MLCC Material & Process

NotebookLM- 고신뢰성 MLCC개발 by Kyocera

CeraMing — Sat, 22 Nov 2025 10:22:23 +0900

https://ele.kyocera.com/ja/technical/cap_visualizingtech/

【高信頼性MLCCの開発】劣化箇所を可視化した評価解析技術 | 技術紹介 | 電子部品 | 京セラ

京セラ電子部品の【高信頼性MLCCの開発】劣化箇所を可視化した評価解析技術ページです。電子機器の小型化、高機能化に伴い、積層セラミックチップコンデンサ（MLCC）は小型化・薄層化が

ele.kyocera.com

이 자료는 교세라(Kyocera)가 고신뢰성 MLCC(적층 세라믹 칩 콘덴서)를 개발하기 위해 적용한 정밀한 평가 분석 기술, 특히 절연 열화(劣化)가 발생하는 지점을 가시화하고 원인을 규명하는 방법에 대해 상세히 설명하고 있습니다.

다음은 교세라의 결함 분석 및 평가 해석 기술에 대한 자세한 내용입니다.

1. 결함 분석의 필요성 및 목표

전자 기기의 소형화 및 고기능화 추세에 따라 MLCC 역시 소형화 및 박층화가 진행되고 있습니다. 이로 인해 MLCC는 고전계 강도 및 고온 등 혹독한 조건에서도 동작해야 하므로, 고신뢰성 MLCC의 개발이 필수적입니다.

고신뢰성 MLCC 개발을 위해 필수적인 세 가지 요소 기술(재료 기술, 프로세스 기술, 평가 해석 기술) 중, 교세라는 열화 위치를 가시화하는 평가 해석 기술에 중점을 두었습니다.

주요 목표:

• MLCC의 고온 고전계 환경 하에서의 수명을 결정하는 요인을 특정하고, 이를 가시화하는 것입니다.

• 이를 통해 더욱 정밀한 재료 설계로 이어지게 하여, 장수명의 고신뢰성 MLCC를 개발하는 것입니다.

2. 절연 파괴 직전의 열화 위치 가시화 기술

절연 파괴(絶縁破壊, Breakdown)가 발생한 후에는 그 위치를 쉽게 찾을 수 있지만, 크랙(Crack)이나 Ni 전극 용융 등 구조적인 파괴가 심하게 일어나기 때문에 열화 원인을 단정하기가 매우 어렵습니다. 따라서 구조 파괴가 일어나지 않은, 절연 파괴 직전의 열화 위치를 가시화하는 것이 중요한 핵심 과제였습니다.

A. HALT 시험을 통한 열화 샘플 제작

교세라는 실사용 환경보다 가혹한 조건에서 열화를 가속시킬 수 있는 **HALT 시험(Highly Accelerated Life Test)**을 활용했습니다.

• HALT 시험은 신뢰성 평가의 하나로, 수명 예측 및 열화 위치 평가에 이용됩니다.

• 열화 샘플은 전류 변화율이 급격히 상승하여 파괴에 이르기 직전의 포인트에서 HALT 시험을 의도적으로 중단하여 제작되었습니다. 이 방법으로 구조 파괴 없이 국소적으로 열화된 샘플을 얻을 수 있습니다.

B. 국소 열화층 특정 및 면 내 열화 위치 조사

1. 열화층 특정: 제작된 열화 샘플의 단자 전극을 깎아내어 내부 전극을 노출시킨 후, 저항값을 측정하여 절연 파괴 없이 국소적으로 열화된 층을 특정했습니다.

2. 면 내 조사 절차: MLCC 내부 면 내의 열화 위치를 조사하기 위해 다음 절차를 거쳤습니다:

◦ 가공: 열화 위치 근처까지 가공합니다.

◦ 검출: IR-OBIRCH (IR-오버크) 방법을 사용하여 저저항의 열화 위치를 검출합니다.

◦ 단면 가공 및 관찰: 검출된 열화 위치를 **FIB(Focused Ion Beam)**를 이용해 단면 가공하고, SEM(주사전자현미경) 또는 **TEM(투과전자현미경)**을 사용하여 열화 위치의 미세 구조 상태를 관찰하여 정상 부위와 비교 조사합니다.

