2022. 6. 10. 20:47ㆍMaterial
J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng.
Vol. 35, No. 2, pp. 103-118 March 2022
DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2022.35.2.1
Recent Progress in Dielectric Materials for MLCC Application -Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic M
Abstract With the recent increase in demand for electronic devices, multi-layer ceramic capacitors (MLCCs) have become the most important core component. In particular, the next-generation MLCC with extremely high reliability is required for the 4th indust
koreascience.or.kr
4차 산업혁명 및 Covid-19발 언택트 시대가 도래함에 따라, 가정용 및 산업용 전자기기 수요가 급증하고 있다. 이외에도, 전통적 기계 산업으로 분류되었던 자동차산업마저 자율주행 및 친환경 전기차로 대표되는 전자기기 산업으로 재편됨으로써, 전장용 전자기기의 수요도 크게 증가할 전망이다. 이에 발맞추어, 전자기기를 구성하는 핵심 수동 부품의 제조 및 공급이 전세계적으로 큰 이슈가 되었다. 핵심 수동부품 중 하나인 세라믹 캐패시터는 회로 내에서 각 소자에 필요한 전력의 안정적인 공급을 담당하며, 주로 적층형 캐패시터 (MLCC)의 형태로 제조된다. 일반적인 스마트폰에 약 1,000~2,000개, 신규 개발된 전기차 기준 약 8,000개의 MLCC가 탑재되며, 반도체 소자에 뒤를 이어 회로상에서 차지하는 역할이 매우 크기 때문에, 전자기기 시장에서 없어서는 안될 “전자기기산업의 쌀”로 불리고 있다.
이러한 MLCC는 교대로 적층된 금속 전극과 유전체 세라믹을 동시소성 함으로써 제조된다. 일반적으로 금속의 경우, Cu 및 Ni 등과 같이 값싼 소재를 사용하며, 동시 소성 시 금속의 산화를 방지하기 위하여 환원 분위기 소성을 적용한다. 따라서, MLCC의 주요 특성은 환원 분위기에서 전극과 동시 소성 된 유전체 세라믹의 특성에 크게 좌우된다. 업계에서 주로 요구하는 MLCC용 유전체 세라믹 특성으로는 크게 고유전율, 고신뢰성 및 온도 안정성이 있다. 기존에는 단순히 고유전율 소재 구현에 초점이 맞추어 개발이 이루어 졌지만, MLCC의 적용 분야가 다양해짐에 따라, 최근에는, 고신뢰성 및 높은 온도 안정성을 구현할 수 있는 소재 개발이 주요 이슈가 되었다. 특히, 전장용 MLCC의 경우 차량의 전기적 결함이 사용자의 생명과 직결되므로, 기존대비 매우 높은 신뢰성이 요구되고 있다.
이러한 추세에 발맞추어, 유전체 성능을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔다. MLCC용 유전체 세라믹은 대부분 높은 유전율을 가지는 강유전 물질이 사용되며, 대표적으로 BaTiO3 (BT),Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), (Na,Bi)TiO3 (NBT) 및 (K,Na)NbO3 (KNN) 등이 있다. 이 중에서 BT 세라믹은 높은 유전율과 우수한 내환원성으로 MLCC 산업계에서 주로 쓰이고 있는 물질이다. 대부분의 MLCC용 유전체 세라믹은 이러한 BT 세라믹에 여러 종류의 산화물 첨가제를 일정량 추가함으로써 성능을 구현한다. BT를 기반으로 하는 유전체의 성능은, 입도 크기와 core-shell 비율로 대표되는 세라믹의 미세구조, 그리고 산소 결함으로 대표되는 내부 결함 거동을 변화시킴으로써 제어할 수 있다. 미세구조 제어의 경우, 세라믹의 입도 크기가 커짐에 따라 유전율이 증가하나, 입계 비율 감소와 shell 비율 증가로 인해 내전압 및 온도특성의 저하를 가져온다. 이를 해결하기 위해 필연적으로 입도 크기를 감소하여야 하며, 이로 인해 발생하는 유전율저하의 부작용을 해결하는 것이 큰 과제이다. 결함 거동 제어를 위해서는 적절한 비율의 donor및 acceptor도핑이 필요하며, BT 세라믹 기준으로 donor는 희토류 물질을 주로 사용한다.
희토류 도핑은 BT 세라믹 특성 변화에 매우 큰 영향을 미치며, 내전압 개선, DC 인가 시 유전율 개선 및 온도 안정성 개선 등의 다양한 효과를 가져온다. 따라서, 적절한 희토류 원소 선정 및 최적 도핑 량 탐색이 BT계 MLCC 개발에 가장 중요한 이슈이다. 본 리뷰에서는, 미세구조 및 내부결함 거동 제어로 대표 되는 MLCC용 유전체 세라믹의 최근 연구 동향을 살피고, 이를 통해 차세대 MLCC용 유전체 재료의 전망에 대하여 다루고자 한다.
