직사각형(RA1)에 존재하는 그레인들(G1)의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서, A1 직사각형(RA1)은 액티브(112)의 제1 방향(X 방향) 길이를 TA라 하고 액티브부(112)의 제2 방향(Y 방향) 길이를 WA라 할 때, 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 액티브부(112)에서 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)의 중심 라인들(L1, L2)을 기준으로 대칭일 수 있다. 그리고 액티브부(112) 중 커버부(114)에 인접한 액티브-커버 경계부에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈인 A2는 상기 절단면 중 A2 직사각형(RA2)에 존재하는 그레인들(G2)의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서 A2 직사각형(RA2)은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/6이며 액티브부(112)에서 제1 방향(X 방향)의 중심 라인(L1)을 기준으로 대칭이고 복수의 내부 전극(121, 122) 중 제1 방향(X 방향)으로 최외측에 배치된 것과 접할 수 있다. A3는 상기 절단면 중 A3 직사각형(RA3)에 존재하는 그레인들(G3)의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서, A3 직사각형(RA3)은 가로의 길이가 WA/4, 세로의 길이가 TA/3이며 액티브부(112)에서 제2 방향의 중심 라인(L2)을 기준으로 대칭이고 사이드 마진부(113)와 접할 수 있다. 그레인들(G1, G2, G3)의 사이즈를 측정할 경우, 그레인들(G1, G2, G3)의 면적을 측정하여 이를 원상당 직경으로 환산하는 방법, 장축과 단축 길이를 측정하여 평균을 내는 방법 등을 이용할 수 있다. 또한, 측정의 정확성을 높이기 위하여 상기 기준 직사각형들(RA1, RA2, RA3)에 전체 영역이 그레인 바운더리로 둘러싸인 그레인들(G1, G2, G3)만을 선택할 수 있다. 이러한 측정 방식은 다른 그레인들(G4, G6)에도 적용될 수 있다.
본 발명자들은 상술한 유전체층(111)의 영역 별 평균 그레인 사이즈 조건, 즉, 1.49 < A1/A2 < 2.5의 조건과 1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건 중 적어도 하나를 만족하는 경우 내전압 특성 등 적층형 커패시터의 신뢰성 기준이 될 수 있는 특성들이 향상되는 것을 알아내었으며, 액티브부(112) 중앙 영역, 액티브-커버 경계부, 액티브-사이드 경계부에서의 그레인 사이즈 관계가 이러한 특성에 영향을 미치는 중요한 파라미터임을 확인하였다. 이와 관련한 보다 상세한 사항들은 후술한다.
더욱 구체적인 그레인 사이즈 조건으로서, 커버부(114)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 C1이라 하고, 사이드 마진부(113)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 M1이라 할 때, C1 < M1의 조건을 만족할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에서는 사이드 마진부(113)의 중앙 영역보다 커버부(114)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈가 더 작은 구조를 채용하였으며 이를 통하여 커버부(114)의 내습 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다. 이 경우, 커버부(114) 중 액티브부(112)에 인접한 커버-액티브 경계부에서 유전체층(111)의 평균 그레인 사이즈를 C2라 할 때, 0.9 < C2/M1 < 1.1의 조건을 만족할 수 있다. 이는 사이드 마진부(113)의 중앙 영역과 커버부(114) 중 액티브부(112)에 인접한 커버-액티브 경계부에서 유전체층(111)의 미세 구조가 전체적으로 균일한 것을 의미한다.
