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KR20230157045A - 적층형 전자 부품 - Google Patents

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Publication number
KR20230157045A
KR20230157045A KR1020220056542A KR20220056542A KR20230157045A KR 20230157045 A KR20230157045 A KR 20230157045A KR 1020220056542 A KR1020220056542 A KR 1020220056542A KR 20220056542 A KR20220056542 A KR 20220056542A KR 20230157045 A KR20230157045 A KR 20230157045A
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KR
South Korea
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region
core
dielectric
interface shell
electronic components
Prior art date
Application number
KR1020220056542A
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English (en)
Inventor
유동건
김수빈
정동준
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
Priority to KR1020220056542A priority Critical patent/KR20230157045A/ko
Priority to JP2023066023A priority patent/JP2023166329A/ja
Priority to US18/135,328 priority patent/US20230360855A1/en
Priority to CN202310506340.0A priority patent/CN117038331A/zh
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Abstract

유전체층을 포함하는 적층형 전자 부품에 있어서, 상기 유전체층은 복수의 유전체 결정립을 포함하고, 상기 복수의 유전체 결정립 중 적어도 하나 이상은, 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지고, 상기 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지는 유전체 결정립은 페로브스카이트(ABO3)계 모재 주성분, Si를 포함하는 제1 부성분, 및 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 제2 부성분을 포함하되, 상기 제1 부성분의 평균 함량은 제1 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높고, 상기 제2 부성분의 평균 함량은 상기 제2 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높을 수 있다.

Description

적층형 전자 부품{MULTILAYER ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 적층형 전자 부품에 관한 것이다.
적층형 전자 부품의 하나인 적층 세라믹 커패시터(MLCC: Multi-Layered Ceramic Capacitor)는 액정 표시 장치(LCD: Liquid Crystal Display) 및 플라즈마 표시 장치 패널(PDP: Plasma Display Panel) 등의 영상 기기, 컴퓨터, 스마트폰 및 휴대폰 등 여러 전자 제품의 인쇄회로기판에 장착되어 전기를 충전시키거나 방전시키는 역할을 하는 칩 형태의 콘덴서이다.
한편, 콘덴서의 적용범위가 점점 더 넓어짐에 따라 소형화, 고용량화 및 고신뢰성 요구가 점차 확대되고 있다. 소형화 및 고용량화를 달성하기 위해서 적층 세라믹 커패시터의 크기가 작아지고 있으며, 크기가 작아짐에도 높은 용량을 구현하기 위해서는 적층 수가 많아져야 하므로 유전체 및 내부 전극의 박층화가 필수적으로 수반되어야 한다.
그러나, 유전체 및 내부 전극의 두께가 얇아질수록 전계 하에서 내부 전극의 열화가 발생할 수 있어, 신뢰성 저하의 문제가 일어날 수 있다. 한편, 적층형 전자 부품의 고신뢰성을 달성하기 위해 유전체 조성물에 첨가제 원소들을 첨가하여 신뢰성을 향상시키고자 하는 시도들이 있었으나, 일정한 크기 이하의 유전체 조성물을 제조하는 경우, 목표로 하는 고신뢰성 수준을 달성하기 어렵고 소성 안정성이 낮아 새로운 기종의 개발에 어려움이 있었다.
이에, 내부 전극의 열화를 방지하고자, 소성 공정 중 고온에서의 공정 시간을 짧게 유지하는 고온단축소성을 적용하고 있으나, 크기가 작은 유전체 파우더를 고온단축소성으로 진행하는 경우 유전체 조성물의 격자 내부로의 첨가제 확산시간이 부족하여 신뢰성이 저하되는 문제점이 여전히 남아있다.
한국 공개특허공보 제10-2018-0051760호
본 발명이 해결하고자 하는 여러 과제 중 하나는 유전체 입자에 첨가제를 도핑하거나 첨가하여 적층형 전자 부품의 신뢰성을 향상시키는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 여러 과제 중 하나는 유전체 결정립에 인터페이스 쉘 영역을 형성함으로써, 고온단축소성 시 첨가제 확산을 용이하게 하며 소성 온도를 낮추어 절연 열화 신뢰성을 향상시키는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 여러 과제 중 하나는 유전체 결정립 중 정방정계 구조를 가지는 영역을 크게 하여, 유전특성을 향상시키는 것이다.
다만, 본 발명은 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품은, 복수의 유전체층 및 내부 전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디의 외측에 배치되며, 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극; 을 포함하고, 상기 유전체층은 복수의 유전체 결정립을 포함하며, 상기 복수의 유전체 결정립 중 적어도 하나 이상은, 내측의 코어 영역, 상기 코어 영역의 적어도 일부를 커버하는 제1 및 제2 인터페이스 쉘 영역을 포함하는 인터페이스 쉘 영역 및 상기 인터페이스 쉘 영역의 적어도 일부를 커버하는 쉘 영역을 포함하는 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지고, 상기 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지는 유전체 결정립은 페로브스카이트(ABO3)계 모재 주성분, Si를 포함하는 제1 부성분, 및 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 제2 부성분을 포함하되, 상기 제1 부성분의 평균 함량은 제1 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높고, 상기 제2 부성분의 평균 함량은 상기 제2 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높을 수 있다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 유전체 입자에 부성분 첨가제를 도핑하거나 첨가하여 적층형 전자 부품의 신뢰성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 유전체 결정립에 인터페이스 쉘 영역이 형성됨으로써, 고온단축소성 시 첨가제 확산을 용이하게 하고, 소성 온도를 낮추어 내부 전극의 절연 열화 신뢰성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 여러 효과 중 하나는 유전체 결정립 중 정방정계 구조를 가지는 영역을 크게 하여, 유전특성을 향상시키는 것이다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 내부 전극의 적층 구조를 나타낸 분리사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 I - I `에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 유전체층의 일부인 P 영역에 포함된 복수의 유전체 결정립들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 유전체 결정립을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 결정립의 원소를 측정한 line-profile 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 TEM-EDS 분석 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 TEM-EDS 분석 이미지이다.
