KR100824351B1 - 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스는 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)로 표현된다.

또한, 상기 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스의 제조방법은 먼저 BaO, CuO 및 B₂O₃의 시료를 조성식 BaCuB₂O₅에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 BaCuB₂O₅ 분말을 준비하는 단계와, BaCO₃ 및 TiO₂의 시료분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 준비하는 단계와, 상기 준비된 BaCuB₂O₅ 분말 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)에 따라 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하고 850℃ 내지 900℃ 범위로 소결하는 단계로 구성된다.

저온소성, LTCC, 마이크로파유전체세라믹스, 유전율, 유전손실, Ba2Ti9O20, BaCuB2O5

Description

저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법 {LOW TEMPERATURE CO-FIRED MICROWAVE DIELECTRIC CERAMICS AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결 온도와 BCB 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 유전율(ε_r)의 변화를 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 BCB 첨가량과 소결온도의 변화에 따른 품질계수(Q×f)의 변화를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도와 BCB의 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도와 BCB의 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 상대밀도 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 저온소결용 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 저온소결이 가능하면서도 우수한 고주파 유전특성을 갖는 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로파용 유전체 재료는 전화기나 휴대용 무선전화기에 이용되는 안테나, 필터 및 듀플렉서 등 통신부품 재료로 많이 사용된다. 특히, 최근 들어서는 제반 통신기기의 발전과 함께 이에 사용되는 통신부품 소자들의 고성능화, 소형화, 저가격화 및 모듈화가 강하게 요구되고 있다.

이러한 통신부품 소자들의 소형화를 위해서는 통상적으로 적층형 통신소자가 사용된다. 이로써 인덕터, 캐패시터, 저항 등을 하나의 모듈 내에 별도의 리드선 없이 구현할 수 있으므로, 패키지의 부피를 현저히 줄일 수 있다.

특히, 이러한 적층형 통신소자를 제조하기 위한 기술로서는 유전체 세라믹스의 그린시트(Green Sheet)에 도체로 되는 내부 전극의 패턴을 인쇄하여 적층한 후 이를 소결하는 기술 등이 개발되고 있다. 이때, 상기 적층소자에 사용되는 유전체 세라믹스는 상기 내부 도체와 동시에 소결되므로, 소자의 응용목적에 적합한 유전특성을 가져야 하는 것은 물론이고, 이에 더하여 상기 내부 도체가 녹지 않는 온도범위에서 소성이 가능해야 한다. 즉, 이 경우 유전체 세라믹스는 높은 유전율 및 낮은 유전손실을 갖고 온도변화에 따른 공진주파수의 변화가 작아야할 뿐만 아니라, 나아가 상기 내부 도체 금속이 녹지 않는 저온에서 소결되어야 한다.

상기 적층형 통신소자에 사용되는 상기 내부 전극에는 일반적으로 Ag, Cu, Ni, Pd, Pt 및 이들의 합금이 사용되며, 이 중에서도 특히 Ag 전극은 가장 낮은 비저항(1.62×10^-4Ω㎝)을 가지고 있어 소자의 손실을 최소화시킬 수 있다. 그러나, Ag의 융점은 961℃로서 소결온도가 이보다 훨씬 고온인 950℃ 이상인 유전체 세라믹스와는 사용할 수 없다. 결국, 적층형 통신소자를 제작하기 위해서는 900℃이하의 소결온도를 갖는 저온소결용 고주파 유전체 세라믹스가 요구된다.

고주파 유전체 세라믹스에 대한 연구는 최초로 TiO₂가 개발된 이래로 많은 티탄산계 재료에 대하여 수행되어 왔다. 그 결과, 현재 사용되고 있는 마이크로파 유전체 조성들은 Ba₂Ti₉O₂₀, (Zr,Sn)TiO₄, BaO-Re₂O₃-TiO₂(RE: Rare earth) 등과 같은 TiO₂계와, Ba(Mg_{1 /3}Ta_{2 /3})O₃, Ba(Mg_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃, Ba(Zn_{1 /3}Ta_{2 /3})O₃ 등과 같은 복합 페로브스카이트(Complex Perovskite) 구조를 갖는 유전체들이 있다. 또한, CaTiO₃-NdAlO₃, CaTiO₃-La(Zn_{1 /2}Ti_{1 /2})O₃ 등과 같이 두 종류 이상의 페로브스카이트 구조를 갖는 고용체를 이용하여 새로운 유전체 재료를 개발하려는 노력이 시도되고 있다.

