(Nickel powder) Improved Nickel Powder for Small Case Size MLCC with High Capacitance

JFE TECHNICAL REPORT
No. 6 (Oct. 2005)

 

1. 서론

JEF 미네랄은 니켈 초미세 분말을 제조하는데, 결정도가 높고 샤프한 입자 크기 분포 및 높은 순도 등 유리한 특성을 가지고 있다.  이 니켈 초미세 분말은 그림 1과 같이 다층 세라믹 커패시터(MLCC) 내부 전극에 주로 사용된다. MLCC의 내부 전극은 니켈 초미세 분말를 유기용매를 이용해 페이스트로 만들고 준비된 페이스트를 얇은 층으로 유전체 층에 인쇄한 다음 이를 적층하여 가소 및 소성하여 MLCC를 제작한다. 앞서 언급한 장점 때문에 JEF 미네랄의 니켈 초미세 분말은 전기적으로 연속적이고 균질한 박막 전극을 형성하며, 층당 니켈 중량이 감소하면서 MLCC의 정전 용량 감소가 작습니다.  JFE미네랄은 이 같은 장점을 앞세워 세계 MLC 내부 전극용 니켈 초미세 분말 시장의 60%(2004년 9월 기준)를 점유하고 있습니다.

 

 

최근 몇 년간 유전체 층의 두께를 줄이고 적층 수를 늘리면서 소형 사이즈의 대용량 MLCC의 개발과 상용화가 빠르게 진행되고 있다. 그 결과 니켈 초미세먼지의 조대 입자가 유전체 층을 관통해 전극 간 단락을 유도하기 때문에 전극 재료로서의 조대 입자를 제거한 분말에 대한 수요가 커졌다.

 

매년 유전체 층이 얇아질 수록 조대 입자들를 줄이려고 하는 노력이 계속되어 왔다(그림2). JFE 미네랄은 서브 미크론 크기의 금속 분말의 분리기술을 개발했으며, 2001년에는 조대 입자가 제거된 니켈 초미세 분말 제품을 상용화했다.  본 논문은 이러한 상용화된 제품에 대해 조대 입자가 제거되는 제품 등급 NFP201S, NFP301S, NFP401S와 신제품  NFP201X에 대해 설명하고자 합니다.

 

2. 니켈 초미세 분말의 분급

2.1 제조 공정 및 제품 라인업

 

그림 3에 니켈 초미세 분말의 제조 공정과 각 제품 등급의 평균 입자 크기를 나타내었습니다. JEF 미네랄은 수소에 의해 기화된 염화니켈이 환원되는 CVD 공정으로 주 제품 등급(NFP201, NFP301, NFP401)을 제조합니다. 제품의 평균 입자 크기와 입자 크기 분포는 주로 CVD 반응의 작동 조건을 조정하여 제어합니다. 그럼에도 1μm 이상의 거친 입자가 여전히 ppm 빈도로 존재하기 때문에 CVD 반응 제어만으로는 거친 입자의 양을 더 줄이기 어렵다. MLCC는 수백 층의 유전체 층과 전극층을 적층하므로 수 ppm 의 조대 입자가 있으면  MLCC 제품의 수율이 크게 저하된다. JFE미네랄은 이를 바탕으로 정제 후 분급을 적용해 CVD 공정에서 제조한 니켈 초미세 분말의 조대 입자를 제거하는 공정 흐름을 구축했다. NFP201S, NFP301S, NFP401S 등급은 기존의 NFP201, NFP301, NFP401 제품 등급을 습식 원심분리 방식으로 분류하여 3μm 이상의 거친 입자를 제거하여 제조한다. 

 

 

더 나아가 JFE 미네랄은 보다 정밀한 분급 과정을 개발해 0.8μm 이상의 조대 입자를 제거하는 데 성공했다. 이 신제품 등급이 NFP201X입니다.

 

2.2 분급 제품의 특성

 

사진 1은 조대 입자가 제거된 신제품 등급 NFP201S, NFP301S, NFP401S의 SEM 이미지입니다. 사진 1에서 볼 수 있듯이 평균 입자 크기가 감소하면 입자 크기 분포가 더 좁아집니다. 그림 4는 SEM으로 측정한 거친 입자의 수를 비교한 것입니다. NFP201S, NFP301S, NFP401S의 경우 3μm 이상의 거친 입자 카운트 수는 0이며, 1μm 이상의 거친 입자 카운트 수도 감소한다. 표준 입자로. NFP201X의 경우 0.8μm 이상의 거친 입자가 크게 감소합니다. 표 1은 각 분류된 제품 등급의 분말 특성을 보여줍니다. 표면 산화층 두께를 최소화하고 입자 표면의 불규칙성을 줄여 BET 비표면적을 안정화합니다.

 

3. 현황 및 향후 발전 상황

CVD 공정 후 3μm 이상의 조대 입자가 분급에 의해 제거된 NFP201S, NFP301S, NFP401S는 MLCC 내부 전극용 니켈 초미세 분말로 시장에서 인기가 높다. 특히 NFP201S는 1μm 이상의 조대 입자를 덜 함유하고 있어 정전용량이 큰 소형 사이즈 MLCC를 양산하기 위한 전극 소재로서 수요가 급증하고 있다. JFE미네랄의 대량 생산 및 분급 공정에서는 니켈 초미세분말의 조대 입자 비율과 표면 산화층 두께를 엄격하게 제어해 정전용량이 큰 소형 사이즈 MLCC용 분말 사용 시 높은 신뢰성을 보장한다. 이에 따라 JFE미네랄은 MLCC 고성능 제품(3μm 이하)용 니켈 초미세 분말 시장의 90%를 점유했다. 0.8μm 이상의 조대 입자가 제거된 NFP201X는 적층두께 1μm 이하의 고용량 소형 사이즈 MLCC에 효과적인 전극재로서 양산라인에 진입하였다.

 

JFE 미네랄은 MLCC층이 0.5μm 이하로 얇아질 것으로 예상하여 CVD 반응 조건(사진2)을 조정해 평균 입자 크기가 0.1μm인 NFP101을 개발했다. 이 제품 등급을 층 두께를 줄이기 위한 내부 전극 재료로 상용화하기 위해서는 (1) 분급 정확도 향상, (2) 분산성 향상, (3) 소결 시작 온도 증가 등이 필요하다.

 

분류 정확도 향상과 관련하여 NFP201X 제조에 사용되는 분급법을 NFP101 제조공정에 적용하고 있으며, 0.6μm 이상, 0.3μm 이상의 조대 입자를 제거하는 기술이 개발되고 있다. 분산성 개선을 위해 유기용매에 분산되어 있는 니켈 초미세분말 형태로 사용자에게 제품을 공급하는 한편 응고를 방지하는 습식 제품을 개발하고 있다. 이와 병행해 MLCC를 소성할 때 유전층과 전극층 간 수축 불일치로 인한 박리 현상을 효과적으로 방지하는 다른 원소로 니켈 초미세 분말의 소결 시작 온도를 높이는 소결지연 기술이 개발되고 있다. NFP101 상용화에 대한 연구가 현재 진행 중이다.