3. 미세 구조 가시화 사례 및 수명과의 상관관계 분석

A. 단시간 고장 및 마모 고장 영역의 원인 규명

미세 구조 관찰을 통해 다음과 같은 열화 원인들이 밝혀졌습니다:

• 단시간 고장(短時間故障): 유전체 부위가 국소적으로 얇아진 것이 단시간 고장을 유발하는 사례가 있음이 판명되었습니다.

• 마모 고장 영역(摩耗故障域): 자기(磁器) 내부의 입자 크기가 불균일함이 확인되었습니다 (흰색 화살표 부분). 이는 자기 내부의 불균일성이 수명에 편차를 발생시키는 요인임을 시사합니다.

B. 유전체 내 미세 구조와 수명의 상관관계

교세라는 소성 온도가 다른 두 종류의 MLCC(Lot A, Lot B)를 비교하여 소성 온도가 미세 구조에 변화를 가져오고 이것이 수명에 기여했다고 추정했습니다.

1. 조대 입자(粗大粒子)와 최소 입자 수 분석:

• SEM 관찰 결과: 절연 파괴 직전의 열화 위치를 SEM으로 관찰한 결과, Lot A와 B 모두 정상 부위에서는 조대 입자가 확인되지 않았지만, 열화 위치에서는 사진의 흰색 화살표와 같이 0.3 μm 이상의 조대 입자가 다수 존재함이 확인되었습니다.

• 상관관계 분석: 단순히 조대 입자의 수만으로는 수명과의 명확한 상관관계를 설명할 수 없었기 때문에, 유전체 1층당 입자 수를 새로운 지표로 검토했습니다.

• 핵심 발견: 유전체 층 간의 단위 두께당 최소 입자 수와 HALT 수명(, ) 간의 상관관계를 조사한 결과, 최소 입자 수가 증가하여 정상 위치에 가까워질수록 수명이 길어지는 대체로 양호한 상관관계가 확인되었습니다.

• 결론: 이 가시화 결과는 국소적인 입자 수의 감소가 열화를 가속화하고 수명을 저하시키는 중요한 인자 중 하나임을 명확히 밝혔습니다.

2. 첨가 원소의 확산 상태 분석 (TEM-EDX):

• 단순히 입자 수 외에 다른 요인도 수명에 영향을 줄 수 있다는 흥미로운 결과에 따라, 교세라는 열화 위치의 조대 입자에 대해 TEM-EDX를 이용한 원소 조성 분포를 조사했습니다.

• 분석 대상 원소: Dy(디스프로슘)는 해당 시제품의 첨가 원소 중 하나로, 산소 공공 이동 억제에 효과가 있다고 알려져 있습니다.

• TEM-EDX 결과: 입자 수가 5개인 샘플을 추출하여 분석한 결과, Lot A와 Lot B 모두 입계 근방에서는 Dy가 고농도로 존재했습니다.

◦ Lot A: 입계에서 수십 nm 떨어진 입자 내부에서도 Dy의 확산이 확인되었습니다.

◦ Lot B: 입계에서 50 nm 떨어진 위치에서는 Dy의 확산이 거의 보이지 않았습니다.

• 시사점: 이는 유전체 층 내의 최소 입자 수가 수명에 기여하는 것 외에도, 열화 위치의 조대 입자 내 희토류 원소(Dy)의 확산 고용 상태, 즉 셸(Shell) 상태의 차이도 수명에 영향을 미치는 요소임을 시사합니다.

4. 결론 및 향후 계획

교세라는 고신뢰성 MLCC 개발을 위해 다음과 같은 평가 분석 기술 성과를 달성했습니다:

1. 가시화 기법 확립: 절연 파괴를 일으키지 않고 열화 위치를 유지한 상태로 가시화하는 기법을 확립했습니다.

2. 마모 고장 요인 확인: 마모 고장의 요인으로 유전체 내부의 불균일성을 확인했습니다.

3. 수명과의 상관성 규명:

◦ 유전체 두께당 입자 수로 규격화했을 때 수명과의 상관성이 있음을 확인했습니다.

◦ 더불어, 큰 입자 내부의 첨가 원소 확산 상태 또한 수명에 기여함을 시사했습니다.

이러한 분석 결과를 바탕으로 실제로 조대 입자의 저감 개선을 수행한 결과, 마모 고장 부위의 수명이 연장되는 것이 확인되었습니다.