그러나, 이러한 조성물들은 우수한 유전특성을 갖으나, 모두 1400℃ 이상의 고온에서 소결이 이루어지므로, 통신 부품의 소형화를 위한 적층형 소자의 재료로 사용되기 위해서는 그 소결 온도를 낮추어야 한다.

따라서, 이들 유전체의 소결온도를 낮추기 위하여 용융점이 낮은 유리를 유전체에 첨가하는 방법이 제시된 바도 있었으나, 이러한 방법은 소결온도는 감소시켰지만 오히려 고주파 유전특성을 열화시키는 심각한 문제를 초래하였다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발 명의 목적은 Ba₂Ti₉O₂₀ 세라믹스 조성에 소결조제로서 BaCuB₂O₅를 첨가함으로써, 저온소결이 가능하면서도 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로서, 본 발명의 일 관점에 의한 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스는 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)로 표현될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스의 제조방법은 먼저 BaO, CuO 및 B₂O₃의 시료를 조성식 BaCuB₂O₅에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 BaCuB₂O₅ 분말을 준비하는 단계와, BaCO₃ 및 TiO₂의 시료분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 준비하는 단계와, 상기 준비된 BaCuB₂O₅ 분말 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)에 따라 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 소결 온도는 850℃ 내지 900℃로 될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스의 조성은 다음 식 1의 조성식으로 나타낼 수 있다:

Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (식 1)

(이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%이다.)

본 발명에 있어서, Ba₂Ti₉O₂₀ (이하 "BT") 세라믹스 자체는 이미 우수한 마이크로파 유전특성을 갖지만 그 소결온도가 대략 1400℃ 이상으로 매우 높아 금속도체와 동시소결이 불가능하다는 문제점이 있으므로, 그 조성 자체로는 본 발명이 목적으로 하는 저온 동시소결 세라믹스(Low Temperature Co-Fired Ceramics: LTCC)로 사용될 수 없다. 따라서, 식 1에서 나타내는 바와 같이, 소결조제로서 BaCuB₂O₅(이하, "BCB")를 상기 조성에 첨가함으로써 그 소결온도를 저하시킬 수 있다.

이때, BCB의 함량(즉, 식 1에 있어서 x)이 5.0mol%보다 작으면 소결이 되지 않고, 20.0mol% 이상이면 품질계수(Q×f)의 유전특성 값이 열화하여 마이크로파대 소자로서의 구동에 적합하지 않은 특성을 나타내므로, BCB의 함량은 5.0mol% 이상 20.0mol% 이하로 됨이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 식 1과 같은 조성으로 되는 유전체 세라믹스의 소결온도는 850~900℃로 된다. 이때, 만일 소결온도를 850℃보다 낮게 설정하는 경우에는 세라믹스의 소결이 이루어지지 않으며, 또한 소결온도를 900℃보다 높게 설정하는 경우에는 물론 저온소결로서 부적합하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하며 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 실시예에서는 우선 소결조제인 BCB분말을 만들기 위하여 순도 99%이상의 BaO, CuO 그리고 B₂O₃의 시료분말을 조성식 BaCuB₂O₅의 조성비에 맞게 평량한 후, 이를 알콜 용매와 함께 24시간 동안 혼합하였다. 그리고, 이를 700℃에서 2시간 동안 하소하고 노랭하여 BCB분말을 제조하였다.

다음으로, 초기 원료인 순도 99.9%의 BaCO₃ 및 TiO₂의 시료분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀의 조성비에 맞게 평량한 후, 이를 1180℃에서 6시간 동안 하소하였다. 그리고, 이렇게 얻어진 분말을 x-선 회절 분석한 결과, 이차상인 BaTi₄O₉상과 Ba₄Ti₁₃O₃₀상이 공존함을 확인하였다.