C1, C2, M1의 측정 기준의 예로서, 우선, 커버부(114)의 제1 방향(X 방향) 길이를 TC라 할 때, C1은 상기 절단면 중 C1 직사각형(RC1)에 존재하는 그레인들(G4)의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서, C1 직사각형(RC1)은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/3이며, 커버부(114)에서 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인(L1, L3)을 기준으로 대칭일 수 있다. 또한, 사이드 마진부(113)의 제2 방향(Y 방향) 길이를 WM라 할 때, M1은 상기 절단면 중 M1 직사각형(RM1)에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서, M1 직사각형(RM1)은 가로의 길이가 WM/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 사이드 마진부(113)에서 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인(L1, L4)을 기준으로 대칭일 수 있다. 또한, C2는 상기 절단면 중 C2 직사각형(RC2)에 존재하는 그레인들(G6)의 평균 사이즈일 수 있으며, 여기서, C2 직사각형(RC2)은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/6이며 커버부(114)에서 제1 방향의 중심 라인(L1)을 기준으로 대칭이고 복수의 내부 전극(121, 122) 중 제1 방향(X 방향)으로 최외측에 배치된 것과 접할 수 있다. 이 경우, M1과 C2는 유사한 수준일 수 있으며, M1 직사각형(RM1)에 존재하는 그레인들은 C2 직사각형(RC2)의 그레인들(G6)과 크기가 유사할 수 있다. 다만, M1과 C2는 유사한 수준으로서 반드시 동일할 필요는 없으며 도 9에 도시된 것과 같이 G5와 G6가 서로 동일한 형태일 필요도 없을 것이다.
상술한 유전체 그레인 사이즈 조건을 구현하기 위하여, 다음의 방법을 일 예로 사용할 수 있다. 즉, 바디(110)를 형성하기 위하여 세라믹 분말, 바인더, 용제 등을 혼합하여 세라믹 그린 시트를 제조하는 경우, 액티브부(112), 사이드 마진부(113), 커버부(114)에서 세라믹 입자의 입도 분포, 바인더 함량, Ba/Ti 값(즉, Ti 대비 Ba의 몰비) 등을 조절하는 방법을 이용할 수 있다. 액티브부(112) 형성용 시트보다 사이드 마진부(113)와 커버부(114) 형성용 시트에서 바인더의 함량 비율을 낮게 하는 경우, 또는 Ba/Ti 값을 크게 하는 경우에는 소성 시 사이드 마진부(113)와 커버부(114) 형성용 시트에서 먼저 수축이 일어난다. 이 경우, 사이드 마진부(113)와 커버부(114)의 수축 속도는 경계부보다 중앙 영역에서 더 빠르며, 이와 달리 액티브부(112)에서는 중앙 영역보다 경계부에서 더 빠를 수 있다. 이에 따라 사이드 마진부(113)와 커버부(114)의 유전체층(111)에서 그레인 사이즈가 상대적으로 작아지게 된다. 소성 공정 후 액티브부(112), 사이드 마진부(113), 커버부(114)에서 바인더는 거의 검출되지 않기 때문에 함량을 비교할 수는 없지만, Ba/Ti 값 조건은 제조 공정 시와 같을 수 있다. 즉, 액티브부(112)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 Ti 대비 Ba의 몰비는 커버부(114)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작을 수 있다. 또한, 사이드 마진부(113)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 Ti 대비 Ba의 몰비는 커버부(114)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작고 액티브부(112)의 중앙 영역에서 유전체층(111)의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 클 수 있다.
한편, 세라믹 입자의 입도 분포도 소성 후 액티브부(112), 사이드 마진부(113), 커버부(114)에서 유전체층(111)의 그레인 사이즈에 영향을 미칠 수 있지만 본 발명자의 연구에 따르면 바인더 함량이나 Ba/Ti 값보다 영향을 적게 주었다. 따라서, 본 실시 형태의 상술한 그레인 사이즈 조건을 얻기 위하여 사이드 마진부(113)나 커버부(114) 형성용 시트에 액티브부(112) 형성용 시트보다 더 작은 입도를 갖는 세라믹 입자를 사용하여야 하는 것은 아니라 할 것이다.
