KR0145121B1 - 고유전율계 세라믹 유전체 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미국 EIA에서 정한 X7R 규격특성를 만족시키는 동시에 높은 유전율을 가지며, 절연 저항과 절연 파괴 전압이 높은 적층 세라믹 콘덴서 제조용 유전체 조성물에 관한 것이다.

최근의 제품의 소형화와 고용량화에 대응하기 위하여 정전 용량을 높히기 위해서 높은 유전율을 갖는 유전체를 사용하고 유전체 두께를 얇게하며, 고신뢰성의 적층 세라믹 콘덴서를 제조하기 위해서 소결후 유전체의 결정립이 미세하고 치밀하며 높은 절연 저항과 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체의 개발이 필수적이다.

본 발명의 세라믹 유전체 조성물을 적층 세라믹 콘덴서에 이용하면 유전체 층의 두께를 얇게할 수 있어 원가 절감의 효과가 클뿐 아니라, 소형화 및 고용량화에 대응할 수 있는 고신뢰성의 제품을 생산할 수 있다.

Description

고유전율계 세라믹 유전체 조성물

제1도는 적층 세라믹 콘덴서의 개략도이다.

제2도는 EIA의 적층 세라믹 콘덴서에 대한 X7R 온도 특성규격을 나타내는 유전율의 온도 특성 범위와 본 발명의 실시예 2에 따른 유전율의 온도 특성을 도시한 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1: 유전체 2 : 내부전극

3: 외부전극 A : X7R 규격에서 정한 유전율의 온도특성 범위

B : 실시예 2에 따른 조성물의 유전율의 온도특성(temperature characteristics ; T.C

본 발명은 민생용 및 산업용 전자 기기등에 사용되는 대표적인 부품의 하나인 적층 세라믹 콘덴서 제조용 유전체 조성물에 관한 것으로, 특히 미국 EIA(Electronic Industrial Association)에서 정한 X7R 규격특성(-55℃∼+125℃의 온도 범위에서 25℃에서의 유전율을 기준으로 하여 온도 변화에 따른 유전율의 변화율이 ±15%이내)을 만족시키는 동시에 3,900∼4,500의 높은 유전율을 가지며, 절연 저항이 10¹³∼10¹4Ωcm로 높고, 절연 파괴 전압도 15KV/mm 이상인 세라믹 유전체 조성물에 관한 것이다.

여기에서 유전체(Dielectric Substance)란 정전기장을 가할 때 전기분극(電氣分極)은 생기나 직류전류는 생기지 않는 물질을 말한다.

최근 적층 세라믹 콘덴서는 각종 전자 기기의 소형, 경량화의 추세에 따라 표면 실장이 가능하고 부품 자체의 소형화와 단위 체적당 높은 정전 용량을 나타내는 특성이 기인하여, 캠코더, 하드디스크 드라이브 등의 각종 전자 제품의 수동 소자로 광범위하게 사용되고 있으며, 앞으로도 그 이용 범위는 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다.

표면실장이란 기판의 면과 부품의 면을 면과 면의 대응방식으로 접속하는 방법을 말한다.

이와같은 적층 세라믹 콘덴서의 내부 구조는 제1도에 나타나 있듯이 세라믹 유전체(1) 의 내부에 교차적으로 내부전극(2)이 형성되고, 그 내부전극(2)이 일단의 외부로 노출된 세라믹 유전체(1) 의 양 측면에 외부전극(3)이 형성되도록 이루어진다.

이러한 내부 구조에 있어서 적층 세라믹 콘덴서의 사용에 있어서 중요한 선택 기준이 되는 정전 용량(electrostatic capacitance)은 유전체의 고유값인 유전율(Dielectric Constant), 내부 전극의 유효한 대향 면적과 적층수에 비례하고, 유전체의 두께에는 반비례하게 된다. 정전 용량은 콘덴서에서 전하를 축적할 수 있는 능력을 나타내며 단위는 파라드(farad, F)이다.

따라서 최근의 제품의 소형화와 고용량화에 대응하기 위하여 규정된 크기의 적층 세라믹 콘덴서에 있어서 단위 체적당 정전 용량을 높히기 위해서는 높은 유전율을 갖는 유전체의 사용과 유전체 두께를 얇게 할 필요성이 대두되고 있다.

그러나 종래의 세라믹 유전체 조성물은 특히 넓은 온도 범위에서 안정된 유전율의 온도 특성을 갖는 X7R 특성을 만족하는 세라믹 유전체 조성물은 BaTiO₃와 Nb₂O₅를 주성분으로 하여 각종 부성분을 첨가하여 제조하였다. 즉, 일본 특허공보 소 61-99207호에서 MgO와 CeO₂를 첨가하였으며, 소 62-229605호에서 Co₂O₃, MnO₂및 CeO₂를 첨가하였다.

그러나 상기의 조성물로 제조된 세라믹 유전체 조성물은 유전손실이 0.8%이상으로 높고, 절연 저항도 10¹¹Ωcm로 높은 값을 갖으며 X7R 특성을 만족하는 적층 세라믹 콘덴서 제조용 유전체 조성물을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 96.88∼98.458 몰%의 BaTiO₃를 주성분으로 하고 여기에 0.95∼1.49 몰%의 Nb₂O₅, 0.16∼0.75 몰%의 Dy₂O₃, 0.2∼0.5 몰%의 MnO₂및 0.15∼0.40 몰%의 NiO를 첨가하여 세라믹 유전체 조성물을 구성하였다.