도 9는 비교예의 신뢰성 평가(HALT) 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 신뢰성 평가(HALT) 그래프이다.
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 요소들은 동일한 요소이다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 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.
도면에서, 제1 방향은 적층 방향 또는 두께(T) 방향, 제2 방향은 길이(L) 방향, 제3 방향은 폭(W) 방향으로 정의될 수 있다.
적층형 전자 부품
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 내부 전극의 적층 구조를 나타낸 분리사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 I - I `에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 유전체층의 일부인 P 영역에 포함된 복수의 유전체 결정립들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 유전체 결정립을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품(100)은, 복수의 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)을 포함하는 바디(110) 및 상기 바디(110)의 외측에 배치되며, 상기 내부 전극(121, 122)과 연결되는 외부 전극(131, 132)을 포함하고, 상기 유전체층(111)은 복수의 유전체 결정립(20)을 포함하며, 상기 복수의 유전체 결정립(20) 중 적어도 하나 이상은, 내측의 코어 영역(21), 상기 코어 영역(21)의 적어도 일부를 커버하는 제1 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22a, 22b)을 포함하는 인터페이스 쉘 영역(22) 및 상기 인터페이스 쉘 영역(22)의 적어도 일부를 커버하는 쉘 영역(23)을 포함하는 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘(23) 구조를 가지고, 상기 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘(23) 구조를 가지는 유전체 결정립은 페로브스카이트(ABO3)계 모재 주성분, Si를 포함하는 제1 부성분, 및 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 제2 부성분을 포함하되, 상기 제1 부성분의 평균 함량은 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)에서 가장 높고, 상기 제2 부성분의 평균 함량은 상기 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)에서 가장 높을 수 있다.
바디(110)는 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)이 교대로 적층 되어있다.
바디(110)의 구체적인 형상에 특별히 제한은 없지만, 도시된 바와 같이 바디(110)는 육면체 형상이나 이와 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 소성 과정에서 바디(110)에 포함된 세라믹 분말의 수축으로 인하여, 바디(110)는 완전한 직선을 가진 육면체 형상은 아니지만 실질적으로 육면체 형상을 가질 수 있다.
바디(110)는 제1 방향으로 서로 마주보는 제1 및 제2 면(1, 2), 제1 및 제2 면(1, 2)과 연결되고 제2 방향으로 서로 마주보는 제3 및 제4 면(3, 4), 제1 내지 제4 면(1, 2, 3, 4)과 연결되며 제3 방향으로 서로 마주보는 제5 및 제6 면(5, 6)을 가질 수 있다.
바디(110)를 형성하는 복수의 유전체층(111)은 소성된 상태로써, 인접하는 유전체층(111) 사이의 경계는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 이용하지 않고서는 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.
유전체층(111)을 형성하는 원료는 충분한 정전 용량을 얻을 수 있는 한 제한되지 않는다. 일반적으로 페로브스카이트(ABO3)계 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 티탄산바륨계 재료, 납 복합 페로브스카이트계 재료 또는 티탄산스트론튬계 재료 등을 사용할 수 있다. 티탄산바륨계 재료는 BaTiO3계 세라믹 분말을 포함할 수 있으며, 세라믹 분말의 예시로 BaTiO3, BaTiO3에 Ca(칼슘), Zr(지르코늄) 등이 일부 고용된 (Ba1-xCax)TiO3 (0<x<1), Ba(Ti1-yCay)O3 (0<y<1), (Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3 (0<x<1, 0<y<1) 또는 Ba(Ti1-yZry)O3 (0<y<1) 등을 들 수 있다.
또한, 유전체층(111)을 형성하는 원료는 티탄산바륨(BaTiO3) 등의 분말에 본 발명의 목적에 따라 다양한 세라믹 첨가제, 유기용제, 결합제, 분산제 등이 첨가될 수 있다.
종래의 60nm 급 크기의 티탄산바륨(BaTiO3)계 유전체 입자의 형성과정은 먼저, Ba(OH)2를 마련하고, Ba(OH)2에 TiO2를 투입하여, 10 nm급 BaTiO3 시드(seed)를 형성한다. 이후, 상기 BaTiO3 시드(seed)에 금속산화물 등의 첨가제를 투입한 후 고온/고압 환경에서 입성장시켜 60 nm급 유전체 입자를 제조할 수 있다. 종래의 제조방법으로 제조한 유전체 입자는 정방정계 구조(tetragonal structure)의 코어 직경의 크기는 30 nm급의 크기를 가지고, 금속 이온이 도핑된 영역의 입방정계 구조(cubic structure)의 직경의 크기는 30 nm급의 크기를 가지게 된다.
즉, 종래의 제조 방법으로는 코어 내부로의 첨가제 확산을 억제하는 것이 용이하지 않으며, 그에 따라 유전특성의 제어가 쉽지 않다는 문제점이 있었다. 예를 들어, 60 nm급 BaTiO3 유전체 입자의 경우, 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지는 코어는 30 nm급 수준에 머무르고 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예와 같이, 입계저항을 증대시킬 수 있는 Si와 산소 공공(Oxygen vacancy) 생성을 억제하는 억셉터(acceptor) 원소를 유전체 입자 합성과정에서 각각 코팅 및 도핑하는 경우, 내부 전극의 열화를 방지함과 동시에 유전특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
추가적으로, 상기 유전체 입자에 희토류 원소 등의 첨가제를 더 첨가하여 소성 열처리하는 경우, 신뢰성이 향상됨과 동시에 유전특성이 증대될 수 있는 유전체 결정립을 유전체층 내부에 포함시킬 수 있다.
종래의 유전체 입자 제조방법만으로는 후술하는 제1 인터페이스 쉘(22a) 및 제2 인터페이스 쉘(22b)을 형성하기 어려울 수 있으며, 그에 따른 효과 또한 구현되기 어려울 수 있으며, 이하에서 보다 상세히 서술하기로 한다.
도 4를 참조하면, 유전체층(111)은 복수의 유전체 결정립(20)을 포함할 수 있다. 도 4의 P 영역은 임의의 유전체층(111)을 확대하여 복수의 유전체 결정립(20)들을 개략적으로 도시한 것이다.