교세라는 이처럼 지금까지 볼 수 없었던 현상을 가시화하는 평가 분석 기술을 활용하여, 고신뢰성 유전체 재료 설계에 효율적으로 적용함으로써 더욱 고품질의 MLCC 개발을 지속적으로 추진할 계획입니

NotebookLM-MLCC란 무엇인가?

CeraMing — Sat, 22 Nov 2025 09:59:49 +0900

https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20250416.html

積層セラミックコンデンサとは？

注目の科学技術や社会課題、今さら聞けないことや、なかなか説明しづらい素朴な疑問を、産総研のプロフェッショナルが分かりやすく解説します！

www.aist.go.jp

적층 세라믹 콘덴서란?
- 소형화·고성능화가 요구되는 전자 기기에 필수적인 부품
- 현행 적층 세라믹 콘덴서의 과제

산업기술종합연구소의 노력
- 독자적인 교차 적층 공정 기술의 연구 개발
- 결정성이 높은 입자를 생성하는 수열 합성법을 진화시키다
- 절연성을 확보하기 위해 그래핀을 적층

양산화를 위한 향후 과제

1. 적층 세라믹 콘덴서(MLCC)란 무엇이며, 왜 중요한가?

적층 세라믹 콘덴서는 영어로 Multi-Layer Ceramic Capacitor, 줄여서 MLCC라고 불리며, 전기 회로에 사용되는 필수적인 전자 부품 중 하나입니다. 이 부품은 반도체 집적 회로가 제 기능을 하도록 돕는 역할을 수행합니다.

기본적인 구조와 기능

MLCC는 마치 얇은 밀푀유처럼, 세라믹으로 만든 유전체 층과 금속으로 만든 전극 층을 여러 겹 교대로 쌓아 올린 층상 구조를 가지고 있습니다.

주요 기능은 다음과 같습니다:

1. 전기 일시 저장: 전기를 저장해 두는 역할(배터리와는 다름)을 합니다.

2. 전류 제어: 저장했던 전류를 필요할 때 방출하여, 전기가 흐르는 양을 제어하는 데 사용됩니다.

전자 기기의 핵심 부품

MLCC는 스마트폰, 컴퓨터, 차량용 기기 등 현대의 거의 모든 전자 기기에 필수적으로 사용됩니다. 특히 스마트폰의 경우 한 대당 약 1000개 정도가 사용될 정도로 중요한 부품입니다.

2. MLCC 개발의 핵심 과제: 소형화와 고성능화의 한계

최근 전자 기기는 끊임없이 소형화와 고성능화를 요구받고 있으며, 이에 따라 MLCC 역시 작아지면서도 더 많은 전기(더 높은 정전 용량)를 저장할 수 있어야 합니다.

정전 용량을 높이려면 두 가지 방법이 필요합니다:

1. 유전체 층을 더 얇게 만든다.

2. 쌓는 층의 수(적층 수)를 늘린다.

기존 기술의 한계점

현재 MLCC 제조에 주로 사용되는 방법은 티탄산바륨(BaTiO3, BTO) 분말을 유전체 재료로, 금속 분말을 전극 재료로 사용하여 교대로 쌓은 뒤 고온에서 구워 만드는 것입니다. 하지만 이 방식은 성능 향상에 큰 벽에 부딪혔습니다.

1. 입자 크기의 한계: 현재 유전체 층의 두께는 가장 얇은 것이 약 0.5 μm(마이크로미터) 수준인데, 이는 원료 분말 입자 크기에 거의 도달한 수준입니다. 기존 방식(탑다운 방식, 즉 분쇄하여 만드는 방식)으로는 BTO 입자를 이보다 더 미세하게 만들거나, 입자의 크기를 균일하게 맞추는 것이 어렵습니다.

2. 품질 저하 문제: 분쇄 과정에서 입자가 손상되면서 결정성이 떨어지고, 입자의 크기와 모양이 불균일해지는 단점이 있습니다.

3. 절연성 저하: 적층 및 소결 과정에서 유전체 층의 두께에 균일하지 않은 부분이 생기면서 **절연성(전기가 새지 않도록 막는 성질)**이 떨어지는 문제가 발생합니다.

4. 결과적으로, 기존 방식으로는 유전체 층을 더 얇게 만들면서도 MLCC의 성능을 높이는 데 한계가 있었습니다.

