Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

KR20230095706A - 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230095706A
KR20230095706A KR1020210185450A KR20210185450A KR20230095706A KR 20230095706 A KR20230095706 A KR 20230095706A KR 1020210185450 A KR1020210185450 A KR 1020210185450A KR 20210185450 A KR20210185450 A KR 20210185450A KR 20230095706 A KR20230095706 A KR 20230095706A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
composition
ceramic composition
mgta
mgtio
dielectric
Prior art date
Application number
KR1020210185450A
Other languages
English (en)
Inventor
여동훈
신효순
박지훈
최진식
Original Assignee
한국세라믹기술원
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 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020210185450A priority Critical patent/KR20230095706A/ko
Publication of KR20230095706A publication Critical patent/KR20230095706A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/46—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates
    • C04B35/462—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates
    • C04B35/465—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates based on alkaline earth metal titanates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3275—Cobalt oxides, cobaltates or cobaltites or oxide forming salts thereof, e.g. bismuth cobaltate, zinc cobaltite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3284—Zinc oxides, zincates, cadmium oxides, cadmiates, mercury oxides, mercurates or oxide forming salts thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Abstract

본 발명에 따라 MgTiO3 세라믹스 조성에 MgTa2O6 세라믹스 조성을 합성한 유전체 세라믹스 조성물은, MgTiO3 고유의 유전율(εr)과 Q×f 값을 지나치게 열화시키지 않으면서 MgTiO3와 MgTa2O6 각 고유의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수의 마이크로파 유전특성이 혼합됨으로써 열악한 MgTiO3의 음(-)의 공진 주파수 온도계수(τf)가 양(+)으로 이동하여 양호하게 보상되며 최대 거의 0ppm/℃에 완전히 근접한 특성을 구현할 수 있다. 또한, 나아가, 본 발명에 따라 상기 MgTiO3 세라믹스 조성에서 Mg를 Zn 또는 Co로 소량 일부 치환함으로써 소결성을 개선하여 품질계수 Q×f값을 더 증가시킬 수도 있다. 이러한 본 발명의 유전체 세라믹스 조성물은 중 유전율 대역의 유전율(εr)과 양호한 품질계수의 Q×f 값을 가지면서도 우수한 공진 주파수 온도계수(τf)를 가지므로, 고주파 소자용으로서 적용에 적합하다.

Description

고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법 {DIELECTRIC CERAMICS COMPOSITION FOR HIGH FREQUENCY DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 고주파 소자에 적합한 마이크로파 유전특성인 유전율(εr)과 Q×f 값(Q는 품질계수, f는 공진 주파수)을 가지면서도 우수한 공진 주파수 온도계수(τf) 특성을 제공하는 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
최근 GHz 고주파수 대역을 사용하는 5G 또는 B5G(Beyond 5G), VR(Virtual Reality) 등의 차세대 통신 및 자율주행기술이 급격히 발전함에 따라, 이들 시스템에 사용되는 기지국용 RF 필터 등 고주파 소자가 개발되고 있다.
일반적으로 이러한 고주파 소자는 벌크 또는 후막 등 형태의 유전체 세라믹스로 구성되고 GHz대 고주파수 영역에서 사용되므로, 해당 유전체는 저주파수 대역용의 높은 유전율보다는, 해당 고주파수대에서 유전체 세라믹스의 유전손실(tanδ)이 최대한 작도록 가능한 높은 품질계수(quality factor: Q)를 가짐이 요구된다. 예컨대, 상기 RF 필터용 유전체는 중 유전율인 대략 20 내외의 유전율을 갖고 공진 주파수(f)에서 가능한 큰 Q×f값을 가져야 한다.
즉, 이러한 유전체 세라믹스는 구성하는 고주파 소자의 전기적 특성을 좌우하므로, 다음 (i)~(iii)과 같은 마이크로파 유전특성이 요구된다:
(i) 먼저, 작동 주파수 파장의 역수는 유전체 세라믹스의 유전율(εr)의 1/2승에 비례하므로, 사용되는 고주파 소자부품에 따른 적절한 유전율을 가짐이 필요하다. 대체로 기지국용 RF 필터 등 고주파 소자로의 적용을 위해서는 전술했듯이 대략 20 내외 범위의 중간 수준의 유전율이 요구된다.