이때, 복수의 유전체 결정립(20, 20') 중 적어도 하나 이상은 내측의 코어 영역(21), 상기 코어 영역(21)의 적어도 일부를 커버하는 제1 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22a, 22b)을 포함하는 인터페이스 쉘 영역(22) 및 상기 인터페이스 쉘 영역(22)의 적어도 일부를 커버하는 쉘 영역(23)을 포함하는 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘 구조(23)를 가질 수 있다.
보다 구체적으로 도 5를 참조하면, 유전체 결정립(20, 20')의 코어 영역(21)은 내측의 제1 코어 영역(21a) 및 상기 제1 코어 영역(21a)의 적어도 일부를 커버하는 제2 코어 영역(21b)을 포함하는 제1 코어(21a)-제2 코어(21b) 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 코어 영역(21a)은 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지며, 상기 제2 코어 영역(21b)은 제2 부성분을 포함하며, 입방정계 구조(cubic structure)를 가질 수 있다. 이때, 제2 코어 영역(21b)에 제2 부성분이 포함됨으로써, 제2 코어 영역(21b)의 페로브스카이트(ABO3)계 구조가 입방정계 구조(cubic structure)가 될 수 있다.
유전체의 모재 주성분으로 사용하는 BaTiO3, (Ba,Ca)(Ti,Ca)O3, (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3, 및 Ba(Ti,Zr)O3는 ABO3로 표현되는 페로브스카이트(perovskite)계 구조에 해당하며, 열처리 공정 진행 중에 산소가 있어야 할 자리가 비게 되는 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있다. 예를 들어, 환원분위기에서 소성을 진행하는 경우 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있으며, 또는 탈바인더 등에 의해 카본이 ABO3의 산소와 결합하여 CO2 형태로 증발되는 경우에도 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있다. 산소(O) 원자는 -2가의 전하(charge)를 띄게 되는데, 산소가 있어야 할 자리가 비어 있으면 +2가의 전하(charge)를 가지는 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생하며, 인가된 전계에 의해 산소 공공이 이동하게 되면 신뢰성이 떨어지게 되고, 산소 공공(oxygen vacancy)이 많을수록 그리고 온도와 전압이 높게 걸릴수록 산소 공공(oxygen vacancy)의 이동 속도와 이동량이 증가되게 되어 신뢰성을 더욱 악화시키게 되며, 이러한 공정환경은 고온소성에서 주로 발생할 수 있다. 이러한 산소 공공(oxygen vacancy)의 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 다른 금속 산화물 등과 같은 첨가제나 부성분 등을 도핑할 수 있는데, 이때 티타늄(Ti)과 산화수는 동일하나 이온 반경이 다른 원소를 일부 치환할 수 있다. 첨가되는 첨가제로서 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며, 소성공정 이후의 유전체층(111)에 포함된 복수의 유전체 결정립(20) 중 적어도 하나 이상은 상기 첨가제를 부성분으로 포함하게 됨으로써, 입방정계 구조(cubic structure)를 가지게 될 수 있다.
일반적으로 BaTiO3계 유전체는 상온에서 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지나, 일부 원소가 치환된 영역은 입방정계 구조(cubic structure)의 격자 구조로 변형될 수 있으며, 이렇게 격자 구조를 변형하여 쌍극자(dipole) 모멘트가 있는 상으로 전환함으로써, 자체 유전율을 높여 입성장 없이 작은 크기를 가짐과 동시에 고유전율을 확보할 수 있다. 이를 통해, 초박층의 유전체층을 형성할 수 있고, 적층형 전자 부품의 초소형화를 달성할 수 있다.
일반적으로 유전율은 입방정계 구조(cubic structure)를 가지는 영역의 크기 대비 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지는 영역의 크기가 클 경우 향상되는 것으로 알려져 있으며, 다시 말해, 동일한 크기를 가지는 유전체 입자 중 tetragonal structure size/cubic structure size의 비율이 큰 유전체 입자일수록 유전율이 향상된다.
본 명세서에서 유전체 결정립(20, 20')의 일 구성과 관련하여 설명하는 평균 직경 크기는, SEM(Scanning Electron Microscope) 또는 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지에서 확인할 수 있는 유전체 결정립의 코어(21) 중심으로부터, 일직선을 그은 후, 일직선 상에 위치한 각 구성의 최소거리와 최대거리의 차이를 측정하고, 이러한 최소거리와 최대거리의 차이를 여러 각도에서 측정하여 평균한 값일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고 유전체 결정립(20)의 각 구성의 특징에 따라 다르게 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품 중, 유전체 결정립(20, 20')의 코어 영역(21)의 평균 직경 크기는 55 nm 이상 65 nm 이하일 수 있다. 이때, 상기 코어 영역(21) 중 제1 코어 영역(21a)의 평균 직경 크기는 45 nm 이상 55nm 이하일 수 있으며, 상기 코어(21) 중 제2 코어 영역(21b)의 평균 직경 크기는 5 nm 이상 15 nm 이하일 수 있다.
소성 후 유전체 결정립(20, 20')의 코어 영역(21)의 평균 직경 크기는 소성 전 유전체 입자의 크기일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 후술하는 Si를 포함하는 제1 부성분에 의해 제2 코어 영역(21b)의 평균 직경 크기가 종래의 유전체 입자를 소성한 경우보다 작을 수 있다.
상기 제2 코어 영역(21b)의 평균 직경 크기가 5 nm 이하인 경우, 산소 공공(oxygen vacancy)을 효과적으로 억제하기 어려울 수 있으며, 제2 코어 영역(21b)의 평균 직경 크기가 15 nm 초과인 경우, 과도한 제2 부성분의 도핑으로 인해 정방정계 구조(tetragonal structure)의 영역이 작아져 유전율이 저하될 수 있다.
