KR20230005935A - 저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 모바일용 리어 커버 - Google Patents

저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 모바일용 리어 커버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 리어 커버에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물은, 안정화 지르코니아 및 지르코늄 실리케이트를 포함하며, 안정화 지르코니아는 20 내지 60 중량 퍼센트로 포함되고, 지르코늄 실리케이트는 40 내지 80 중량 퍼센트로 포함 수 있다.
이에 따라, 높은 강도 특성과 낮은 유전 특성을 가질 수 있다.

Description

저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 모바일용 리어 커버
본 발명은 저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 모바일용 리어 커버에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지르코니아(Zirconia, ZrO2)에 지르코늄 실리케이트(Zirconium silicate, ZrSiO4)를 첨가하여 높은 강도 특성과 낮은 유전 특성을 갖는 세라믹 조성물 및 이를 이용한 모바일용 리어 커버에 관한 것이다.
통신기술이 4세대에서 다음 세대 (5, 6세대)로 발전하면서, 많은 양의 데이터를 송수신하기 위해 고주파 또는 초고주파가 사용되고 있다. 현재 사용되는 주파수는 sub6 (4.5GHz)에서 점차 28, 40GHz로 변화하고 있으며, 향후 100GHz이상의 초고주파가 사용될 것으로 예상된다.
한편, 현재 모바일 단말기의 리어 커버(rear cover)로는 이온 강화 유리가 쓰이고 있으며, 이보다 더 강도가 높은 소재로 세라믹이 검토되고 있다. 그러나 세라믹 소재는 이온 강화 유리에 비해 강도는 아주 우수하나 유전율이 높기 때문에 수신되는 신호가 손실되거나 왜곡될 수 있는 문제점이 있다.
모바일 단말기의 리어 커버로 사용 가능하기 위하여 요구되는 기준 특성은 3점 굴곡 강도 700MPa 내지 800MPa 이상, 유전율 15, 신호 손실 -4dB 이하 정도로 규정할 수 있다.
현재 사용되고 있는 지르코니아(ZrO2) 세라믹 소재는, 굴곡 강도는 1000MPa 이상으로 우수하지만, 유전율은 28~32이며, 신호 손실은 -9~10dB 정도의 특성을 갖는다. 따라서 종래의 지르코니아(ZrO2) 세라믹 소재는 유전율이 높고 이에 따라 신호 손실이 크기 때문에, 모바일 단말기의 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재로 사용되면, 수신되는 신호가 손실되거나 심하게 왜곡될 수 있다. 따라서 모바일용 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재로 활용되기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 지르코니아(ZrO2) 세라믹 소재의 높은 유전율을 감소시키기 위하여, 지르코니아(ZrO2) 세라믹 소재에 실리카(silica, SiO2)를 혼합하여 소결한 조성물이 활용되기도 한다. 실리카는 3.9 정도의 유전율을 갖는다.
하기의 표 1은 지르코니아(ZrO2)에 실리카(SiO2)를 혼합한 조성물의 조성 비율(중량 퍼센트, wt%)에 따른 굴곡 강도(Flexural strength), 유전율(permittivity) 및 신호손실(Signal loss)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
구분 ZrO2 (wt%) SiO2 (wt%) 굴곡 강도 (MPa) 유전율 신호손실 (dB)
혼합물 92 8 620 18.4245 -4.7241
84 16 535 14.8083 -3.5938
76 24 477 12.3654 -3.59
36 64 150 -4.64 -1
20 80 미소성으로측정불가 -4.36 -1
표 1을 참조하면, 실리카(SiO2)의 혼합 비율이 커질수록 유전율이 감소하므로, 유전 특성이 개선되고, 이에 따라 신호손실 크기가 감소한다. 다만, 이에 따라 굴곡 강도가 감소하는데, 실리카의 혼합 비율이 16% 이상이 되는 경우, 굴곡 강도는 550 MPa 이하로 감소한다. 즉, 굴곡 강도가 지나치게 낮아지므로, 모바일 단말기의 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재로 활용되기 어렵다는 문제점이 있다.