(ii) 또한, 높은 작동 주파수로 인하여 유전체 세라믹스의 유전손실(tanδ)이 증가하므로, 고주파 소자의 고효율 동작을 위해서는 작동 주파수대에서 유전체 세라믹스의 유전손실(tanδ)이 작아 이의 역수인 품질계수(Q)가 크고 Q×f값이 커야 한다.
(iii) 마지막으로, 상기 고주파 소자의 안정된 동작을 위해서 이를 이루는 유전체 세라믹스에서 공진 주파수의 온도계수(TCF(Temperature Coefficient Factor): τf)가 가능한 한 작아 가능한 0ppm/℃에 근접하는 값이 바람직하다.
현재까지 개발된 고주파수 대역용으로서 대략 20 내외의 저/중 유전율을 갖는 재료로서는 주로 Al2O3 세라믹스와 MgTiO3 세라믹스를 들 수 있다.
Al2O3 세라믹스는 유전율(εr)이 대략 10, Q×f 값이 대략 100000 이상, 공진 주파수 온도계수(τf)가 대략 -55ppm/℃ 정도이고, 또한 MgTiO3 세라믹스는 유전율(εr)이 대략 17, Q×f 값이 대략 160000, 공진 주파수 온도계수(τf)가 대략 -50ppm/℃ 정도로 보고되고 있다. 하지만, 이들 세라믹스의 온도계수(τf)는 큰 음(-)의 값을 가지므로, 고주파 소자로서의 안정된 동작을 위해서는 이들 온도계수를 보다 양(+)으로 높여 0ppm/℃으로 근접시켜야 함이 요청된다.
1. V.M. Ferreira 등, J. mater. Res., Vol.12, No.12, pp.3293~3299, 1997
2. 공개특허 제10-2013-0081383호(2013.07.17)
따라서, 본 발명은 MgTiO3 고유의 유전율(εr)과 Q×f 값을 크게 열화시키지 않으면서도 열악한 MgTiO3의 공진 주파수 온도계수(τf) 특성을 개선하는 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물과 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
위 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 유전체 세라믹스 조성물은 MgTiO3 세라믹스와 MgTa2O6 세라믹스가 함께 고용체를 이루고 상기 고용체 내에서 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상이 공존한다.
이때, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 하기 식 1의 조성으로 표현될 수 있다:
xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 1)
(이때, x는 0.3~0.9 범위이다)
또한, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 상기 MgTiO3 세라믹스의 A사이트에서 Mg가 Zn 또는 Co로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물일 수 있다.
이때, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 하기 식 2의 조성으로 표현될 수 있다:
xMg0 .95M0. 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 2)
(이때, M은 Zn 또는 Co이고, x는 0.3~0.9 범위이다)
또한, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 상기 고용체에서 공존하는 상기 MgTiO3 상의 함량과 MgTa2O6 상의 함량 간의 상대적 비율에 따라 공진 주파수 온도계수(τf)가 변화할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 1200℃ 내지 1490℃의 온도범위에서 상기 고용체를 이룰 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 MgTiO3 세라믹스의 A 사이트에서 Mg가 Co로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물이 상기 MgTiO3 세라믹스의 A 사이트에서 Mg가 Zn으로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물보다 더 낮은 온도에서 상기 고용체를 이룰 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 유전체 세라믹스 조성물은 상기 고용체가 MgTi2O5 상을 더 포함하고 상기 MgTi2O5 상은 상기 고용체 내에서 상기 MgTiO3 상 및 MgTa2O6 상과 공존할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 의한 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법은 하기 제1~제3 단계를 포함한다:
- 상기 식 1의 조성 또는 상기 식 2의 조성에 따라 MgO, TiO2, Ta2O5, ZnO 및 CoO 중에서 선택되는 각 원료분말을 칭량 및 혼합하되, 사전에 의도된 공진 주파수 온도계수(τf)를 얻도록 상기 식 1 또는 식 2에서 상기 x의 값을 0.3~0.9 범위 내에서 조절하여 칭량 및 혼합하는 제1단계;
- 상기 혼합 분말을 하소하여 상기 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상이 생성된 하소 분말을 제조하는 제2단계; 및
- 상기 하소 분말을 압축 성형하고 1200~1490℃의 온도범위에서 소결하여 유전체 세라믹스를 제조하는 제3단계.