상기 코어 영역(21)의 적어도 일부를 커버하는 인터페이스 쉘 영역(22)은 제1 인터페이스 쉘(22a) 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5(b)를 참조하면, 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘(23) 구조를 가지는 유전체 결정립(20') 중 코어(21) 영역의 표면을 적어도 일부 커버하는 제1 인터페이스 쉘(22a)과 제2코어 인터페이스 쉘(22b)은 코어(21)를 동시에 커버할 수 있으며, 본 도면에서는 제1 및 제2 인터페이스 쉘(22a, 22b)이 겹치지 않는 형상으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 일부 영역에서 겹치고 있는 형상이 될 수 있으며, 형성된 제1 및 제2 인터페이스 쉘(22a, 22b) 중 큰 영역을 가지는 인터페이스 쉘이 작은 영역을 가지는 인터페이스 쉘을 포함하는 형상이 될 수도 있다.
제1 인터페이스 쉘(22a) 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)에 가장 많이 포함된 부성분의 함량은 서로 상이할 수 있으며, 예를 들어, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)에 포함된 부성분은 Si를 포함하는 제1 부성분을 의미할 수 있고, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)에 포함된 부성분은 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 제2 부성분을 의미할 수 있다.
보다 구체적으로, 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘(23) 구조를 가지는 유전체 결정립(20, 20')은 티탄산바륨(BaTiO3)계 모재를 주성분으로 하며, Si를 포함하는 제1 부성분 및 상기 제2 부성분을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 부성분의 평균 함량은 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)에서 가장 높을 수 있고, 제2 부성분의 평균 함량은 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)에서 가장 높을 수 있다.
소성 공정 전, 유전체 입자 상태의 제1 인터페이스 영역(22a)에 Si가 포함됨으로써, 제2 인터페이스 영역(22b)의 제2 부성분이 코어 내부로 확산되는 것을 억제할 수 있으며, 이에 의해, 상대적으로 작은 평균 직경 크기를 가지는 제2 코어 영역(21b)이 형성될 수 있다. 이로부터, 제2 부성분으로 인한 산소 공공 억제 효과로 인해 신뢰성을 향상시킴과 동시에, 코어(21)의 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지는 제1 코어 영역(21a)의 크기를 입장정계 구조(cubic structure)를 가지는 제2 코어 영역(22b)의 크기 대비 크게 유지할 수 있어, 높은 유전율을 가지는 적층형 전자 부품을 구현할 수 있다.
또한, 제1 인터페이스 영역(22a)에 포함된 Si의 함량이 높은 경우, 즉, Si를 포함하는 제1 인터페이스 영역(21a)이 형성됨으로써, Si로 인한 액상형성에 의해, 제1 인터페이스 쉘 영역(22b)이 없는 종래의 경우보다, 동일한 유전용량 및 DF를 구현하기 위해 소성 온도를 약 5°C 내지 약 10°C 정도 낮출 수 있으며, 소성온도가 낮아짐에 따라 초박층의 내부 전극(121, 122)에서 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 코어 영역(21)의 적어도 일부를 커버하는 인터페이스 쉘 영역(22)은 제1 인터페이스 쉘 영역(22a) 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)을 포함할 수 있고, 제1 인터페이스 쉘(22a)과 제2 인터페이스 쉘(22b)은 각각 코어 영역(21)의 표면을 커버할 수 있으나, 코어 영역(21)의 표면을 동시에 커버하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 직경 크기는 2 nm 이상 5 nm 이하일 수 있다. 여기서, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 직경 크기는 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
여기서, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 직경 크기는 유전체 결정립(20')의 코어 중심으로부터 일직선 상에 위치한 코어(21)의 외측으로부터 가까운 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 지점과 코어(21)로부터 먼 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 지점의 직경을 의미할 수 있다. 제1 인터페이스 쉘(22a)은 코어(21)의 표면을 커버할 수 있는데, 일정한 면적을 지니는 경우 다양한 각도에서 측정한 제1 인터페이스 쉘 영역(21a)의 직경들을 측정하여 평균한 값으로 구할 수 있으며, 상기 평균 값은 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 직경 크기를 의미할 수 있다. 이러한 측정 방법은 후술하는 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 직경 크기 및 평균 직경 크기에도 적용될 수 있다.
또 다른 방법으로는, 제1 인터페이스 영역(22a) 및 제2 인터페이스 영역(22b)의 평균 직경 크기는 Gaussian fitting 방법을 이용하여 구할 수 있다. 여기서 Gaussian fitting 방법은 가우스 함수를 이용하여 FWHM (Full Width at Half Maximum)을 구할 수 있는 공식에 해당할 수 있다. TEM에서 제1 및 제2 인터페이스 쉘 영역(22a, 22b)을 각각 line profile raw data를 이용하여 데이터를 얻은 후, 하기 수식 1에 해당하는 Gaussian fitting 수식을 적용하여 노이즈를 제거하고, 도출되는 그래프의 피크(peak) 값의 범위를 측정하여 구한 크기를 10개의 line profile raw data로 확장하여 구한 평균값일 수 있으며, data의 샘플이 많을수록 구하고자 하는 평균값을 도출하는 데 바람직할 수 있다.
인터페이스 쉘(22)은 TEM-EDS 이미지에서 확인할 수 있듯이 일정한 직경 크기를 가질 수 있으며, 보다 구체적인 평균 직경 크기(두께)는 Gaussian fitting을 통해 구체적으로 측정할 수 있을 것이다.