그리고, 상기 BT 분말에 상기 BCB 분말을 식 1에 따라 각각 5.0, 10.0, 15.0 및 20.0mol% 첨가한 후, 각각 24시간 동안 알콜 용매를 사용하여 습식 혼합하고 건조하였다. 이어서, 제조된 시료를 직경이 약 10mm, 높이가 약 7mm인 실린더형 성형체로 가압 성형 후, 850℃, 875℃, 900℃에서 각각 2시간 동안 소결하였다. 이렇게 얻어진 소결체를 x-선 회절분석 결과, 기지상인 BT상과 B₄T₁₃ 이차상이 관찰되었으며, 소결조제의 첨가량에 따라 소폭 감소하였다. 또한, 선 수축율은 상기 BT 분말에 상기 BCB 분말을 식 1에 따라 10.0mol% 이상 첨가시 최대 20%를 나타냈으며, 소결이 잘 이루어졌다고 판단되었다.

도 1은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결 온도와 BCB 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 유전율(ε_r)의 변화를 나타낸 그래프이다. BCB가 15.0mol% 첨가된 BT 세라믹스를 875℃에서 소결한 경우, 유전율(ε_r)이 36 이상의 높은 값을 나타냈다.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 BCB 첨가량과 소결온도의 변화에 따른 품질계수(Q×f)의 변화를 나타낸 그래프이다. BCB가 15.0mol% 첨가된 BT 세라믹스를 875℃에서 소결한 경우, 품질계수(Q×f)가 16,500 GHz 이상의 높은 값을 나타냈다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도와 BCB의 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 공진주파수 온도계수(τ_f)의 변화를 나타낸 그래프이다. 15.0mol%의 BCB가 첨가된 BT 세라믹스를 875℃에서 소결한 경우, 공진주파수 온도계수(τ_f)가 10.2 ppm/℃로 비교적 양호한 값을 나타내었다.

도 4는 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스에 있어서 소결온도와 BCB의 첨가량 변화에 따른 BT 세라믹스의 상대밀도 변화를 나타낸 그래프이다. 15.0mol%의 BCB가 첨가된 BT 세라믹스를 875℃에서 소결한 경우, 96.3%의 높은 상대밀도를 나타내어 상기 온도에서 세라믹스의 소결상태가 매우 양호함을 나타내었다.

도 1 내지 도 4 및 이상 기술한 바에 의하면, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스는 상대밀도가 67% 내지 96.6%, 유전율(ε_r)이 20.6 내지 37.9, 품 질계수(Q×f)가 500 내지 18,000GHz이며 공진주파수 온도계수(τ_f)는 7.0 내지 18.0ppm/℃로서, 고주파용 유전체 세라믹스의 부품재료로서 사용이 매우 유망하다.

한편, 이상 기술한 본 발명의 바람직한 실시예들의 제반 유전특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연한 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, Ba₂Ti₉O₂₀ 세라믹스에 BaCuB₂O₅를 소결조제로서 첨가함으로써 900℃ 이하의 저온에서 소결가능하게 된다.

이는 Ba₂Ti₉O₂₀ 세라믹스가 가지는 마이크로파 유전특성을 저해하지 않으므로, 우수한 마이크로파 유전특성을 가지면서도, 저온으로 내부 도체 전극과 동시소성이 가능한 LTCC로서 고주파 소자의 적층화에 매우 적합하다.

Claims (3)

1. 다음의 조성식으로 표현되는 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물.

   Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)
2. BaO, CuO 및 B₂O₃의 시료를 조성식 BaCuB₂O₅에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 BaCuB₂O₅ 분말을 준비하는 단계와;

   BaCO₃ 및 TiO₂의 시료분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀에 따라 혼합, 분쇄한 후 건조하고 이를 하소하여 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 준비하는 단계와;

   상기 준비된 BaCuB₂O₅ 분말 Ba₂Ti₉O₂₀ 분말을 조성식 Ba₂Ti₉O₂₀ - xBaCuB₂O₅ (이때, 5.0mol%≤x≤20.0mol%)에 따라 다시 혼합, 분쇄한 후 건조하는 단계와;

   상기 건조된 시료를 성형하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 소결 온도는 850℃ 내지 900℃로 되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.

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