이때, 선택적으로, 상기 제3단계에서 제조되는 상기 유전체 세라믹스의 Q×f(Q는 품질계수, f는 공진 주파수) 값을 증가시키도록 상기 제1단계는 상기 식 2의 조성에 따라 상기 각 원료분말을 칭량 및 혼합할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 제3단계는 상기 식 2의 M이 Co로 선택된 조성 xMg0.95Co0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6를 상기 식 2의 M이 Zn으로 선택된 조성 xMg0.95Zn0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 보다 더 낮은 온도에서 소결하여 상기 유전체 세라믹스를 제조할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 제3단계는 상기 식 2의 M이 Co로 선택된 조성 xMg0.95Co0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6를 1350~1375℃의 온도범위에서 소결하여 상기 유전체 세라믹스를 제조할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 제3단계는 상기 소결을 2~4시간 범위에서 수행할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 제3단계에서 소결된 상기 유전체 세라믹스의 수축률은 16~20% 범위일 수 있다.
본 발명에 따라 MgTiO3 세라믹스 조성에 MgTa2O6 세라믹스 조성을 합성한 유전체 세라믹스 조성물은, MgTiO3 고유의 유전율(εr)과 Q×f 값을 지나치게 열화시키지 않으면서 MgTiO3와 MgTa2O6 각 고유의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수의 마이크로파 유전특성이 혼합됨으로써 열악한 MgTiO3의 음(-)의 공진 주파수 온도계수(τf)가 양(+)으로 이동하여 양호하게 보상되며 최대 거의 0ppm/℃에 완전히 근접한 특성을 구현할 수 있다. 또한, 나아가, 본 발명에 따라 상기 MgTiO3 세라믹스 조성에서 Mg를 Zn 또는 Co로 소량 일부 치환함으로써 소결성을 개선하여 품질계수 Q×f값을 더 증가시킬 수도 있다. 이러한 본 발명의 유전체 세라믹스 조성물은 중 유전율 대역의 유전율(εr)과 양호한 품질계수의 Q×f 값을 가지면서도 우수한 공진 주파수 온도계수(τf)를 가지므로, 고주파 소자용으로서 적용에 적합하다.
도 1a~1c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결하여 측정한 밀도변화를 나타내는 그래프로서, 도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 1b는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Zn0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 1c는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Co0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성에서 각 소결온도에서 조성식 내 x 몰비를 변화시킴에 따른 밀도변화를 나타낸다.
도 2a~2c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결한 후의 전자현미경 사진으로서, 도 2a는 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 2b는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Zn0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 2c는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성에서 각 소결온도에서 조성식 내 x 몰비를 변화시킴에 따른 미세구조의 변화를 보인다.
도 3a~3c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결한 후의 생성된 상변화를 나타내는 XRD 결과로서, 도 3a는 1460℃에서 소결한 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 3b는 1400℃에서 소결한 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Zn0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 3c는 1375℃에서 소결한 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성 각각의 XRD 패턴을 보인다.
본 발명은, 전술했듯이 중 유전율 대역인 대략 17 정도의 유전율(εr)과 양호한 품질계수 Q×f 값을 갖지만 대략 -50ppm/℃ 정도로 열악한 공진 주파수 온도계수(τf)를 갖는 종래의 MgTiO3 세라믹스 조성에서, 유전율(εr)과 양호한 품질계수의 Q×f 값을 유지하면서도 열악한 상기 공진 주파수 온도계수(τf) 특성을 개선한 조성을 제공한다.
이러한 관점에서, 본 발명자들은 MgTa2O6 세라믹스 조성을 연구한 결과, 그의 유전율(εr)은 대략 30이고 Q×f 값은 대략 59600GHz이면서, 특히 공진 주파수 온도계수(τf)가 양(+)의 값인 대략 +30ppm/℃에 이르는 것을 알아냈다.
이에 따라, 본 발명자들은, 이러한 양(+)의 공진 주파수 온도계수를 갖는 MgTa2O6 세라믹스 조성을 음(-)의 공진 주파수 온도계수를 갖는 MgTiO3 세라믹스 조성과 합성하여 소결하면, 소결체 내에 MgTiO3와 MgTa2O6는 서로 고용되지 않고 서로 별개의 상으로서 공존하게 됨으로써, MgTiO3 고유의 유전율(εr)과 Q×f 값을 지나치게 열화시키지 않으면서 MgTiO3와 MgTa2O6 고유의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수의 마이크로파 유전특성이 서로 혼합되며, 특히 열악한 MgTiO3의 음(-)의 공진 주파수 온도계수(τf)가 양(+)으로 이동하여 양호하게 보상됨을 발견하였다.