Figure pat00001
(y0=base, xc=x value at center, A=area, w=FWHM)
한편, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 직경 크기가 2 nm 미만인 경우, 충분한 입계저항 효과를 구현하기 힘들 수 있으며, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)의 평균 직경 크기가 5nm 초과인 경우, 입계저항 효과는 증대될 수 있으나 유전율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)은 상기 코어 영역의 표면을 20% 이상 50% 이하로 커버할 수 있다. 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 커버하는 코어 영역(21)의 표면이 20% 미만인 경우, 충분한 입계저항 효과를 구현하기 힘들 수 있으며, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 커버하는 코어 영역의 표면이 50% 초과인 경우, 입계저항 효과는 증대될 수 있으나 유전율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 평균 직경 크기는 3 nm 이상 10 nm 이하일 수 있다. 여기서, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 평균 직경 크기는 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 평균 직경 크기가 3 nm 미만인 경우, 충분한 산소 공공 억제 효과를 구현하기 힘들 수 있으며, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)의 평균 직경 크기가 10nm 초과인 경우, 산소공공 억제 효과는 증대될 수 있으나 유전율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)은 상기 코어 영역(21)의 표면을 35% 이상 80% 이하로 커버할 수 있다. 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)이 커버하는 코어 영역(21)의 표면이 35% 미만인 경우, 충분한 산소 공공 억제 효과를 구현하기 힘들 수 있으며, 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)이 커버하는 코어 영역(21)의 표면이 80% 초과인 경우, 산소 공공 억제 효과는 증대될 수 있으나 유전율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 및 2 인터페이스 쉘 영역(22a, 22b)의 평균 직경 크기가 커질수록 코어 영역(21)의 표면을 커버하는 비율은 증가하는 경향을 보였으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니고, 평균 직경 크기가 작은 경우라도 코어(21)를 커버하는 영역이 클 수 있으며, 반대로 평균 직경 크기가 큰 경우라도 코어(21)를 커버하는 영역이 작을 수 있다.
또한, 유전체 결정립의 쉘 영역(23)은 인터페이스 쉘 영역(22)의 적어도 일부를 커버할 수 있으며, 인터페이스 쉘(22)의 외측으로부터 결정립계(grain boundary)까지의 영역을 의미할 수 있다.
유전체 결정립(20)에는 La, Y, Ac, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 희토류 원소가 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 희토류 원소의 평균 함량은 코어(21)-인터페이스 쉘(22)-쉘(23) 구조를 가지는 유전체 결정립(20, 20') 중, 쉘 영역(23)에서 가장 높을 수 있다. 이는 제1 인터페이스 쉘(22a)에 의해 코어(21) 내부로의 확산이 억제된 것으로 볼 수 있으며, 이에 의해, 희토류 원소에 의한 신뢰성이 향상됨과 동시에 유전특성이 더욱 향상될 수 있다.
희토류 원소는 티탄산바륨(BaTiO3)계의 원소 자리를 효과적으로 치환할 수 있으며, 산소 공공 결함 농도 감소에 효과적이며, 과도한 결정립 성장을 억제하여, 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전자 부품의 유전체층(111)에 포함된 유전체 결정립의 일 결정립계(grain boundary)로부터 타 결정립계(grain boundary)까지의 제1 부성분인 Si, 제2 부성분인 Sn, 희토류 원소인 Dy 원소 함량을 측정한 line-profile 그래프이다.
먼저, Sn 원소 함량을 확인해보면 약 17.11 nm 부터 약 19.97 nm 영역에 피크(peak)가 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 코어(21) 영역의 일 외측에 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)이 형성되었음을 알 수 있다. Si 원소 함량을 확인해보면 약 84.00 nm 부터 약 88.42 nm 영역에 피크(peak)가 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 코어 영역(21)의 타 외측에 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 형성되었음을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 유전체 결정립을 찍은 TEM-EDS 이미지이다.
보다 구체적으로, 도 7(a)는 본 발명의 일 실시예의 유전체 결정립으로써, Si를 포함하는 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 코어 영역(21)의 표면을 20% 이상 50 % 이하로 커버하는 경우의 TEM-EDS 이미지이다. 화살표로 표시한 바와 같이 일정한 두께의 제1 인터페이스 영역(22a)이 있음을 확인할 수 있다. 도 7(b)는 비교예의 유전체 결정립으로써, 종래의 제조방법으로 제조한 유전체 입자를 소성한 경우의 TEM-EDS 이미지이다. 종래의 제조방법으로 제조한 유전체 입자를 생성한 이후에, Si를 첨가제로 첨가하였으나 제1 인터페이스 영역(22a)이 형성되지는 않았음을 확인할 수 있다. 도 7(c)는 비교예의 유전체 결정립으로써, 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 코어 영역(21)의 표면을 20% 미만으로 커버하는 경우의 TEM-EDS 이미지이다. 화살표로 표시한 영역에 희미하게 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)이 있음을 확인할 수 있으나, 도 7(a)와 같이 명확히 형성되지는 않았으며, 이로부터 입계저항 효과가 충분히 발휘되지 않음을 예상할 수 있다.
도 8(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 결정립의 Si, Sn, Dy 원소를 찍은 TEM-EDS 이미지이며, Si 이미지는 도 7(a)와 동일하다. Sn을 포함하는 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)이 코어 영역(21)의 표면을 커버하고 있으며 제1 인터페이스 쉘 영역(22a)과 유사한 영역에 형성되었으며, 일정한 두께를 가지고 형성되었음을 확인할 수 있고, 희토류 원소인 Dy가 코어(21) 내부로 확산되지 않은 채로 쉘 영역(23)에 주로 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 도 8(b)는 비교예의 유전체 결정립으로써, Si 이미지는 도 7(b)와 동일하다. Sn이 코어 영역(21)을 둘러싼 형태로 형성되어 있으나, 일정한 두께로 형성되어 있지 않아 제2 인터페이스 쉘 영역(22b)을 명확히 구분하기 어려우며, 이로부터 코어(21) 내부로의 확산이 발생하여 정방정계 구조(cubic structure)를 가지는 영역이 상대적으로 큰 것을 예상할 수 있고, 희토류 원소인 Dy가 포함되어 있음을 확인할 수 있다.
한편, 유전체층(111)의 두께(td)는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 내부 전극(121, 122)의 두께는 0.6 μm 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.4 μm 이하일 수 있다. 여기서 유전체층(111)의 두께(td)는 유전체층(111)의 평균 두께(td)를 의미할 수 있다.
유전체층(111)의 평균 두께(td)는 제1 및 제2 내부 전극(121, 122) 사이에 배치되는 유전체층(111)의 평균 두께를 의미할 수 있다.