도 1은 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)가 함유된 혼합 조성물의 SEM 영상을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)의 혼합 비율이 중량 퍼센트 기준으로 76 : 24 인 경우, 세라믹 내에 많은 기공(C)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 따라서 강도가 낮은 실리카(SiO2) 및 많은 수의 기공에 의해 세라믹 조성물의 굴곡 강도가 크게 저하되는 것임을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 지르코니아(ZrO2)에 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 첨가하여 높은 강도 특성과 낮은 유전 특성을 갖는 세라믹 조성물 및 이를 이용한 리어 커버를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물은, 안정화 지르코니아 및 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 포함하며, 안정화 지르코니아는 20 내지 60 중량 퍼센트 (weight %)로 포함되고, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 40 내지 80 중량 퍼센트 (weight %)로 포함될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 굴곡 강도(Flexural strength)는 700MPa 내지 1000MPa일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 유전율은 10 내지 15일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 안정화 지르코니아는 2 내지 5 몰 퍼센트(mol%)의 안정화제를 함유할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 안정화제는 이트리아(Yttria, Y2O3)일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 세라믹 조성물 전체 중량 대비 0.5 내지 2.5 중량 퍼센트(weight %)의 산화 알루미늄(Al2O3)을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)를 공침법(Co-precipitation) 또는 고상 반응법(Solid-reaction)을 이용하여 합성될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 평균 입자 크기가 0.5㎛ 내지 1㎛일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 리어 커버는, 상기 세라믹 조성물을 가공하여 형성될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저유전 고강도 세라믹 조성물 및 이를 이용한 리어 커버는, 지르코니아(ZrO2)에 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 첨가하여 강도를 높이고, 신호 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)가 함유된 혼합물의 SEM 영상을 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서 지르코니아(ZrO2)와 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 혼합비율에 따른 SEM 영상을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2b 내지 도2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 혼합 비율에 따른 XRD 데이터 플롯을 나타낸 것이다.
도 4는 도 2a 내지 도 2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4) 혼합 비율에 따른 굴곡 강도를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 2a 내지 도 2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4) 혼합 비율에 따른 유전율과 신호 손실을 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물은 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia)에 저유전 단일 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로 저유전 단일 화합물인 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 포함할 수 있다.
안정화 지르코니아는 지르코니아(ZrO2)에 안정화제를 첨가하여 제조한 것이다. 순수 지르코니아(ZrO2)는 1100℃ 부근에서 결정 형태가 정방정(tetragonal phase)에서 단사정(monoclinic phase)으로 변하며 급격한 용적 변화가 일어나 세라믹스에 균열이 생겨 자기 파괴가 일어나기 때문에 치밀한 세라믹 소재를 만들 수 없다. 따라서, 이러한 용적 변화가 일어나지 않도록 안정화제를 첨가하여 제조한 안정화 지르코니아를 사용할 수 있다.
안정화 지르코니아는 실온에서 고온까지 결정형태의 변화 없이 거의 직선적인 열팽창을 나타내므로, 치밀한 소결체를 제조할 수 있다. 또한 안정화 지르코니아는 굴곡 강도가 매우 높은 특성을 갖는다.
지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 뛰어난 열적, 기계적, 화학적 특성을 지닌 재료로써, 그 소결체가 내화 재료, 전자기 재료 및 각종 화학기기에 사용되고 있다. 지르코늄 실리케이트는 1MHz의 주파수에서 유전율이 8.8이고, 굴곡 강도가 450MPa 정도인 특성을 가진다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 안정화 지르코니아는 20 내지 60 중량 퍼센트(weight %)로 포함되고, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 40 내지 80 중량 퍼센트(weight %)로 포함될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 세라믹 조성물에서, 안정화 지르코니아는 40 내지 60 중량 퍼센트(weight %)로 포함되고, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 40 내지 60 중량 퍼센트(weight %)로 포함될 수 있다.
안정화 지르코니아의 함량이 20 중량 퍼센트 미만이면, 본 발명의 세라믹 조성물의 굴곡 강도가 지나치게 낮아져 모바일용 리어 커버로 활용 시 쉽게 부서질 위험이 있다.
반대로 안정화 지르코니아의 함량이 60 중량 퍼센트를 초과하면 세라믹 조성물에 의한 신호손실이 커져 모바일용 리어 커버로 활용 시 모바일 기기의 전파 수신 능력이 떨어진다.
마찬가지로, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량이 40 중량 퍼센트 미만이면, 세라믹 조성물에 의한 신호손실이 커지고, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량이 80 중량 퍼센트 이상이면 세라믹 조성물의 굴곡 강도가 지나치게 낮아진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 세라믹 조성물의 유전율은 10 내지 15일 수 있다.