또한, 본 실시 형태의 경우, 복수의 유전체층(111) 중 적어도 하나는 평균 두께가 0.4μm 미만일 수 있다. 유전체층(111)의 두께는 상기 절단면의 이미지를 통하여 측정할 수 있으며 등간격으로 다수의 지점(예컨대, 10개)에서 측정된 두께들의 평균 값을 계산하여 평균 두께를 얻을 수 있다. 유전체층(111)의 두께가 0.4μm 미만으로서 박막으로 구현되는 경우 적층형 커패시터(100)의 크기를 줄이고 용량을 향상시키는데 적합하지만, 유전체층(111)의 내전압 특성이 저하될 가능성이 있다. 그러나, 본 실시 형태에서 제안하는 상술한 그레인 사이즈 조건을 만족하는 경우 각 영역별로 그레인 사이즈가 조절됨으로써 우수한 수준의 내전압 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 액티브부, 사이드 마진부, 커버부에서 평균 그레인 사이즈를 다르게 샘플들을 제작하여 각 영역에서 평균 그레인 사이즈 및 그 비율을 측정하였고, 샘플 별로 용량과 브레이크다운 전압(Breakdown Voltage, BV) 실험을 하였다. 표 1에 실험 결과를 나타냈으며, 그레인 사이즈의 단위는 nm이다. 샘플 중 1, 2번은 본 발명의 실시 예에 해당하며, 3번-11번은 A1/A2 조건과 A1/A3 조건 중 어느 것도 만족하지 않는 비교 예에 해당한다.
샘플
번호		 A1 A2 A3 M1 C2 A1/A2 A1/A3 C2/M1 용량
(μF)		 BV
(V)
1 343.62 225.4 300.5 196.8 205.6 1.52 1.14 1.04 4.87 68
2 311.06 191.1 256.9 172.1 183.9 1.63 1.21 1.07 4.72 65
3* 251.87 204.6 241.2 198.3 222.0 1.23 1.04 1.12 4.02 65
4* 251.17 194.9 227.6 213.0 209.6 1.29 1.10 0.98 4.15 63
5* 329.51 257.8 301.9 244.1 208.8 1.28 1.09 0.86 4.5 59
6* 326.55 261.0 321.4 248.5 240.0 1.25 1.02 0.97 4.7 59
7* 343.48 282.9 334.0 258.2 235.9 1.21 1.03 0.91 4.47 58
8* 379.78 255.9 340.5 201.2 212.0 1.48 1.12 1.05 4.36 55
9* 355.02 255.1 322.2 191.1 200.4 1.39 1.10 1.05 4.54 54
10* 328.36 220.7 302.6 175.1 187.9 1.49 1.09 1.07 4.68 53
11* 338.10 116.2 339.8 225.1 102.2 2.91 0.99 0.45 2.19 62
*: 비교 예
위 실험 결과에 따르면, 1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족하는 경우, 정전 용량이 4.7μF을 초과하는 수준으로 높으며 이와 함께 내전압 특성도 상대적으로 우수하였다. 또한, 1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건을 만족하는 경우에도 마찬가지로 정전 용량과 내전압 특성이 우수하였다. 이는 액티브부에서 유전체층의 입성장이 충분히 이루어져서 정전 용량이 충분히 확보되면서도 커버부나 사이드 마진부에서는 유전체층이 상대적으로 치밀하면서 그레인 사이즈가 균일한 구조를 가지게 됨에 따라 신뢰성이 향상되기 때문으로 볼 수 있다. 이러한 조건에 더하여, 0.9 < C2/M1 < 1.1을 만족하여 커버-액티브 경계부과 사이드 마진부에서 그레인 사이즈의 차이가 크지 않은 경우 정전 용량과 내전압 특성 면에서 유리하였다. 여기서, C1에 대한 결과 값을 제시하지 않았지만 본 발명의 실시 예에서는 C1 < M1의 조건을 만족하였으며, 이는 사이드 마진부 중앙 영역에서 커버부 중앙 영역보다 유전체층의 평균 그레인 사이즈가 큰 것을 의미한다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
100: 적층형 커패시터
110: 바디
111: 유전체층
112: 액티브부
113: 사이드 마진부
114: 커버부
121, 122: 내부 전극
131, 132: 외부전극

Claims (20)

  1. 복수의 유전체층과 상기 유전체층을 사이에 두고 제1 방향으로 적층된 복수의 내부 전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디 외부에 형성되어 상기 내부 전극과 접속된 외부 전극;을 포함하며,
    상기 바디는 상기 복수의 내부 전극이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부와, 상기 제1 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 커버부 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 사이드 마진부를 포함하며,
    상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 상기 액티브부 중 상기 커버부에 인접한 액티브-커버 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A2라 할 때,
    1.49 < A1/A2 < 2.50의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로,
    상기 액티브부의 상기 제1 방향 길이를 TA라 하고,
    상기 액티브부의 상기 제2 방향 길이를 WA라 할 때,
    A1은 상기 절단면 중 A1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 액티브부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    A2는 상기 절단면 중 A2 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A2 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/6이며 상기 액티브부에서 상기 제1 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극과 접하는 적층형 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C1이라 하고,
    상기 사이드 마진부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 M1이라 할 때,
    C1 < M1의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로,
    상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때,
    C1은 상기 절단면 중 C1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/3이며, 상기 커버부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 사이드 마진부의 상기 제2 방향 길이를 WM라 할 때,