유전체층(111)의 평균 두께(td)는 바디(110)의 길이 및 두께 방향(L-T) 단면을 1만 배율의 주사전자현미경(SEM)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 유전체층(111)을 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정한 평균값을 측정할 수 있다. 상기 등간격인 30개의 지점은 액티브부(Ac)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 10개의 유전체층(111)으로 확장하여 평균값을 측정하면, 유전체층(111)의 평균 두께(td)를 더욱 일반화할 수 있다. 여기서, 유전체층(111)의 평균 두께(td)는 유전체층(111)의 제1 방향 평균 크기를 의미할 수 있다.
바디(110)는, 바디(110)의 내부에 배치되며, 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 제1 내부 전극(121) 및 제2 내부 전극(122)을 포함하여 용량이 형성되는 액티브부(Ac)와 액티브부의 제1 방향 양 단면에 형성된 상부 및 하부 커버부(112, 113)를 포함할 수 있으며, 액티브부(Ac)의 제3 방향 양 측면 상에는 마진부(114, 115)가 배치될 수 있다.
액티브부(Ac)는 적층형 전자 부품의 용량 형성에 기여하는 부분으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 복수의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 반복적으로 적층하여 형성될 수 있다.
커버부(112, 113)는 액티브부(Ac)의 제1 방향 상부에 배치되는 상부 커버부(112) 및 액티브부(Ac)의 제1 방향 하부에 배치되는 하부 커버부(113)를 포함할 수 있다.
상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 단일 유전체층(111) 또는 2개 이상의 유전체층(111)을 액티브부(Ac)의 상하면에 각각 제1 방향(두께 방향)으로 적층하여 형성할 수 있으며, 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 내부 전극(121, 122)을 포함하지 않으며, 유전체층(111)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 즉, 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
커버부(112, 113)의 평균 두께(tc)는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 적층형 전자 부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 커버부(112, 113)의 평균 두께(tc)는 30 μm 이하일 수 있고, 초소형 제품에서는 보다 바람직하게 20 μm 이하일 수 있다.
커버부(112, 113)의 평균 두께(tc)는 바디(110)의 길이 및 두께 방향(L-T) 단면을 1만 배율의 주사전자현미경(SEM)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 커버부(112, 113)를 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정한 평균값을 측정할 수 있다. 상기 등간격인 30개의 지점은 상부 커버부(112, 113)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 상부 및 하부 커버부(112, 113)로 확장하여 평균값을 측정하면, 커버부(112, 113)의 평균 두께(td)를 더욱 일반화할 수 있다. 여기서, 커버부(112, 113)의 평균 두께(tc)는 커버부(112, 113)의 제1 방향 평균 크기를 의미할 수 있다.
한편, 마진부(114, 115)는 바디(110)의 제5 면(5)에 배치된 제1 마진부(114) 및 제6 면(6)에 배치된 제2 마진부(115)를 포함할 수 있다. 즉, 마진부(114, 115)는 바디(110)의 제3 방향(폭 방향) 양 측면에 배치될 수 있다.
마진부(114, 115)는 도 2에 도시된 바와 같이, 바디(110)의 두께 및 폭 방향(W-T 방향) 단면(cross-section)을 기준으로, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 제3 방향 양 측면과 바디(110)의 경계면 사이의 영역을 의미할 수 있다.
마진부(114, 115)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부 전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
마진부(114, 115)는 세라믹 그린시트 상에 마진부(114, 115)가 형성될 곳을 제외하고 도전성 페이스트를 도포하여 내부 전극(121, 122)을 형성함으로써 형성된 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 내부 전극(121, 122)에 의한 단차를 억제하기 위하여, 적층 후 내부 전극(121, 122)이 바디(110)의 제5 및 제6 면(5, 6)으로 노출되도록 절단한 후, 단일 유전체층(111) 또는 2 개 이상의 유전체층(111)을 액티브부(Ac)의 양 측면에 제3 방향(폭 방향)으로 적층하여 마진부(114, 115)를 형성할 수도 있다.
제1 및 제2 마진부(114, 115)의 평균 폭은 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 적층형 전자 부품(100)의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 제1 및 제2 마진부(114, 115)의 평균 폭은 30 μm 이하일 수 있으며, 초소형 제품에서는 보다 바람직하게 20 μm 이하일 수 있다.
마진부(114, 115)의 평균 폭은 바디(110)의 폭 및 두께 방향(W-T) 단면을 1만 배율의 주사전자현미경(SEM)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 마진부(114, 115)를 두께 방향으로 등간격인 10개의 지점에서 그 폭을 측정한 평균값을 측정할 수 있다. 상기 등간격인 10개의 지점은 제1 마진부(114)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 제1 및 제2 마진부(114, 115)로 확장하여 평균값을 측정하면, 마진부(114, 115)의 평균 폭을 더욱 일반화할 수 있다. 여기서, 마진부(114, 115)의 평균 폭은 마진부(114, 115)의 제3 방향 평균 크기를 의미할 수 있다.
내부 전극(121, 122)은 유전체층(111)과 교대로 적층될 수 있다. 내부 전극(121, 122)은 제1 내부 전극(121) 및 제2 내부 전극(122)을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 바디(110)를 구성하는 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 마주하도록 번갈아 배치되며, 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)으로 각각 노출될 수 있다.
제1 내부 전극(121)은 제4 면(4)과 이격되며 제3 면(3)을 통해 노출되고, 제2 내부 전극(122)은 제3 면(3)과 이격되며 제4 면(4)을 통해 노출될 수 있다. 바디(110)의 제3 면(3)에는 제1 외부 전극(131)이 배치되어 제1 내부 전극(121)과 연결되고, 바디(110)의 제4 면(4)에는 제2 외부 전극(132)이 배치되어 제2 내부 전극(122)과 연결될 수 있다.
즉, 제1 내부 전극(121)은 제2 외부 전극(132)과는 연결되지 않고 제1 외부 전극(131)과 연결되며, 제2 내부 전극(122)은 제1 외부 전극(131)과는 연결되지 않고 제2 외부 전극(132)과 연결될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 중간에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
한편, 바디(110)는 제1 내부 전극(121)이 인쇄된 세라믹 그린 시트와 제2 내부 전극(122)이 인쇄된 세라믹 그린 시트를 번갈아 적층한 후, 소성하여 형성될 수 있다.
