KR840002382B1 - 온도-안전성 유전체의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

온도-안정성 유전체의 제조방법

제1도는 본 발명 물질로 구성된 유전공명기의 작용변수에 미치는 조성의 영향을 나타낸 그래프이고,

제2도는 본 발명 물질의 품질기준에 미치는 철의 영향을 나타낸 그래프이며,

제3도는 온도의 함수로서 공명주파수 곡선이다.

본 발명은 높은 유전율(dielectric constant)과 낮은 고주파 손실율(highfrequency loss)을 갖는, 온도-안정성 유전체(dielectric material 誘電體)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 유전체는 약 1gigahertz(GHz)보다 높은 주파수용으로 고안된 유전공명기를 제조하는데, 특히 여과기 및 발진기를 제조하는데 적절하다.

고체 유전체는 고주파수에서 공명공동(resonant cavity)의 역할을 할 수 있다고 기술되어 있다(참조 : Richtmeyer의 "Dielectric Resonators," Journal of Applied Physics, Vol. 10, No. 6, p.391). 전자기적 진동의 파장은 매체의 유전율이 높을수록 짧아진다. 또한 다음과 같은 특성을 갖는 물질 TiO₂, ZrO₂, SnO₂, ZnO가 사용된다는 것도 공지의 사실이다 :

-상대유전율 : 30 내지 40

-유전손실각의 온도계수 : 2×10^-4내지 4×10^-4

-유전율의 온도계수 : -10×10^-6/℃ 내지 +50×10^-6/℃

상술한 물질을 사용하여 이러한 형태의 온도에 안정한 공명기를 제조하는 방법 또한 상기 문헌에 기술되어 있다. 그러나, 유전손실율은 주파가 높을수록, 특히 2 내지 100GHz에서 더 크다. 품질기준(quality criterion)은

f [여기서 f는 주파수(gigahertz로 표시)이고

는

(여기서 tgδ는 손실각의 탄젠트임)이다]로 정의할 수 있다. 주파수가 8GHz일 때,

f는 온도에 안정한 물질인 경우 30,000 내지 40,000이다.

본 발명의 목적은 온도안정성에 영향을 끼치지 않고 2 내지 100GHz 대(band) 내에서

f를 증가시킴으로써 품질기준을 증진시키는 데 있다. 본 발명에 따른 유전체는 도자기 기술에 따라 여러가지 단계로, 특히 미리 분쇄한 원재료를 산화성 대기 중에서 소결시키는 단계를 거쳐 제조한다.

이 유전체는 출발물질의 상대적 몰비가 다음 조성으로 정의된다는 점이 특징이다 : t TiO₂, xSnO₂, yZrO₂, aNiO, bLa₂O₃및 cFe : 여기서 변수 t,x,y,a,b 및 c는 다음과 같은 부등식을 만족시킨다 :

0.9≤t≤1.1 0.015≤a≤0.06

0.1≤x≤0.4 0.01≤b≤0.1

0.6≤y≤0.9 0.001≤c≤0.01

온도에 대한 안정도가 가장 높은 물질은 t,x,y,a,b 및 c가 다음과 같을 때 수득된다 :

0.89≤t≤1.01 0.015≤a≤0.06

0.30≤x≤0.38 0.01≤b≤0.1

0.60≤y≤0.70 0≤c≤0.0035

제1도의 그래프에서, 산화티타늄의 몰수에 대한 산화제 2주석의 몰 %를 횡좌표로 나타낸다. 종좌표 중 첫번째 눈금에는 횡자표 x축에 상응하는 각 조성에 대한 물질의 공명주파수의 온도에 따른 일차 드리프트(drift)를 나타내며 이후에 정의될 변수 If가 표시되어 있다. 실제로, 공명주파수 f의 상대적 드리프트의 처음의 두항으로 제한된 급수전개는 다음과 같다 :

여기에서 f₀는 25℃의 T₀에서의 공명주파수이다. 종좌표로 표시된 변수는 실제로 If=10⁶·A이다. 종좌표의 두번째 눈금상에는 품질기준

f가 표시되어 있으며

f는 terahertz(10¹²Hz)로서 표시한다.

측정주파수가 8GHz이고 변수 x,a,b 및 c가 물질의 조성과 관련하여 정의되므로 제1도의 그래프의 경우 다음과 같은 값이 성립된다 :

0.1≤x≤0.4 b=0.015

a=0.03 c=0

제1도에 의하면 매개 변수 If는 x축의 두 값에 대해서는 0으로 감소됨을 알 수 있다 : x축의 두 값중 한 값은 0.20 부근이고 다른 한 값은 0.35 부근이다[관계식(1)의 계수 B는 -0.05×10^-6/℃이다]. 그러나, 품질기준

f는 x=0.20일 때보다 x=0.35일 때 현저히 증가함을 알 수 있다.