3. 産総研(AIST)의 혁신적인 적층 프로세스 기술

産総研은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 나노 스케일로 유전체 층과 전극 층을 얇게 만드는 새로운 적층 공정 기술 개발에 집중했습니다.

A. BTO 나노큐브의 개발 (재료 혁신)

기존의 분쇄 방식(탑다운) 대신, 産総研은 원료 원자를 쌓아 원하는 구조를 만드는 **수열 합성법(보텀업 합성법)**을 발전시켰습니다.

• 고품질 입자: 이 기술을 통해 2012년에 **'나노큐브'**라고 불리는 주사위 모양의 BTO 입자를 합성하는 데 성공했습니다. 이 나노큐브는 변의 길이가 15~20 nm(나노미터)로 매우 작고, 입자 크기가 균일하며, 결정성이 매우 높습니다.

• 밀도 향상: 기존의 구형 입자를 사용했을 때 최대 74%였던 적층 밀도를, 나노큐브를 사용할 경우 **이론상 100%**까지 높이는 것이 가능해졌습니다.

B. 크랙 없는 균일막 형성 기술 (공정 혁신)

나노큐브를 기판 위에 균일하게 배열하는 기술(저속 딥 코팅법)을 개발했으나, 용매가 마르면서 미세한 균열(마이크로 크랙)이 발생하는 문제가 있었습니다.

• 표면 압력 이용: 연구진은 이 문제를 해결하기 위해, 계면활성제의 표면 압력을 이용하는 새로운 방법을 개발했습니다. 물 위에 계면활성제 분자막을 만들고 그 위에 나노큐브 분산액을 떨어뜨린 후, 지속적으로 압력을 가함으로써 크랙 발생을 억제한 깨끗한 단층막을 만들 수 있게 되었습니다.

C. 그래핀을 활용한 절연성 및 초박막 전극 확보

나노큐브를 쌓더라도 나노 스케일의 미세한 틈이 생길 수 있는데, 이 틈으로 금속 전극이 침투하면 상하 전극 사이의 쇼트가 발생하여 콘덴서 기능을 잃게 됩니다.

• 그래핀 배리어 층: 産総研은 2차원 탄소 소재인 그래핀을 **배리어 층(차단막)**으로 활용하는 데 주목했습니다. BTO 나노큐브 단층막 위에 그래핀을 덧대자, 금속 전극을 만들 때 금속이 나노큐브 층으로 전혀 침투하지 않았습니다.

• 이로써 유전체 층의 두께가 약 20 nm로 극히 얇음에도 불구하고, 절연성이 확보된 콘덴서 구조를 얻을 수 있었습니다. 실제로 그래핀을 사용했을 때 누설 전류값이 크게 줄어 절연성이 확보됨이 확인되었습니다.

• 극도로 얇은 층: 나아가, 우수한 전도성을 가진 그래핀을 전극으로 사용하여 BTO 나노큐브 단층막과 교대로 쌓는 구조를 만들었습니다. 이 혁신적인 교호 적층 구조는 기존 MLCC와 비교했을 때, 유전체 층 두께는 10분의 1 이하로, 전극 층 두께는 100분의 1 이하로 줄이는 데 성공했습니다.

4. 실용화를 위한 향후 과제

産総研이 개발한 교호 적층 구조는 극도로 얇은 층으로 무엇을 만들 수 있는지 가능성을 제시한 콘셉트 모델 단계입니다. 아직 콘덴서로 작동 가능한 완전한 회로 구조는 아닙니다.

앞으로 실용화를 위해서는 크게 두 가지 과제가 남아 있습니다:

1. 재료적 과제: BTO 나노큐브의 입자 크기를 더 작게 만들면서 결정성을 높이는 기술 개발이 필요합니다.

2. 공정적 과제 (양산화): 나노큐브 막과 다층 그래핀 전극을 얼마나 균일하고 얇게 쌓을 수 있는지에 대한 공정 기술이 중요합니다. 현재는 연구실 수준(랩 스케일) 기술이므로, **대량 생산(양산화)**을 위해 더 효율적으로 넓은 면적에 균일한 박막을 만들 수 있는 새로운 프로세스를 창출해야 합니다.