본 발명의 상기 조성물 구성에 있어서 Nb₂O₅는 BaTiO₃의 큐리 온도(Curie Temperature)에서의 매우 높은 유전율을 낮추어 평탄한 유전율의 온도 특성을 갖게 하는 동시에 결정립의 성장을 억제하여 결정립의 입경을 1∼3㎛ 정도로 매우 미세하게 만드는 역할을 한다.

희토류 산화물(Rare Earth Oxied)인 Dy₂O₃의 첨가는 온도 특성의 개선과 유전율을 증가시키는 효과가 있으며, 미세하고 치밀한 소결 상태를 나타나게 한다.

전이 금속 산화물(Transition Metal Oxide)인 MnO₂와 NiO는 손실값을 낮추고, 절연 저항을 증가시키는 역활과 특히 저온 영역에서의 온도 특성 개선에 효과적으로 작용한다.

이상에서의 Nb₂O₅, Dy₂O₃, MnO₂및 NiO의 첨가량이 상기 조성물 범위를 벗어나게 되었을 때는 유전율, 온도특성, 절연 저항, 절연파괴 전압 등의 전기적 특성을 각각 개별적으로는 본 발명의 목적을 만족할 수는 있으나, 전체적으로 종합된 전기적 특성은 본 발명의 목적을 만족할 수 없게 된다.

이상 상술한 본 발명에 따른 세라믹 유전체 조성물은 유전율이 3900∼4500으로 높고, 유전손실은 0.5%이하이고, 절연저항은 10¹³∼10¹⁴Ωcm이며, 절연 파괴 전압은 15KV/mm이상인 동시에 X7R 온도 특성 규격을 만족하게 된다.

따라서 본 발명의 세라믹 유전체 조성물을 적층 세라믹 콘덴서 제조에 이용하면 상기 특성으로 인하여 원가 절감효과가 지대하며, 소형이면서도 고용량의 신뢰성 높은 제품생산이 가능해지는 효과가 기대된다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 제조방법 및 그 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 실시예만으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1∼6]

출발 원료로 BaTiO₃, Nb₂O₅, Dy₂O₃, MnO₂및 NiO를 표1 에 표시된 조성물이 되도록 평량한 뒤, 불순물의 혼입을 방지하기 위해 나일론 재질의 포토에서 지르코니아 볼을 이용하여 탈이온수와 함께 볼 밀링 방법으로 약 12시간 동안 습식, 혼합하여 분말상 혼합물을 제조한다.

균일하게 혼합된 상기 유전체 분말을 약 120℃ 정도에서 건조한 후, 여기에 폴리비닐알콜 5% 수용액을 유전체 분말에 대하여 약 5wt% 첨가하여 조립화한 다음 일축 가압 성형기를 이용하여 직경 10mm의 원판형 성형제를 제작한다. 이때 성형체 시편의 두께는 1.0∼1.2mm 정도가 되고 성형 밀도는 약 3.6g/㎤가 되게 한다.

성형된 시편은 안정화된 지르코니아 세터에 올려놓고 1290∼1320℃에서 약 2시간 동안 공기분위기의 전기로에서 소결을 실시한다.

소결된 시편의 양면에 은 전극을 7mm 직경의 원형으로 도포하고 건조한 후, 800℃에서 열처리하면 전기적 특성을 측정할 수 있는 최종 시편이 만들어지게 된다.

전기적 특성 측정에 있어서, 유전율과 유전 손실은 미국 휴렛 팩커드사의 용량계(모델명: HP 4278A, Capacitance meter)를 사용하여 25℃, 1KHz, 1V의 측정 조건으로 측정하고, 유전율의 온도 특성은 상기 용량계와 -55∼+125℃까지 온도 조절이 가능한 항온도를 조합하여 측정하였으며, 절연 저항은 휴렛 팩커드사의 고저항 측정기(모델명 433A)를 사용하여 100V의 전류 전압을 1분동안 인가한 후 측정하였다.

또한 절연파괴전압은 자체 제작한 전열 파괴 전압 측정기를 사용하여 공기중에서 측정기 발생하는 공기중으로 전류가 흐르는 것(over flash)을 방지하기 위하여 절연유 속에서 측정을 실시하였다. 이상과 같은 방법으로 측정한 전기적 특성의 결과치를 표2에 나타내었다.

[비교예 1∼4]

BaTiO₃, Nb₂O₅, Dy₂O₃, MnO₂및 NiO를 표1에 기재된 것과 같이 보발명의 범위를 벗어난 양으로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1∼6에 기재된 것과 동일한 방법으로 세라믹 유전체 조성물을 제조하였으며, 또한 동일한 방법으로 전기적 특성을 측정하여 그 결과치를 표2에 나타내었다.

상술한 실시예 및 비교예로부터 알 수 있듯이 본 발명의 세라믹 유전체 조성물은 유전율은 3900∼4500 정도로 높고, 유전 손실은 0.65%이하이며, 절연 저항은 10¹³∼10¹⁴Ωcm로 높은 값을 가지며, 절연파괴 전압은 15KV/mm 이상인 동시에 온도 특성 또한 ±15% 이내로 X7R 규격을 만족하고 있었다.

Claims (1)

1. 96.88∼98.45몰%의 BaTiO₃, 0.95∼1.49몰%의 Nb₂O₅, 0.16∼0.75몰%의 Dy₂O₃, 0.20∼0.50몰%의 MnO₂및 0.15∼0.40 몰%의 NiO로 구성됨을 특징으로 하는 고유전율계 세라믹 유전체 조성물.