내부 전극(121, 122)을 형성하는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(121, 122)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 하나 이상을 포함하는 내부 전극용 도전성 페이스트를 세라믹 그린 시트에 인쇄하여 형성할 수 있다. 내부 전극용 도전성 페이스트의 인쇄 방법은 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 내부 전극(121, 122)의 평균 두께(te)는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 일반적으로 내부 전극(121, 122)을 0.6μm 미만의 두께로 박층으로 형성하는 경우, 특히 내부 전극(121, 122)의 두께가 0.4μm 이하인 경우에는 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라 유전체 결정립(20)에 제1 인터페이스 쉘(22a)이 포함됨으로써, 비교적 낮은 온도에서 소성 공정을 진행할 수 있고, 내부 전극(121, 122)의 열화를 방지하여, 내부 전극(121, 122)의 평균 두께(te)가 0.4μm 이하인 경우에도 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다.
내부 전극(121, 122)의 평균 두께(te)는 바디(110)의 길이 및 두께 방향(L-T) 단면을 1만 배율의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 내부 전극(121, 122)을 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다. 상기 등간격인 30개의 지점은 액티브부(Ac)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 10개의 내부 전극(121, 122)으로 확장하여 평균값을 측정하면, 내부 전극(121, 122)의 평균 두께를 더욱 일반화할 수 있다. 여기서, 내부 전극(121, 122)의 평균 두께(te)는 내부 전극(121, 122)의 제1 방향 평균 크기를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 세라믹 전자 부품(100)이 2개의 외부 전극(131, 132)을 갖는 구조를 설명하고 있지만, 외부 전극(131, 132)의 개수나 형상 등은 내부 전극(121, 122)의 형태나 기타 다른 목적에 따라 바뀔 수 있을 것이다.
외부 전극(131, 132)은 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 외부 전극(131, 132)은 바디(110)의 제3 및 제4 면(3, 4)에 각각 배치되며, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)과 각각 연결되는 제1 및 제2 전극층(131a, 132a)를 포함할 수 있다.
한편, 외부 전극(131, 132)은 금속 등과 같이 전기 전도성을 갖는 것이라면 어떠한 물질을 사용하더라도 형성될 수 있고, 전기적 특성, 구조적 안정성 등을 고려하여 구체적인 물질이 결정될 수 있으며, 나아가 다층 구조를 가질 수 있다.
외부 전극(131, 232)은 도전성 금속 및 글래스(glass)를 포함한 소성 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극을 포함할 수 있다.
예를 들어, 외부 전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되는 전극층(131a, 132a) 및 전극층(131a, 132a) 상에 형성된 도금층(131b, 132b)을 포함할 수 있다. 전극층(131a, 132a)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 전극층(131a, 132a)은 도전성 금속 및 글라스를 포함한 소성 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극일 수 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디(110) 상에 소성 전극 및 수지계 전극이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디(110) 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성되거나, 소성 전극 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성된 것일 수 있다. 전극층(131a, 132a)에 포함되는 도전성 금속으로 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있으며 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도전성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 그들의 합금 중 하나 이상일 수 있다.
도금층(131b, 132b)은 실장 특성을 향상시키는 역할을 수행하며, 도전성 금속 또는 소성 전극을 포함하는 전극층(131a, 132a) 상에 배치될 수 있다.
도금층(131b, 132b)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 니켈(Ni), 주석(Sn), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금 중 하나 이상을 포함하는 단일한 층의 도금층(131b, 132b)일 수 있고, 복수의 층으로 형성될 수 있다.
도금층(131b, 132b)에 대한 보다 구체적인 예를 들면, 도금층(131b, 132b)은 Ni 도금층 또는 Sn 도금층일 수 있으며, 도금층(131a, 132a) 상에 Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있고, Sn 도금층, Ni 도금층 및 Sn 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수 있다. 또한, 도금층(131b, 132b)은 복수의 Ni 도금층 및/또는 복수의 Sn 도금층을 포함할 수도 있다.
적층형 전자 부품(100)의 사이즈는 특별히 한정할 필요는 없다.
다만, 소형화 및 고용량화를 동시에 달성하기 위해서는 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 유전체층(111) 및 내부 전극(121, 122)의 박층화에 따른 전계 하에서 내부 전극의 열화 방지 효과를 구현할 수 있는 본 발명의 효과는, 0402 (길이×폭, 0.4 mm×0.2 mm) 이하의 사이즈를 가지는 적층형 전자 부품(100)에서 본 발명에 따른 신뢰성 및 단위 부피당 용량 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예와 비교예에 대해 특성 평가를 진행한 것을 상세히 설명하기로 한다.
도 9 및 도 10은 비교예 및 본 발명의 일 실시예의 초가속수명시험(HALT, Highly Accelerated Life Test)의 그래프이다.
보다 구체적으로, 도 9는 비교예의 HALT 그래프이며, (a)는 온도조건 115°C, 전압 조건 1.2 Vr에서 72 시간동안 진행한 것이며, MTTF(Mean Time To Failure)는 39.6 시간이다. (b)는 온도조건 115°C, 전압조건 1.5 Vr에서 72 시간동안 진행한 것이며, MTTF는 16.2 시간이다. 동일한 비교예의 초기 IR 수치는 5.66*10^6이며, IR 열화 정도를 의미하는 기울기 값인 (log(초기IR/후기IR)은 3.16 으로 측정되었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 HALT 그래프이며 실험 조건은 도 9와 동일하다. 즉, (a)는 온도조건 115°C, 전압조건 1.2 Vr에서 72 시간동안 진행한 것이며, MTTF는 22.5 시간이다. (b)는 온도조건 115°C, 전압조건 1.5 Vr에서 72시간동안 진행한 것이며, MTTF는 22.5 시간이다. 동일한 실시예의 초기 IR 수치는 8.28*10^6이며, IR 열화 정도를 의미하는 기울기 값인 (log(초기IR/후기IR))은 2.53 으로 측정되었다.