(2025)Grain Boundary Segregation for High-Performance BaTiO3 MLCCs

CeraMing — Mon, 3 Nov 2025 22:50:17 +0900

https://doi.org/10.1002/adma.202507233

이 연구는 Fe3+ 및 Ni2+와 같은 단일 첨가제가 소결 중 결정립 성장을 억제하기 위해 결정립 경계에 강하게 편석된다는 점을 발견했습니다. 이러한 첨가제는 미세 결정립 미세 구조를 만들고 비용이 많이 드는 희토류 원소 없이 안정적인 고유전율과 낮은 유전 손실을 달성합니다. 가장 중요한 것은, 이 연구가 DC 바이어스 하에서 최대 정전 용량을 위한 이상적인 결정립 크기가 약 200nm임을 확인하여, 미래 MLCC의 유전체 층 두께를 200nm까지 줄이는 유망한 방향을 제시한다는 것입니다.

1. 연구 배경: MLCC는 무엇이며, 왜 성능 개선이 필요한가?

A. MLCC의 역할과 중요성

MLCC(Multilayer Ceramic Capacitors, 다층 세라믹 커패시터)는 스마트폰, 컴퓨터, 자동차 등 모든 전자기기에 필수적으로 사용되는 부품입니다. 이들은 전기 신호의 평활화(smoothing), 우회(bypassing), 결합 및 분리 등의 중요한 역할을 수행하며, 높은 체적 효율을 제공합니다.

MLCC는 교대로 쌓여 있는 유전체 세라믹 층( 기반)과 내부 전극 층(Ni)으로 구성됩니다.

B. 성능 향상의 핵심 목표: "더 얇게, 더 많이"

커패시터의 전체 용량(Capacitance, )은 유전체의 두께()에 반비례합니다 (). 즉, 유전체 층을 얇게 만들수록, 그리고 주어진 공간에 더 많은 층을 쌓을수록 전체 MLCC의 용량이 커집니다.

최신 MLCC에서는 유전체 세라믹 층의 두께가 이미 400 nm(나노미터, 10억 분의 1 미터) 이하로 얇아져 있습니다. 이 연구는 이 두께를 200 nm 수준까지 더 줄이는 것을 목표로 합니다.

C. 얇아질수록 발생하는 두 가지 주요 난제

유전체 층이 400 nm 이하로 얇아지면 두 가지 심각한 문제가 발생합니다:

1. 미세 구조 제어의 어려움 (Grain Size Control): 세라믹을 만들 때 고온에서 소결(Sintering) 과정을 거치는데, 이때 세라믹을 이루는 작은 알갱이(Grain, 결정립)들이 너무 커져서는 안 됩니다. 결정립 크기는 세라믹 층의 두께를 넘어서는 안 되며, 미세한 다결정 구조를 유지하는 것이 중요합니다.

2. DC 바이어스 성능 저하 (High DC Bias Field): 층이 얇아지면, 기기에 가해지는 낮은 작동 전압(예: 0.8~1.8V)도 개별 층에는 매우 큰 전기장(최대 초과)으로 작용하게 됩니다. 이처럼 높은 **DC 바이어스(직류 전압)**가 가해지면, 와 같은 강유전체 재료의 핵심 성능 지표인 **유전율(Permittivity, 전하를 저장하는 능력)**이 급격히 떨어지는 현상이 발생합니다.

이 연구는 특히 두 번째 문제, 즉 고 DC 바이어스 하에서 유전율을 안정적으로 유지하는 데 중점을 둡니다.

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2. 해결 전략: 입계 석출을 이용한 미세 구조 최적화

이 연구에서 제시하는 혁신적인 전략은 **단일 원소 첨가제(Single-element additives)**를 사용하여 결정립 성장(Grain Growth)을 효과적으로 억제하고, 그 결과 의 미세 구조를 최적화하는 것입니다.

A. 입계 석출(Grain Boundary Segregation)이란?

연구진은 총 26가지의 다양한 원소들을 첨가제로 시험했습니다. 그 결과, 수용체형(Acceptor-type) 이가 및 삼가 양이온(예: , , , )이 결정립 성장을 억제하는 데 특히 효과적임을 발견했습니다.

• 결정립(Grain): 세라믹 재료를 이루는 작은 결정 알갱이입니다.

• 입계(Grain Boundary): 이 결정립들이 서로 맞닿아 있는 경계면입니다.