유전율이 15 이상이면, 이에 따른 신호 손실이 지나치게 커지므로, 모바일용 리어 커버로 활용 시 모바일 기기의 전파 수신 능력이 떨어진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 세라믹 조성물의 굴곡 강도는 700MPa 내지 1000MPa일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 세라믹 조성물에서, 세라믹 조성물의 굴곡 강도는 800MPa 내지 1000MPa일 수 있다.
본 발명의 세라믹 조성물은 지르코니아(ZrO2)와 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 상기와 같은 비율로 혼합하고 소결(sintering)하여, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)와 같은 저유전 단일 화합물이 지르코니아(ZrO2)의 입내(grain interior) 및 입계(grain boundary)에 위치하도록 한다. 이에 따라 저유전 특성 및 고강도 특성을 갖는 세라믹 조성물을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 안정화 지르코니아는 안정화제로써 이트리아(Yttria, Y2O3)를 포함할 수 있다. 다만, 안정화제는 산화 칼슘(CaO), 산화 마그네슘(MgO) 또는 희토류의 산화물일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
안정화 지르코니아는 2 내지 5몰 퍼센트(mol%)의 안정화제를 함유할 수 있다. 바람직하게는, 안정화 지르코니아는 3몰 퍼센트의 안정화제가 함유된 것일 수 있다.
이트리아(Y2O3)의 함량이 2몰 퍼센트 미만이면, 지르코니아(ZrO2)에 단사정의 결정상을 갖게 하여 굴곡 강도가 저하된다.
반대로, 이트리아(Y2O3)의 함량이 5몰 퍼센트를 초과하면, 이트리아(Y2O3)의 난 소결 특성으로 인해 소결 시 치밀화가 어려워, 세라믹 조성물의 파괴 인성 (fracture toughness)을 감소시킨다.
지르코니아(ZrO2)에 이트리아(Y2O3)가 첨가되면, 정방정상이 안정한 조건에서 소결하여 모든 입자들이 정방정상으로 되어 있는 안정화된 지르코니아 결정체를 얻을 수 있다. 이러한 안정화된 지르코니아는 1000 MPa 이상의 고강도 특성을 가질 수 있다.
지르코니아(ZrO2)에 안정화제 3몰 퍼센트가 포함되는 경우에는 지르코니아(ZrO2)의 소성온도가 1450℃ 이하가 될 수 있다. 지르코니아(ZrO2)에 안정화제가 많이 첨가될수록 지르코니아(ZrO2)의 소성온도가 상승할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물은, 세라믹 조성물 전체 중량 대비 0.5 내지 2.5 중량 퍼센트(weight %)의 산화 알루미늄(Al2O3)을 더 포함할 수 있다.
산화 알루미늄은 약 9.4 정도의 유전율을 갖는다. 따라서 산화 알루미늄이 0.5 내지 2.5 중량 퍼센트 범위 내인 경우, 세라믹 조성물의 유전율을 감소시킬 수 있다. 또한, 산화 알루미늄의 첨가로 인하여, 세라믹 조성물의 강도를 더 향상시킬 수 있게 된다.
이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는, 상온(25℃) 내지 400℃의 온도범위에서 장시간 노출되면 정방정상(tetragonal phase)에서 단사정상 (monoclinic phase)으로 상 전이가 일어난다. 이에 따라 균열이 발생하여 강도나 내열 충격성과 같은 특성이 저하되는 저온 열화 현상이 발생한다. 지르코니아(ZrO2)에 산화 알루미늄이 포함되는 경우, 이러한 저온 열화 현상 및 강도 저하를 방지할 수 있다.
산화 알루미늄이 지르코니아(ZrO2)에 첨가되면, 산화 알루미늄이 결함 크기(flaw size)를 극소화시키고, 지르코니아(ZrO2)의 입자 성장을 억제하므로, 지르코니아 알루미나 복합체는 지르코니아(ZrO2)보다 훨씬 높은 강도를 가질 수 있다.
지르코니아(ZrO2)의 강도는 입자 크기에 반비례하므로, 지르코니아(ZrO2)에 첨가된 산화 알루미늄은 소결 시 지르코니아(ZrO2) 입자 성장을 억제하여, 정방정 지르코니아(ZrO2)의 강도를 향상시키는 효과가 있다.
또한 산화 알루미늄이 첨가되는 경우, 지르코니아의 인성(toughness)이 향상되는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 평균 입자 크기가 0.5㎛ 내지 1㎛일 수 있다.