이러한 본 발명에서 일 구현예에 의한 유전체 세라믹스 조성은 아래 식 1로서 표현된다:
xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 1)
(이때, x는 0.3~0.9 범위이다)
본 구현예에 따라 상기 식 1의 유전체 세라믹스 조성물은 최고의 특성으로서 대략 25의 유전율(εr)과, 대략 45840의 Q×f, 그리고 대략 0.26ppm/℃의 공진 주파수 온도계수(τf)의 마이크로파 유전특성을 가지며, 무엇보다도 공진 주파수 온도계수(τf)가 현저히 개선되어 거의 0ppm/℃에 근접하는 특성을 구현한다.
또한, 나아가 본 발명의 다른 일 구현예에 의하면, 상기 식 1에 따른 본 발명 유전체 세라믹스 조성은 상기 MgTiO3의 A-사이트에서 Mg를 Zn 또는 Co로 소량 일부 치환함으로써 소결성을 개선하여 품질계수 Q×f값을 더욱 개선할 수 있다.
이에 따른 본 발명의 다른 일 구현예에 의한 유전체 세라믹스 조성은 아래 식 2로서 표현된다:
xMg0 .95M0. 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 2)
(이때, M은 Zn 또는 Co이고, x는 0.3~0.9 범위이다)
본 구현예에 따라 상기 식 2에 따른 유전체 세라믹스 조성물은 유전율(εr)이 최대 대략 26이고 Q×f 값이 최대 대략 77820으로서, 유전율(εr)이 유사하게 유지되면서도 특히 Q×f 값이 상기 식 1의 유전체 세라믹스 조성물의 값보다 170% 이상으로 크게 증가하여 유전손실(tanδ)이 크게 낮은 마이크로파 유전특성을 보인다. 다만, 공진 주파수 온도계수(τf)는 최소 8.52ppm/℃로서 상기 식 1의 유전체 세라믹스 조성물의 값보다는 열화하지만, 종래 MgTiO3 세라믹스 조성의 값보다는 여전히 향상된 값을 보인다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 더 상세히 설명하기 위한 것으로서 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
먼저, 출발 원료로서 순도 99.9% 이상의 MgO, TiO2, Ta2O5, ZnO, CoO를 출발 물질로 사용하여 각 분말을 상기 식 1~2의 화학양론비율에 따라 칭량 및 혼합하였다. 이후, 혼합한 분말을 1100℃에서 2시간 동안 하소한 후, 분쇄하여 상을 형성하였다. 그리고, 분쇄한 분말은 PVA와 섞어 소결 후의 사이즈가 직경 10㎜, 높이 6㎜가 되도록 원판형으로 일축 가압 성형하였고, 제조된 성형체를 1200℃ 내지 1490℃의 온도범위에서 대략 2~4시간 동안, 바람직하게는 4시간 동안 소결하였고, 아래 도 1a~1c, 도 2a~2c 및 도 3a~3c는 4시간 소결한 결과이다. 소결된 시편들의 수축률은 16~20%로 측정되었다.
도 1a~1c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결하여 측정한 밀도변화를 나타내는 그래프로서, 도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 1b는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Zn0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 1c는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Co0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성에서 각 소결온도에서 조성식 내 x 몰비를 변화시킴에 따른 밀도변화를 나타낸다.
또한, 도 2a~2c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결한 후의 전자현미경 사진으로서, 도 2a는 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 2b는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Zn0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 2c는 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0.95Co0.05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성에서 각 소결온도에서 조성식 내 x 몰비를 변화시킴에 따른 미세구조의 변화를 보인다.
도 1a~1c를 참조하면, 본 발명 구현예들의 조성물들은 소결온도 1460℃, 1400℃ 및 1375℃에서 가장 높은 밀도를 보이며, 특히 도 1c에서 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성은 다른 조성에 비하여 소결온도가 크게 감소됨을 알 수 있다. 또한, 도 2a~2c를 보면, 모든 조건에서 본 발명 구현예들의 조성물들 내에서 치밀한 미세구조가 관찰되며 도 1a~1c에서와 같이 소결성이 확보됨을 알 수 있다.