    M1은 상기 절단면 중 M1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 M1 직사각형은 가로의 길이가 WM/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 사이드 마진부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 커버부 중 상기 액티브부에 인접한 커버-액티브 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C2라 할 때,
    0.9 < C2/M1 < 1.1의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때,
    C2는 상기 절단면 중 C2 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C2 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/6이며 상기 커버부에서 상기 제1 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극과 접하는 적층형 커패시터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 티탄산바륨 성분을 포함하며,
    상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비는 상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작은 적층형 커패시터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 사이드 마진부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비는 상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 작고 상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 Ti 대비 Ba의 몰비보다 큰 적층형 커패시터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층 중 적어도 하나는 평균 두께가 0.4μm 미만인 적층형 커패시터.
  12. 복수의 유전체층과 상기 유전체층을 사이에 두고 제1 방향으로 적층된 복수의 내부 전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디 외부에 형성되어 상기 내부 전극과 접속된 외부 전극;을 포함하며,
    상기 바디는 상기 복수의 내부 전극이 위치하여 정전 용량을 형성하며 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극들 사이에 해당하는 영역인 액티브부와, 상기 제1 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 커버부 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 상기 액티브부를 커버하는 사이드 마진부를 포함하며,
    상기 액티브부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A1이라 하고, 상기 액티브부 중 상기 사이드 마진부에 인접한 액티브-사이드 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 A3라 할 때,
    1.14 ≤ A1/A3 < 1.50의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로,
    상기 액티브부의 상기 제1 방향 길이를 TA라 하고,
    상기 액티브부의 상기 제2 방향 길이를 WA라 할 때,
    A1은 상기 절단면 중 A1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 액티브부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  14. 제13항에 있어서,
    A3는 상기 절단면 중 A3 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 A3 직사각형은 가로의 길이가 WA/4, 세로의 길이가 TA/3이며 상기 액티브부에서 상기 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 사이드 마진부와 접하는 적층형 커패시터.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 커버부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C1이라 하고,
    상기 사이드 마진부의 중앙 영역에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 M1이라 할 때,
    C1 < M1의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향에 수직한 방향을 제3 방향이라 할 때 상기 제3 방향에 수직한 상기 바디의 절단면을 기준으로,
    상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때,
    C1은 상기 절단면 중 C1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C1 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/3이며, 상기 커버부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 사이드 마진부의 상기 제2 방향 길이를 WM라 할 때,
    M1은 상기 절단면 중 M1 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 M1 직사각형은 가로의 길이가 WM/3, 세로의 길이가 TA/3이며, 상기 사이드 마진부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭인 적층형 커패시터.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 커버부 중 상기 액티브부에 인접한 커버-액티브 경계부에서 상기 유전체층의 평균 그레인 사이즈를 C2라 할 때,
    0.9 < C2/M1 < 1.1의 조건을 만족하는 적층형 커패시터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 커버부의 상기 제1 방향 길이를 TC라 할 때,
    C2는 상기 절단면 중 C2 직사각형에 존재하는 그레인들의 평균 사이즈이고, 상기 C2 직사각형은 가로의 길이가 WA/3, 세로의 길이가 TC/6이며 상기 커버부에서 상기 제1 방향의 중심 라인을 기준으로 대칭이고 상기 복수의 내부 전극 중 상기 제1 방향으로 최외측에 배치된 내부 전극과 접하는 적층형 커패시터.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 유전체층 중 적어도 하나는 평균 두께가 0.4μm 미만인 적층형 커패시터.
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