지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 평균 입자 크기가 작을수록 크랙 전파 경로를 늘림으로써 세라믹 조성물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만이면, 소결 시 소결성이 저하되어 적합한 조성물을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
반대로, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 평균 입자 크기가 1㎛를 초과하면, 소결 시 부피 팽창으로 인하여 소결체가 균열될 수 있는 위험이 있으며, 조성물의 굴곡 강도가 저하되는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)를 공침법(Co-precipitation) 또는 고상 반응법(Solid-reaction)으로 합성하여 얻어질 수 있다.
고상 반응법을 사용하는 경우, 지르코늄(Zr) 성분을 포함하는 산화물인 지르코니아(ZrO2) 분말, 실리콘(Si) 성분을 포함하는 산화물인 실리카(SiO2) 분말을 몰비에 맞게 원료로 준비한다. 준비된 원료를 볼(ball) 및 용매와 함께 밀링(milling) 기기에 넣고 기계적으로 혼합 및 분쇄하면서 산화물 간에 고상 반응을 일으킨다. 이 후, 분쇄된 결과물을 하소(calcination)하여 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4) 분말을 제조할 수 있다.
공침법을 사용하여 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 합성하는 방법은, 관련 기술 분야에서 널리 활용되는 것으로, 구체적인 설명을 생략한다.
다만, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 sol-gel 방법, thermal spray 방법 또는 spray pyrolysis 방법 등에 의해서도 얻어질 수 있으며, 이러한 방법에 국한되지 않는다.
도 2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물에서 지르코니아(ZrO2)와 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 혼합비율에 따른 SEM 영상을 나타낸 것이며, 도 3은 도 2b 내지 도2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 혼합 비율에 따른 XRD 데이터 플롯을 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2e의 SEM 영상을 참조하면, 본 발명의 세라믹 조성물은, 지르코니아(A)와 지르코늄 실리케이트(B)를 포함한다. 지르코늄 실리케이트(B)는 지르코니아(A)의 입계 및 입내에 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다.
지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 녹는점이 2550 ℃ 정도이다. 본 발명에서 세라믹 조성물을 형성하기 위한 열처리 온도는 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 녹는점 보다 일정 온도 이상 낮은 온도이므로, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 지르코니아(ZrO2)와 실리카(SiO2)로 열분해되는 것이 아니라 대부분 그 자체로 소결된다.
따라서, 도 2a 내지 도 2e의 SEM 영상에서와 같이, 본 발명의 세라믹 조성물에는, 실리카(SiO2)는 거의 존재하지 않으며, 지르코니아(ZrO2) 및 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)만 존재하는 것을 확인할 수 있다.
하기의 표 2 내지 표 5는 도 2b 내지 도 2e의 지르코늄 실리케이트 (ZrSiO4)의 혼합 비율에 따른 XRD 데이터를 나타낸 것이다. 표에서 함량 비율의 단위는 중량 퍼센트이다.
- 함량 비율 (ZrSiO4 : ZrO2 = 4 : 6)
상 구조 Space group 상분율(%)
ZrSiO4 Tetragonal I 41/a m d 41.4
ZrO1.99 Tetragonal P 42/n m c 56.9
SiO2 Hexagonal P 31 2 1 1.7
- 함량 비율 (ZrSiO4 : ZrO2 = 6 : 4)
상 구조 Space group 상분율(%)
ZrSiO4 Tetragonal I 41/a m d 65.9
ZrO1.99 Tetragonal P 42/n m c 34.1
- 함량 비율 (ZrSiO4 : ZrO2 = 8 : 2)
상 구조 Space group 상분율(%)
ZrSiO4 Tetragonal I 41/a m d 76.7
ZrO2 Tetragonal P 42/n m c 21.8
ZrO2 Monoclinic P 1 21/c 1 1.5
- 함량 비율 (ZrSiO4 : ZrO2 = 9 : 1)
상 구조 Space group 상분율(%)
ZrSiO4 Tetragonal I 41/a m d 89.7
ZrO2 Tetragonal P 42/n m c 7.7
ZrO2 Monoclinic P 1 21/c 1 2.5
표 2 내지 표 5를 도 3과 함께 참조하면, 지르코니아(ZrO2)와 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 포함하는 세라믹 조성물에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)는 모두 정방정상으로 존재한다.
한편, 지르코니아(ZrO2)는 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 80 중량 퍼센트 미만인 경우에는 정방정상으로 존재한다. 그러나, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 80 중량 퍼센트 이상인 경우에는, 일부가 단사정상으로 존재하는 것을 확인할 수 있다.