또한, 도 3a~3c는 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성물들을 소결한 후의 생성된 상변화를 나타내는 XRD 결과로서, 도 3a는 1460℃에서 소결한 본 발명의 일 구현예에 따른 xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 3b는 1400℃에서 소결한 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Zn0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성, 도 3c는 1375℃에서 소결한 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 조성 각각의 XRD 패턴을 보인다.
도 3a~3c를 참조하면, 본 발명 구현예들의 조성물들은 소결체 내에 MgTiO3상, MgTi2O5 및 MgTa2O6 상이 별개로 공존하고 있음이 관찰된다. 이렇게 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상이 별개의 상으로서 공존하므로, MgTiO3와 MgTa2O6 각 고유의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수의 마이크로파 유전특성이 혼합 및 보상된다. 특히, 열악한 MgTiO3의 음(-)의 공진 주파수 온도계수(τf) 값은 MgTa2O6의 양(+)의 공진 주파수 온도계수(τf) 값과 합쳐져 보상됨으로써, 각 조성물의 공진 주파수 온도계수(τf) 특성이 개선된다. 각 조성물의 조성식에서 x가 0.3 및 0.5인 조성에서는 MgTa2O6 상이, x가 0.7인 조성에서는 MgTi2O5 상이, x가 0.9인 조성에서는 MgTiO3 상이 주상으로서 관찰되며, 이러한 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상 간의 미세한 내부구조 변화에 따라 해당 조성물의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수가 변화한다.
아래의 표 1은 본 발명의 여러 구현예에 따른 유전체 세라믹스 조성들에서의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수(TCF)의 마이크로파 유전특성 값들을 정리한 것이며, x는 전술한 식 1~2에 적용되고 M은 전술한 식 2에 적용된다. 상기 마이크로파 유전특성 값들은 상기 유전체 세라믹스 조성물들을 소결한 시편들을 연마한 후 Hakki & Colemann의 평행 도체판법을 이용하여 측정한 값들이다.
실시예
(소결온도)		 조성 유전율(εr) Q×f0 (GHz) TCF(τf)
(ppm/℃)
M x
1 (1460℃) 없음 0.3 24.5 38445 0.27
2 (1460℃) 없음 0.5 22.4 45839 0.26
3 (1460℃) 없음 0.7 17.1 16347 -39.57
4 (1460℃) 없음 0.9 17.0 32027 -39.48
5 (1400℃) Zn 0.3 25.6 55511 32.72
6 (1400℃) Zn 0.5 22.7 46999 8.52
7 (1400℃) Zn 0.7 17.2 11761 -48.70
8 (1400℃) Zn 0.9 17.7 77213 -33.25
9 (1375℃) Co 0.3 24.8 46497 23.51
10 (1375℃) Co 0.5 22.4 29842 -175.19
11 (1375℃) Co 0.7 17.9 55984 -37.21
12 (1375℃) Co 0.9 17.8 77817 -46.09
표 1에서, 전반적으로 본 발명 조성물들은 대략 17~26 범위의 유전율(εr)을 유지하면서도, 그의 공진 주파수 온도계수(τf) 특성은 도 3a~3c에서 관찰한 MgTiO3상과 MgTa2O6 상의 공존에 따른 마이크로파 유전특성의 혼합효과에 따라 보상되어 종래 단일의 MgTiO3 세라믹 조성보다 크게 개선되었음을 알 수 있다. 특히, 실시예 1~2의 조성은 공진 주파수 온도계수(τf)가 0.26~0.27 ppm/℃으로서 거의 0ppm/℃에 육박하는 매우 안정된 특성을 보인다.
