(Solid state reaction)고상반응법을 이용한 BaTiO3 합성 및 특성 평가

J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng.
Vol. 33, No. 6, pp. 483-489 November 2020

김용진, 최문희, 신효순, 주병권, 전명표

 

Abstract: 

 

BaTiO3 powder was synthesized by a solid-state reaction using BaCO3 and TiO2. Different calcination
temperatures (800℃, 850℃, 900℃, and 950℃) were set to investigate their effects on the properties of BaTiO3 powder.The synthesized BaTiO3 phase was confirmed to be a single phase by XRD, and the tetragonality (c/a) and crystallite size were calculated. Thereafter, each calcinated BaTiO3 was sintered at five different sintering temperatures  (1,100℃, 1,150℃, 1,200℃, 1,250℃, and 1,300℃), and the tetragonality, density, porosity, dielectric constant, and grain size were  measured. 

 

As the calcination temperature increased, the tetragonality and crystallite size also increased, to 1.008 and 66nm, respectively, at 950℃. Moreover, most pellets showed increased density, dielectric constant, and tetragonality as the sintering temperature increased up to 1,250℃; the same parameters slightly decreased at 1,300℃. It is noteworthy that the tetragonality of BaTiO3 at 1,250℃ exhibits a very high c/a value of 1.0084.

In addition, the grain size and dielectric constant measured near the Curie temperature increased as the sintering temperature increased

 

1. 서론

 

모바일기기의 경박단소화, 고성능화 및 자동차의 전장화와 더불어 이들 완제품에 들어가는 전자소자의 크기는 소형화 및 고신뢰성 경향이 심화되고 있다. 커패시터는 전기를 저장하거나 방출하는 축전지의 기능을가지며 평활회로, 백업회로 및 타이머 회로 등에 활용된다. 또한, 커패시터는 직류를 잘 통과시키지 않는 성질을 이용하여 특정 주파수 성분만을 추출 또는 제거하는 필터의 역할도 할 수 있다. 특히 적층세라믹커패시터(MLCC)는 스마폰에는 1,000개, 전기자동차에는10,000개 이상이 사용되는 것으로 알려져 있으며, 점점 더 사용 원수는 증가되고 있다. 따라서 커패시터의 사용 원수를 줄이고 소형화하기 위해서는 유전체의 유전율을 높이거나, 유전체층의 두께를 박층화하는 것이 필요하다.

 

MLCC에 사용되는 유전물질로는 유전 특성이 우수한 페로브스카이트 구조의 BaTiO3 (BT)가 주로 사용된다.BaTiO3 (BT)의 유전율은 입자의 크기와 결정성에크게 의존하므로 BT의 입자크기 및 유전율 특성에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.

 

R. Ashiri는 BaCO3와TiO2를 mechanical activation을 적용한 후 고상반응법을 이용해 낮은 온도에서 나노 크기인 BaTiO3를 만들었다. J. L. Clabel H et al. 연구팀은 밀링시간과 열처리 온도가 BT의 표면 구조에 미치는 영향을 연구했다 . T. Hoshina는 BT의 particle size가 유전율에 미치는 영향과 BT의 결정립 크기(grain size)가 유전율에 미치는 영향에 대해서 연구를 했다. 결정립 크기에 따른 유전율의 변화는 domain wall 거동으로 설명된다.

 

매우 작은 결정립을 갖는 다결정체는 결정입계의 응력에 의한 탄성에너지를 줄이기 위해 90°domain이 생성된다. 1um보다 큰 결정립을 갖는 다결정체에서 결정립의 크기가 작아질수록 탄성에너지는 증가하게 되어 이를 감소시키기 위하여 domain wall width는 점점 줄어들게 되고, 따라서 domain wall 진동에 기인한 유전율의 증가가 가능하게 되며, 따라서 결정립 크기가 작아질수록 유전율은 증가하게 된다.

 

한편, 1 um보다 작은 결정립은 tetragonality의 감소로 자발분극의 크기가 감소되며, 결정립의 크기가 감소할수록 자발분극의 크기는 더욱 감소되어 유전율은 감소하게 된다. 한편, 소결체의 유전율은 불순물, 불순물 농도, 결정화도, 밀도, 잔류응력 그리고 결정립 크기 등의 다양한 인자에 의해 영향을 받는다.

 

하소 조건은 합성된 입자의 크기, 결정화도, 불순물 및 표면상태 등에 영향을미칠 수 있으나, 다양한 하소조건 변화로 합성된 BT분말들의 소결 및 유전특성에 대한 연구는 비교적 적은편이다. 합성된 분말의 입도 및 결정성(tetragonality)가 소결체의 유전특성에 대한 연구는 고유전율 BT 합성을 위해서 중요하다고 사료된다.따라서 본 연구에서는 다양한 하소 온도에서 BT 분말을 합성하고, 이들의 소결 및 유전특성을 평가하였다.