고주파용 유전체 세라믹스 조성물(Dielectric Ceramic Composition)

등록특허 10-0302455

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51) 。Int. Cl.6
C04B 35/495
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2001년10월17일
10-0302455
2001년07월03일
(21) 출원번호 10-1998-0030344 (65) 공개번호 특2000-0009735
(22) 출원일자 1998년07월28일 (43) 공개일자 2000년02월15일
(73) 특허권자 한국과학기술연구원
박호군
서울 성북구 하월곡2동 39-1
(72) 발명자 김효태
서울특별시 성북구 하월곡동 39-1 24/3 36호
박재관
서울특별시 노원구 중계동 505 롯데아파트 11-504
김인태
경기도 성남시 분당구 수내동 양지마을 금호아파트 105-601
박재환
서울특별시 마포구 연남동 246-15
김윤호
서울특별시 노원구 공릉2동 254번지 태릉우성아파트 6동 803호
(74) 대리인 박장원
심사관 : 반용병
(54) 고주파용 유전체 세라믹스 조성물
요약
본 발명은 고주파용 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 1 mole의 MgNb2O 6에 대해 각각 0 ∼ 1 mole의 TiO2를
조합으로 하는 것을 주 조성으로 하고 첨가제로서 MO3(M 6 = W, Mo, Cr, Se, Te 및 Po)가 각각 0 ∼ 0.4 wt%로
구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 세리믹스 조성물에 관한 것으로, 기존의 고주파 유전체 조성보다 비교적 낮은 소
결온도 (1,200℃)이면서 높은 품질계수 (QX f > 40,000 GHz)와 유전상수 ( εr > 25) 및 안정된 온도계수 (τf =
-49∼ 38 ppm/℃)의 우수한 고주파 유전특성이 MgNb2O6-TiO 2와 같은 비교적 저가의 원료로 구현되는 것을 특
징으로 한다.
명세서
발명의 상세한 설명
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등록특허 10-0302455