또한, 본 발명 구현예에 따라 실시예 1~4 조성의 MgTiO3에서 Mg를 Zn 또는 Co로 소량 일부 치환한 실시예 5~12의 조성은, 실시예 1~4 조성대비 유전율(εr)이 대략 17~26 범위로 그대로 유지되면서도, 특히 Q×f 값이 실시예 1~4 조성대비 170% 이상으로 크게 증가하여 유전손실(tanδ)이 크게 낮아진 유전특성을 보인다. 다만, 공진 주파수 온도계수(τf)는 Zn 치환의 실시예 6 조성에서의 8.52ppm/℃ 값을 최고의 특성으로 하며 실시예 1~4 조성보다 열화하였으나, 종래 단일의 MgTiO3 세라믹스 조성보다는 여전히 향상된 값을 보인다. 또한, Co 치환의 실시예 9~12 조성들은 대체로 공진 주파수 온도계수(τf)가 Zn 치환의 실시예 5~8 조성들보다도 더욱 열화하나 Q×f 값은 다소 증가함이 관찰된다.
위와 같이, 본 발명에 따라 MgTiO3 세라믹스 조성에 MgTa2O6 세라믹스 조성을 합성한 유전체 세라믹스 조성물은, MgTiO3 고유의 유전율(εr)과 Q×f 값을 지나치게 열화시키지 않으면서 MgTiO3와 MgTa2O6 각 고유의 유전율, 품질계수 및 공진 주파수 온도계수의 마이크로파 유전특성이 혼합됨으로써 열악한 MgTiO3의 음(-)의 공진 주파수 온도계수(τf)가 양(+)으로 이동하여 양호하게 보상되며 최대 거의 0ppm/℃에 완전히 근접한 특성을 구현할 수 있다.
또한, 나아가, 본 발명에 따라 상기 MgTiO3 세라믹스 조성에서 Mg를 Zn 또는 Co로 소량 일부 치환함으로써 소결성을 개선하여 품질계수 Q×f값을 더 증가시킬 수도 있다.
이러한 본 발명의 유전체 세라믹스 조성물은 중 유전율 대역의 유전율(εr)과 양호한 품질계수의 Q×f 값을 가지면서도 우수한 공진 주파수 온도계수(τf)를 가지므로, 고주파 소자용으로서 적용에 적합하다.
이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 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 당연하다.
아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 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 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (14)

  1. MgTiO3 세라믹스와 MgTa2O6 세라믹스가 함께 고용체를 이루고 상기 고용체 내에서 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상이 공존하는 유전체 세라믹스 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 식 1의 조성으로 표현되는 유전체 세라믹스 조성물.
    xMgTiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 1)
    (이때, x는 0.3~0.9 범위이다)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 MgTiO3 세라믹스의 A 사이트에서 Mg가 Zn 또는 Co로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    하기 식 2의 조성으로 표현되는 유전체 세라믹스 조성물.
    xMg0 .95M0. 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 (식 2)
    (이때, M은 Zn 또는 Co이고, x는 0.3~0.9 범위이다)
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 고용체에서 공존하는 상기 MgTiO3 상의 함량과 MgTa2O6 상의 함량 간의 상대적 비율에 따라 공진 주파수 온도계수(τf)가 변화하는 유전체 세라믹스 조성물.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    1200℃ 내지 1490℃의 온도범위에서 상기 고용체를 이루는 유전체 세라믹스 조성물.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 MgTiO3 세라믹스의 A 사이트에서 Mg가 Co로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물이 상기 MgTiO3 세라믹스의 A 사이트에서 Mg가 Zn으로 일부 치환된 유전체 세라믹스 조성물보다 더 낮은 온도에서 상기 고용체를 이루는 유전체 세라믹스 조성물.
  8. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 고용체는 MgTi2O5 상을 더 포함하고 상기 MgTi2O5 상은 상기 고용체 내에서 상기 MgTiO3 상 및 MgTa2O6 상과 공존하는 유전체 세라믹스 조성물.