공명기의 주파수가 8GHz가 아닐 경우 유사한 곡선이 얻어진다. 그러나 다른 공명주파수를 갖는 공명기의 경우에는 같은 방법에서 다음과 같은 차이를 발견할 수 있다 :

2-GHz 공명기의 경우 20%

8 내지 100GHz에서의 변동율 : ±10%

본 발명의 유전체를 제조하는 방법은 도자기 물질의 제법과 유사한 방법으로 다음과 같은 단계를 포함한다 :

a) 출발물질 무게(철은 제외)를 단 후 혼합하고, 철은 이어서 다음 단계에서 강철 볼(ball)을 사용할 때 얻을 수 있다 :

b) 지르코니아 또는 강철 볼을 사용하여 수성 또는 알콜매질 내에서 첫번째 분쇄한다. 이 단계에서 철이 반드시 필요한데, 예를 들면 1/2

의 에틸알콜이 함유된 자기제품용기 내에서 출발물질 100g 당 직경이 3mm인 강철 볼 10,000개를 사용한다. 분쇄시간은 이산화티타늄 1몰에 대하여 0.003몰 정도의 철을 얻기 위해 20분간 소요한다.

c) 순수한 산소 대기하에 1150℃ 내지 1250℃, 바람직하게는 1200℃에서 6시간동안 하소(calcining)시킨다 : 강철 볼로 분쇄할 경우 이 단계를 생략할 수 있다.

d) 하소된 분말을 (b) 단계와 같은 방법으로 두번째 분쇄한다 : 단계(c)를 수행하지 않을 경우 이 단계는 수행하지 않는다.

e) 순수한 산소대기하에서 1400°내지 1500℃, 바람직하게는 1450℃의 온도에서 6시간동안 소결(sintering)시킨다.

[실시예]

실시예 1 내지 4(표 1 참조)는 x가 0.35 부근인 초기 조성에 관한 것이고 실시예5 내지 10(표2 참조)은 x가 0.20 부근인 경우에 관한 것이다.

[표 1]

출발물질의 여러가지 다른 조합의 효과를 검토하기 위하여 다음 물질을 제조하였다.

표 3에는 다음 조성식(2)로 표시되는 초기의 조성물(실시예 11)에 특정한 수종의 물질을 첨가한 결과를 나타낸다.

TiO₂: 0.3SnO₂: 0.7ZrO₂(2)

[표 3]

제2도에서, 변수 t는 TiO₂1몰에 대한 최종 생성물 중의 Fe₂O₃의 몰수로서 상용대수 눈금의 횡좌표로 나타낸다. 상술한 조성식(2)의 조성을 갖는 물질의 경우 품질기준

f(terahertz로 표시)는 종좌표로 나타낸다. 곡선의 최대치는 초기 혼합물 중의 0.25중량 %비율의 철에 상당한다.

제3도에는 횡좌표 T0(25℃)의 M0점에서의 시료물질의 공명주파수 변화를 나타낸다. 상술한 식(I)의 계수 B는 음수(-)이고 2×10^-5이다. 또한 다음 현상이 관찰될 수 있다 :

(1) 닉켈은 산화물 형태가 아닌 순수한 상태로 출발물질 중에 혼입한다(TiO₂1몰에 대하여 yNi₂의 비율로). 생성된 물질은 규질물로서 그 특성들은 쉽게 재현될 수 있다.

(2) 분쇄공정에서 용기(Jar)와 강철볼을 사용함으로써 편리하고 값싼 용액이 생성되고, 강옥볼(corumdum ball)에 의해 생성된 알루미나로 오염되는 것을 방지할 수 있게 한다. 이 과정에서 알루미나로 오염되면 표 3의 실시예 20에서와 같이 약 10terahertz 정도로 품질기준을 떨어뜨리게 된다.

(3) 소결과정에서 알루미나로 오염되면 20terahertz 이하까지 품질기준을 떨어뜨리게 되므로 이를 방지하지 않으면 안된다. 따라서 알루미나를 함유하지 않는 내화성물질을 사용하여야 한다.

(4) 강철분쇄장치를 사용할 경우 하소처리와 2차 분쇄공정을 삭제하면 경제적으로 유리할 뿐 아니라 동등한 정도 및 때때로 우수한 품질이 생성된다.

(5) 0.25중량 %의 철, 즉 TiO₂1몰에 대하여 약 0.4%몰의 Fe₂O₃를 첨가하면 우수한

f치를 얻게되고 제1도에서 횡좌표가 증가함에 따라 If 곡선이 변위(displacement)가 된다. 이상과 같은 결과로 Ox 축과의 교차점(특히 제2교차점)에서 품질기준치

f가 보다 높고, 0의 온도계수(Zero temperature coefficient)에 대하여 보다 좋은 품질이 생성된다.

(6) TiO₂의 화학량론적 차이는 양이 충분치 않을 때는 결과에 큰 영향을 미치지 아니하나 과량일 때는 많은 영향을 끼친다. 그러므로 약간 부족한 상태의 TiO₂를 사용함으로써 물질의 특성의 재현을 현저하게 할 수 있다. 실제로 10^-6의 If 값의 재현은 출발물질의 상대비에서 5×10^-3의 정확도로 관찰된다. 이는 실제현상에 부합되는 공차이다. 출발물질의 중량에서 10^-4의 정확도는 x가 0.35인 근처에서 If가 0인 점에 도달될 수 있도록 유지할 수 있다.

본 발명은 고주파 발진기와 여과기를 제조하는데 사용되는 유전공명기에 적용할 수 있다.

Claims (1)

1. TiO₂, SnO₂, ZrO₂, NiO, La₂O₃및 Fe의 상대적 몰비가 다음과 같은 원료물질을 적어도 한단계에 걸쳐 분쇄하고, 산화성 대기중, 1400℃ 내지 1500℃에서 적어도 한단계에 걸쳐 분쇄된 원료물질을 소결시킴을 특징으로 하여 유전체를 제조하는 방법.

   tTiO₂, xSnO₂, yZrO₂, aNiO, bLa₂O₃, cFe

   0.9≤t≤1.1 0.015≤a≤0.06

   0.1≤x≤0.4 0.01≤b≤0.1

   0.6≤y≤0.9 0.001≤c≤0.01

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