발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 고주파용 유전체 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 1 mole의 MgNb2O 6에 대해 0∼1 mole의 TiO2를
조합으로 하는 것을 주조성으로 하고 첨가제로서 WO3가 0∼0.4 wt.%로 구성되는 것을 특징으로 하는 유전체 세라믹
스 조성물에 관한 것이다.
최근 이동 통신 및 위성통신의 급속한 발전과 더불어 고주파 집적회로 또는 유전체 공진기의 재료로서 고주파용 유전체
세리믹스 수요가 크게 증가하고 있다.
고주파용으로 사용되는 유전체 세리믹스의 주요 특성으로는 가능한 한 높은 유전상수(εr〉25) 및 안정 (stable)하고
도 조절 가능한 (tunable) 공진 주파수의 온도 계수 (τf)가 요구된다.
지금까지 알려진 대표적인 고주파용 유전체 조성은 (Zr, Sn)TiO4계, BaO-TiO2계, (Mg, Ca)TiO3계, Ba-페로브스
카이트계 {Ba(Zn1/3 Ta2/3)O3, Ba(Mg1/3 Ta2/3)O3, Ba(Zn1/3Nb2/3)O3등}이다. 그러나, 이들 조성은 대부분 1,
300 ∼ 1,500℃의 고온에서 소결 가능하거나, 유전 상수가 낮거나 또는 고가의 원료를 사용하여야 한다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
상술한 문제점을 극복하기 위해, 본 발명은 상기 조성보다 비교적 낮은 소결 온도(1,200℃)이면서도 높은 품질계수(Q
×f ＞ 40,000 ㎓)와 유전상수 (εr＞ 25) 및 안정된 온도계수 (τf= -49 ∼ 38 ppm/℃)의 우수한 고주파 유전특
성을 비교적 저가의 원료로부터 구현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
발명의 구성 및 작용
이에, 본 발명은, MgNb2O 6 xTiO2(여기서 x = 0 ∼ 1.0)으로 이루어지는 고주파 유전체 세라믹스 조성물을 제공
한다.
또한, 상기 조성물에 MO3(M = W, Mo, Cr, Se, Te, Po 중 선택되는 어느 한 종)가 0 ∼ 0.4 wt%로 첨가된 고주파
유전체 세라믹스 조성물을 제공한다.
이하에서는 본 발명에 의한 고주파 유전체 세라믹스 조성물의 대표적인 실시예를 나타낸다. 본 발명의 주조성으로서 M
gNb2O 6는 1 mole의 MgO (> 99%)와 1 mole의 Nb2O5(> 99%)를 습식 볼 밀링법으로 혼합하여 건조 후 1100℃
에서 4시간 하소하여 합성하였다. 이 하소 분말을 다시 24시간 분쇄한 다음 건조한 분말에 2 wt%의 PVA 바인더를 첨
가한 수용액을 분사하여 약 200 μm 크기의 조립 (granule)으로 만들어 98 MPa의 압력으로 직경 10 mm, 두께 4.8
mm인 디스크 시편을 형성한다. 성형 시편은 300 ∼500℃에서 3 시간 이상 유지시켜 바인더를 제거하고 나서 1150∼
1250℃로 대기중에서 4 시간 동안 소성한다. 이때, 승온 속도는 각각 5℃/min으로 하였다. 소결 시편은 SiC 연마지 (
#1,500)로 연마하여 시편의 직경 대비 두께의 비가 약 0.45가 되도록 하였다. 고주파 유전 특성은 네트워크 분석기 (
network analyzer : HP 8720C)를 써서 TE01δ모드에서 측 정하였으며, 유전상수는 하키 콜만 (Hakki - Coleman)
법으로 그리고 품질계수는 오픈 캐비티 (open cavity)법으로, 공진 주파수의 온도 계수는 인바 캐비티 (invar cavity)
를 써서 20∼ 70℃의 온도 범위에서 측정하였다. 표 1의 실시예 1번은 1200℃에서 4시간 소결한 시편의 고주파 유
전특성을 나타낸 것이다. 실시예에서 순수한 MgNb2O6의 유전 상수는 약 22, 품질계수는 74,100 그리고 온도계수는
-15 ppm/℃로 나타났다. 이조성은 품질 계수는 우수하지만 유전 상수가 낮고 온도 계수가 비교적 커서 (일반적으로
< ±10ppm/℃가 요구됨) 이를 좀더 개선할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 온도계수를 0 ppm/℃ 부근으로 안정
화시키기 위해 온도 계수가 430 ppm/℃이고 품질계수가 10,000 (4 ㎓,즉 Q×f = 40,000 ㎓)그리고 유전상수가 1
05인 TiO2를 온도 보상 물질로 선택하였다. 본 발명에서는 MgNb2O61 mole에 대해 0 ∼ 1.0 mole의 TiO2를 첨가하
는 조성을 고안하였으며, 그 결과를 실시예인 표 1의 실시예 2번 내지 6번에 나타내었다.
[표 1]
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MgNb
No. x(mol) 유전상수(εr) 품질계수(Q×f ㎓) 공진 주파수의온도 계수(τf: ppm/℃)
1 0 22.1 74,100 -15
2 0.2 23.0 83,900 -49
3 0.4 26.6 78,000 -37
4 0.6 32.4 41,800 0
5 0.8 39.9 23,900 38
6 1.0 47.5 11,600 82
* 1200℃, 4시간 공기중에서 소결
그 결과 본 발명의 목적대로 유전 상수가 약 22에서 32로, 온도계수는 0 ppm/℃ 부근에서 TiO2의 양에 따라 온도 보
상 특성을 보였다. 한편, 품질 계수는 순수 MgNb2O 5보다 감소한 값을 보였는데, 이것은 첨가된 TiO2가 MgNb2O 6와
복합체 구조를 이루고, 또한 일부의 Ti4이온이 Nb5 를 치환함에 따른 반도체화 (소결 시편이 순수 MgNb2O 6보다 약
간 어두운 색을 띠었음)에 기인하는 것으로 분석되었다. 따라서, 후자의 원인에 따른 품질계수의 저하를 개선하기 위해
전하 보상의 기구 (charge compensation mechanism)를 적용하여 양이온이 M 6 (M = W, Mo, Cr, Se, Te, Po)인
산화물 (MO 3)을 소량 (0∼0.4 wt.%) 첨가하였다. 그 결과, 소결 시편의 색이 밝은 색으로 변함으로써 본 발명의 의도
가 작용함을 확인할 수 있었다. 더 구체적으로는 표 2와 같이 첨가물 중에서 대표적인 W6 를 첨가 (WO3로서)한 경우
시료의 고주파 유전 특성으로서, 실시예인 표 2의 7 ∼ 12번과 같이 품질 계수가 약 20% 향상되었다. 한편, 이들 첨가
물에 의한 유전상수의 감소는 매우 작았으며, 온도계수는 양으로 미소하게 이동하였는데 이에 따른 추가적인 온도보상
은 실시예인 표 1의 결과를 적용하여 TiO2의 앙을 미소 변화 (약간 감소)시킴으로써 0 ppm/℃ 부근으로 조절 가능하
다.
여기서 상기 첨가제로는 W, Mo, Cr, Se, Te 및 Po로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나이어도 본 발명의 효과
는 충분히 달성될 수 있다.
[표 2]
(MgNb
No. y(wt%) 유전상수(εr) 품질계수(Q×f ㎓) 공진 주파수의 온도 계수(τf: ppm/℃)
7 0.10 31.6 43,000 6
8 0.15 31.9 45,000 5
9 0.20 31.5 50,100 4
10 0.25 31.5 47,800 4
11 0.30 31.5 46,800 8
12 0.40 32.2 44,600 17
* 1200℃, 4시간 공기 중에서 소결.
발명의 효과
본 발명에 따르면, 기존의 고주파 유전체 조성보다 비교적 낮은 소결온도 (1,200℃)이면서 높은 품질계수 (QX f > 4
0,000 GHz)와 유전상수 ( εr > 25) 및 안정된 온도계수 (τf = -49∼ 38 ppm/℃)의 우수한 고주파 유전특성이
비교적 저가의 원료로 구현될 수 있다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
다음 식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 유전체 세라믹스 조성물:
MgNb2O 6 xTiO2, 여기서 x = 0 ∼ 1.0.
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청구항 2.
제 1 항에 있어서, 상기 조성물에 MO3(M = W, Mo, Cr, Se, Te, Po 중 선택되는 어느 한 종)가 0 ∼ 0.4 wt%로 첨
가된 것을 특징으로 하는 고주파 유전체 세라믹스 조성물.
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