정리하면, 비교예 및 실시예를 동일 조건에서 실험하였을 경우, (a) 조건에서의 MTTF는 39.6 시간에서 57.9 시간으로 약 46% 개선되었음을 확인할 수 있었으며, (b) 조건에서의 MTTF는 16.2 시간에서 22.5 시간으로 약 39% 개선되었음을 확인할 수 있다. 초기 IR 수치 또한 5.66*10^6에서 8.28*10^6으로 개선되었으며, IR 열화 정도 파악을 위한 기울기 값(log(초기IR/후기IR)도 3.16에서 2.53으로 개선되어, 동일한 온도 및 전압 조건을 동일한 시간으로 진행하였을 때 IR 열화가 감소되는 것을 확인할 수 있다..
한편, 하기의 표 1은 유전체 입자 제조과정에서 투입한 Si 함량에 따른 적층형 전자 부품에서 검출된 Si 함량, MTTF, 유전율을 측정한 데이터이다. 첨가제에 포함된 Si의 영향으로 초기 투입한 Si 보다 더 많은 Si가 검출되었다. Si가 증가할수록 입계 저항이 증가하여 MTTF가 증가하는 경향을 보였지만, 유전율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
검출된 Si 함량은 유전체 결정립의 제1 인터페이스 영역에서 TEM으로 detecting 된 Si 함량에 대한 데이터를 의미한다.
MTTF는 온도조건 125°C, 전압조건 1.2 Vr에서 초가속수명시험(HALT)을 진행한 경우의, 절연파괴평균시간을 의미한다.
첨가 Si 함량 (ppm) 0 300 500 1000
검출된 Si 함량 (ppm) 376 561 768 1243
MTTF (hrs) 9.53 10.96 12.04 16.27
유전율 2683.43 2413.076 2231.133 2064.37
유전체 입자의 형성 시, 제1 인터페이스 쉘이 될 수 있는 Si의 함량이 증가할수록, 소성 후, 유전체 결정립의 제1 인터페이스 쉘에서 검출된 Si의 함량이 증가함을 확인할 수 있으며, MTTF가 증가한 것을 확인할 수 있다. 다만, Si가 과도하게 첨가된 경우, 유전율이 감소하였음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 우수한 MTTF 및 유전율을 가지는 적층형 전자 부품의 제1 인터페이스 쉘 영역에서 검출되는 Si의 바람직한 함량은 1500 ppm 이하임을 확인할 수 있으며, 보다 바람직하게는 1243ppm 이하이다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다
20: 유전체 결정립
21: 코어
21a, 21b: 제1 및 제2 코어
22: 인터페이스 쉘
22a, 22b: 제1 및 제2 인터페이스 쉘
23: 쉘
100: 적층형 전자 부품
110: 바디
111: 유전체층
112, 113: 커버부
114, 115: 마진부
121, 122: 내부 전극
131, 132: 외부 전극
131a, 132a: 전극층
131b. 132b: 도금층

Claims (13)

  1. 복수의 유전체층 및 내부 전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디의 외측에 배치되며, 상기 내부 전극과 연결되는 외부 전극; 을 포함하고,
    상기 유전체층은 복수의 유전체 결정립을 포함하며,
    상기 복수의 유전체 결정립 중 적어도 하나 이상은 내측의 코어 영역, 상기 코어 영역의 적어도 일부를 커버하는 제1 및 제2 인터페이스 쉘 영역을 포함하는 인터페이스 쉘 영역 및 상기 인터페이스 쉘 영역의 적어도 일부를 커버하는 쉘 영역을 포함하는 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지고,
    상기 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지는 유전체 결정립은 티탄산바륨(BaTiO3)계 모재 주성분, Si를 포함하는 제1 부성분, 및 Mn, V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Zn 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 제2 부성분을 포함하되, 상기 제1 부성분의 평균 함량은 제1 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높고, 상기 제2 부성분의 평균 함량은 상기 제2 인터페이스 쉘 영역에서 가장 높은
    적층형 전자 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인터페이스 쉘 영역의 평균 직경 크기는 2 nm 이상 5 nm 이하인
    적층형 전자 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인터페이스 쉘 영역은 상기 코어 영역의 표면을 20% 이상 50% 이하 커버하는
    적층형 전자 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인터페이스 쉘 영역의 평균 직경 크기는 3 nm 이상 10 nm 이하인
    적층형 전자 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인터페이스 쉘 영역은 상기 코어 영역의 표면을 35% 이상 80% 이하 커버하는
    적층형 전자 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 티탄산바륨(BaTiO3)계 모재 주성분은 BaTiO3, (Ba,Ca)(Ti,Ca)O3, (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 및 Ba(Ti,Zr)O3 으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어 영역은, 내측의 제1 코어 영역 및 상기 제1 코어 영역의 적어도 일부를 커버하는 제2 코어 영역을 포함하는 제1 코어-제2 코어 구조를 가지며,
    상기 제1 코어 영역은 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가지며, 상기 제2 코어 영역은 상기 제2 부성분을 포함하며, 입방정계 구조(cubic structure)를 가지는
    적층형 전자 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코어 영역의 평균 직경 크기는 55 nm 이상 65 nm 이하인
    적층형 전자 부품.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 코어 영역의 평균 직경 크기는 45 nm 이상 55 nm 이하인
    적층형 전자 부품.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 코어 영역의 평균 직경 크기는 5 nm 이상 15 nm 이하인
    적층형 전자 부품.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 결정립은 희토류 원소를 더 포함하는
    적층형 전자 부품.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 La, Y, Ac, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는
    적층형 전자 부품.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 희토류 원소의 평균 함량은 상기 코어-인터페이스 쉘-쉘 구조를 가지는 유전체 결정립 중 쉘 영역에서 가장 높은
    적층형 전자 부품.
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KR20180051760A (ko) 2016-11-09 2018-05-17 삼성전기주식회사 유전체 조성물 및 이를 포함하는 적층 세라믹 커패시터

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