하기의 표 6은 안정화 지르코니아에 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 혼합한 조성물의 조성 비율(중량 퍼센트, wt%)에 따른 굴곡 강도, 유전율 및 신호손실을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
표 6에서 안정화 지르코니아는 3몰 퍼센트의 이트리아(Y2O3)가 함유된 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ)를 사용하였다.
구분 ZrSiO4 3YSZ 굴곡강도 신호 손실 (Db) 유전율
Ref. 0 100 1280 -9.000 28.380
저유전고강도세라믹 40 60 1000.8 -4.360 15.405
60 40 802.8 -3.038 13.095
80 20 703.6 -2.234 10.704
90 10 650.9 -1.938 9.848
표 6을 참조하면, 지르코니아(ZrO2)와 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 포함하는 세라믹 조성물에서, 지르코니아(ZrO2)의 함량 비율이 낮아지고 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 커질수록, 굴곡 강도의 크기가 작아지고, 유전율이 작아지며, 신호 손실의 크기가 작아진다.
표에서, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량이 0 중량 퍼센트인 경우, 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ)의 굴곡 강도는 1280MPa로 매우 우수하나, 유전율이 28 이상으로 신호 손실이 -9dB에 이른다. 따라서 이러한 고유전 특성으로 인하여 모바일용 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재로 활용할 수 없게 된다.
한편, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량이 90 중량 퍼센트인 경우, 유전율은 약 9.8 이고 신호 손실이 약 - 1.9 이므로 우수한 특성을 갖는다. 그러나 굴곡 강도가 약 650MPa으로 강도 특성이 부적합하여, 모바일용 리어 커버로 활용할 수 없게 된다.
도 4는 도 2a 내지 도 2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4) 혼합 비율에 따른 굴곡 강도를 도시한 그래프이다.
표 2에서 나타낸 바와 같이, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 증가할 수록, 굴곡 강도는 감소하며, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 80 중량 퍼센트 이상이면 굴곡 강도는 700MPa 이하로 떨어지므로, 모바일용 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재 활용할 수 없게 된다.
도 5는 도 2a 내지 도 2e의 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4) 혼합 비율에 따른 유전율과 신호 손실을 도시한 그래프이다.
표 2에서 나타낸 바와 같이, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 증가할 수록, 유전율이 감소하며 신호 손실의 크기도 작아진다, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)의 함량 비율이 40 중량 퍼센트 이하이면 유전율이 15 이상이고 신호 손실의 크기가 4 dB 보다 더 커지므로, 모바일용 리어 커버 또는 전자기기 외관용 부품 소재로 활용할 수 없게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물을 가공하여 모바일용 리어 커버, 측면 커버 또는 외관용 부품을 형성할 수 있다. 이러한 모바일용 리어 커버, 측면 커버 또는 외관용 부품은 충분한 굴곡 강도를 가지면서, 고주파 또는 초고주파 환경에서 신호 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 조성물은, 우수한 신호 손실 특성 및 열적 특성을 가지므로, ADAS 기판 소재, 각종 LTCC(Low Temperature Co-firing Ceramics) 기판 소재 등과 같은 응용 분야에도 활용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (9)

  1. 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia) 및
    지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)를 포함하며,
    상기 안정화 지르코니아는 20 내지 60 중량 퍼센트(weight %)로 포함되고,
    상기 지르코늄 실리케이트는 40 내지 80 중량 퍼센트(weight %)로 포함되는 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저유전 고강도 세라믹 조성물의 굴곡 강도(Flexural strength)는 700MPa 내지 1000MPa 인 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저유전 고강도 세라믹 조성물의 유전율은 10 내지 15인 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안정화 지르코니아는
    2 내지 5몰 퍼센트(mol%)의 안정화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안정화제는 이트리아(Yttria, Y2O3)인 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물 전체 중량 대비 0.5 내지 2.5 중량 퍼센트(weight %)의 산화 알루미늄(Al2O3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지르코늄 실리케이트는
    지르코니아와 실리카(SiO2)를 공침법(Co-precipitation) 또는 고상 반응법(Solid-reaction)으로 합성되는 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지르코늄 실리케이트는
    평균 입자 크기가 0.5㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 저유전 고강도 세라믹 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 세라믹 조성물을 가공하여 형성되는 모바일용 리어 커버.
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FR2969601A1 (fr) * 2010-12-22 2012-06-29 Saint Gobain Ct Recherches Piece frittee coloree.
FR2985137B1 (fr) * 2011-12-23 2015-12-04 Saint Gobain Ct Recherches Dispositif de communication
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