  9. 제2항의 상기 식 1의 조성 또는 제4항의 상기 식 2의 조성에 따라 MgO, TiO2, Ta2O5, ZnO 및 CoO 중에서 선택되는 각 원료분말을 칭량 및 혼합하되, 사전에 의도된 공진 주파수 온도계수(τf)를 얻도록 상기 식 1 또는 식 2에서 상기 x의 값을 0.3~0.9 범위 내에서 조절하여 칭량 및 혼합하는 제1단계;
    상기 혼합 분말을 하소하여 상기 MgTiO3 상과 MgTa2O6 상이 생성된 하소 분말을 제조하는 제2단계; 및
    상기 하소 분말을 압축 성형하고 1200℃ 내지 1490℃의 온도범위에서 소결하여 유전체 세라믹스를 제조하는 제3단계를
    포함하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계에서 제조되는 상기 유전체 세라믹스의 Q×f (Q는 품질계수, f는 공진 주파수) 값을 증가시키도록, 상기 제1단계는 상기 식 2의 조성에 따라 상기 각 원료분말을 칭량 및 혼합하되, 사전에 의도된 공진 주파수 온도계수(τf)를 얻도록 상기 식 2에서 상기 x의 값을 0.3~0.9 범위 내에서 조절하여 칭량 및 혼합하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 식 2의 M이 Co로 선택된 조성 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6를 상기 식 2의 M이 Zn으로 선택된 조성 xMg0 . 95Zn0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6 보다 더 낮은 온도에서 소결하여 상기 유전체 세라믹스를 제조하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 식 2의 M이 Co로 선택된 조성 xMg0 . 95Co0 . 05TiO3 - (1-x)MgTa2O6를 1350~1375℃의 온도범위에서 소결하여 상기 유전체 세라믹스를 제조하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 소결을 2~4시간 범위에서 수행하는 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계에서 소결된 상기 유전체 세라믹스의 수축률은 16~20% 범위인 유전체 세라믹스 조성물의 제조방법.
KR1020210185450A 2021-12-22 2021-12-22 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법 KR20230095706A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210185450A KR20230095706A (ko) 2021-12-22 2021-12-22 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210185450A KR20230095706A (ko) 2021-12-22 2021-12-22 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230095706A true KR20230095706A (ko) 2023-06-29

Family

ID=86946372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210185450A KR20230095706A (ko) 2021-12-22 2021-12-22 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230095706A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230099059A (ko) * 2021-12-27 2023-07-04 한국세라믹기술원 초고주파 소자용 복합체 세라믹스 조성물과 그에 의한 세라믹 기판 및 이의 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130081383A (ko) 2012-01-09 2013-07-17 동의대학교 산학협력단 마이크로파 통신소자용 유전 세라믹 및 이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130081383A (ko) 2012-01-09 2013-07-17 동의대학교 산학협력단 마이크로파 통신소자용 유전 세라믹 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. V.M. Ferreira 등, J. mater. Res., Vol.12, No.12, pp.3293~3299, 1997

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230099059A (ko) * 2021-12-27 2023-07-04 한국세라믹기술원 초고주파 소자용 복합체 세라믹스 조성물과 그에 의한 세라믹 기판 및 이의 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100682744B1 (ko) 유전체 자기 조성물 및 그것을 사용한 유전체 공진기
KR100203515B1 (ko) 고주파용 세라믹 유전체 조성물
EP0587140B1 (en) Dielectric ceramic compositions and dielectric resonators
KR100589509B1 (ko) 마이크로파 유전체 복합조성물
US6812178B2 (en) Zero thermal expansion material
KR20230095706A (ko) 고주파 소자용 유전체 세라믹스 조성물 및 이의 제조방법
KR101849470B1 (ko) 저온 소결용 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법
KR0155066B1 (ko) 고주파용 유전체 자기 조성물
KR100360974B1 (ko) 유전체 세라믹 조성물의 제조방법
JPH05211007A (ja) マイクロ波用誘電体磁器組成物
JP2768455B2 (ja) 誘電体磁器及び誘電体共振器
JPH0952761A (ja) アルミナ質磁器組成物およびその製造方法
KR20050078073A (ko) 온도특성 제어가 가능한 저온소성용 고유전율 세라믹 조성물
KR100444359B1 (ko) Ｌｔｃｃ용 저유전율 세라믹 조성물
KR100208479B1 (ko) Catio3-ca(al1/2nb1/2)o3계 고주파 유전체 세라믹 조성물
KR101668253B1 (ko) 고주파용 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법
KR20100091057A (ko) 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조 방법
KR100754865B1 (ko) 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법
KR101089447B1 (ko) 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법
JPH0952760A (ja) 誘電体磁器組成物
KR102023375B1 (ko) 공진기 지지대용 유전체 세라믹 소재 및 그 제조방법
KR101589687B1 (ko) 고주파용 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법
KR100399800B1 (ko) 고품질 고주파용 세라믹 유전체 조성물
KR100609383B1 (ko) 저온 소결용 고유전율 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물및 이의 제조방법
JPH08310859A (ja) マイクロ波誘電体磁器組成物

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal