2021. 9. 4. 14:57ㆍMaterial
Journal of Alloys and Compounds 829 (2020) 154496
Chaoqiong Zhu, Qiancheng Zhao, Ziming Cai , Limin Guo , Longtu Li, Xiaohui Wang
Abstract
적층 유전체 두께가 1㎜ 미만인 초박형 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 현대 전자산업의 급속한 발전으로 수요가 급증하고 있다. 그러나 바람직한 입자 크기를 150nm 미만으로 하는 유전체 재료를 준비하는 것은 큰 과제다. 본 연구에서는 나노결정체 비환원성 BT 기반 세라믹을 각각 제조하기 위해 고상 반응법, 수열합성법, 수열합성법후 열처리(850C)로 제조한 초미세 BaTiO3(BT) 분말(120nm 이하)을 제조하였다. 합성법이 미세구조, 전기적 성능 및 BT 기반 세라믹의 신뢰성에 미치는 영향을 연구하였다. Raman, XPS, FT-IR 스펙트럼 분석 결과를 보면 수열합성 분말에 내부 응력과 점결함(OH-/양성자 결함, Ba 결점)이 다수 존재하며 적절한 열처리에 의해 어느 정도 제거될 수 있음을 알 수 있다. 유감스럽게도 수열합성 분말에서는 나노포어(10~20nm)가 많이 관찰되는데, 이는 열처리나 소결과정으로는 완전히 제거할 수 없었다. 그 결과 고상반응법 파우더로 제조한 BT 세라믹은 준비된 수열합성 분말에 비해 Aging불량 성능을 가속화하는 데 절대적인 이점이 있습니다. TSDC 결과는 고상반응 파우더에 의해 제조된 세라믹이 산소 공공 농도가 낮고 활성화 에너지가 높다는 것을 나타냅니다. 또한, RC 등가 모델을 기반으로 한 스케일링 분석을 통해 고상반응 파우더에 의해 제조된 세라믹에 대한 산소 공공의 확산 시간이 더 길다는 것을 확인할 수 있다. 이 모든 특징은 고상 초미세 BT 파우더가 초박막 MLCC 제작에 있어 유력한 후보라는 것을 보여줍니다.
Introduction
고성능 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 현대 전자 제품의 빠른 발전으로 큰 인기를 끌고 있습니다. 오늘날 대용량, 소형화, 저비용, 초신뢰성, 고온안정성이 MLC의 개발 트렌드입니다. MLCC에서 적층되는 유전체 층은 소형화의 요구 사항을 충족하기 위해 두께가 1um 이하로 감소되어야 하며, 따라서 유전체 나노 결정 세라믹의 입자 크기는 200nm 미만으로 감소되어야 합니다. 왜냐하면 한 층 두께에 최소 5개의 알갱이가 걸쳐 있어야 신뢰성을 보증할수 있기 때문입니다.
일반적으로 나노세라믹파우더를 합성하는 연구가 많이 수행되었는데, 이 중 고상법과 수열법이 유망하고 대량생산에 적합하다. 나노 세라믹 분말을 합성하는 방법이 최종 소결체의 유전성, 특히 초미세 입자 크기를 갖는 소결체에 큰 영향을 미친다는 것은 말할 나위가 없다. 윤 등의 연구진은 수열 BaTiO3 분말이 DT-TGA 측정에서 더 큰 질량 손실을 보였으며, 이는 양성자, 하이드록실 이온, 탄산 이온과 같은 결함의 방출에 기인한다고 보고했다. 많은 결함이 수열 공정의 고압 하에서 용해-재침전 반응을 거쳐 BaTiO3 격자에 통합되었다. 열처리를 할 때 물과 함께 결함이 방출되나, 나노미터 크기의 작은 intergranula 기공이 남아서 모이게 되어 소결 과정 중에 이동하게 된다. 또한, 이러한 기공은 분말 밀도를 낮추고 perovskite unit cell의 정방정 변형을 억제합니다. Hennings 등은 MLCC의 소결 최종 단계에서 비정상적인 "bloating" 현상을 관찰하였으며여, 이것이 MLCC의 균열 또는 전극 delamination 현상을 유발한다고 했습니다. 이에 비해 결정화도가 높은 고상 분말에서는 이러한 비정상적인 "bloating"이 거의 관찰되지 않습니다.
열처리는 분말 성능을 개선하는 효과적인 방법입니다. 수욜합성 분말은 적절한 열처리로 하이드록실 양성자 결함을 어느 정도 줄일 수 있어 결정구조와 전기화학적 특성이 개선된다. 본 연구에서는 입자 크기가 120 nm 미만인 고상법 BaTiO3 분말, 수열합성 BaTiO3 분말 그리고 열처리한 수열합성 BaTiO3 분말,을 선택하여 나노결정 비환원성 BaTiO3계 세라믹을 준비하였다. 합성법이 미세구조, 전기적 성능 및 비환원성 BaTiO3계 세라믹의 신뢰성에 미치는 영향을 조사하였다.