이 첨가제들은 결정립의 내부(Bulk)가 아니라, 오직 입계에만 강력하게 분리되어(Segregate) 집중적으로 쌓이는 현상을 보였습니다. EDS 분석 결과, Fe와 같은 첨가제는 입계에만 존재하며, 그 폭은 수 나노미터(단위 셀 몇 개 수준)에 불과했습니다.

B. 결정립 성장 억제 원리: "솔루트 끌림 효과"

입계에 첨가제가 강하게 모여 있으면, 이 첨가제들이 일종의 "장벽" 역할을 하여 결정립 경계가 이동하고 결정립이 커지는 것(Grain Coarsening)을 방해합니다. 이를 **솔루트 끌림 모델(Solute-dragging model)**에 따른 효과로 설명합니다.

• 결과: 이 첨가제들을 사용하면 소결 후에도 매우 미세한 결정립 구조를 얻을 수 있으며 (일부 시료는 100 nm 이하), 이는 값비싼 희토류 원소를 사용하지 않고도 달성되었습니다.

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3. 핵심 결과: 최적의 결정립 크기(200 nm) 발견

이 연구는 결정립 크기가 MLCC의 주요 전기적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석했으며, 중요한 **'트레이드오프(상충 관계)'**를 발견했습니다.

A. 결정립 크기와 기본 유전 특성의 관계

특성	결정립 크기가 작을 때의 효과 (예: 200 nm 이하)	결정립 크기가 클 때의 효과
유전율 ():	약간 낮아집니다.	더 높아집니다 (DC 바이어스 없을 때).
유전 손실 (Dielectric Loss):	크게 줄어듭니다 (최대 1 GHz까지). 100 MHz까지 손실이 1% 미만으로 매우 낮습니다.	손실이 커집니다.
온도 안정성 (Temperature Stability):	매우 향상됩니다 (150°C까지 변동, "8R" 등급을 만족).	큐리 온도()에서 유전율이 급격히 상승하는 전형적인 강유전체 특성을 보입니다.

결과적으로, 작은 결정립은 낮은 손실과 뛰어난 온도 안정성이라는 큰 장점을 제공하지만, 순수 유전율 자체는 큰 결정립에 비해 낮아진다는 상충 관계가 존재합니다.

B. DC 바이어스 유전율: 200 nm의 마법

가장 중요한 발견은 MLCC가 실제로 작동하는 조건인 고 DC 바이어스(예: 이상) 하에서 유전율이 어떻게 변하는지에 대한 것입니다.

1. 큰 결정립의 문제: 결정립이 큰 시료(예: 320 nm)는 DC 바이어스가 가해지면 유전율이 80% 이상 급격히 감소합니다.

2. 작은 결정립의 장점: 결정립이 작은 시료(예: 100 nm)는 DC 바이어스가 가해져도 유전율 감소 폭이 20% 정도로 현저하게 억제됩니다. 즉, 작은 결정립은 유전율 유지력(Permittivity retention)이 높습니다.

이 두 가지 상충하는 요인(DC 바이어스 없을 때의 높은 유전율 vs. DC 바이어스 하에서의 우수한 유지력)의 결과, DC 바이어스가 이상일 때 유전율이 최대치에 도달하는 결정립 크기가 존재함을 발견했습니다.

최적 결정립 크기: DC 바이어스 이상에서 유전율이 최대가 되는 범위는 200 nm에서 260 nm 사이입니다.

이러한 경향은 화산 모양(Volcano-shaped) 그래프로 나타나는데, 이는 결정립 크기가 너무 크거나(유지력 저하) 너무 작으면(기본 유전율 저하) 성능이 떨어진다는 것을 의미합니다.

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4. 결론 및 미래 MLCC에 대한 시사점

A. 연구의 성과 요약

이 연구는 , 와 같이 흔하게 구할 수 있는(earth-abundant) 단일 수용체형 첨가제만으로:

1. 결정립 성장을 효과적으로 억제하고,

2. 안정적인 높은 유전율 (), 낮은 유전 손실, 뛰어난 온도 안정성(8R 등급 초과)을 동시에 달성했으며,

3. **고 DC 바이어스 조건 하에서 유전율을 최대화하는 최적의 결정립 크기(약 200 nm)**를 명확히 제시했습니다.

B. 미래 MLCC 설계 방향 (200 nm 시대)

이 결과는 미래 MLCC 설계에 중요한 영향을 미칩니다.

현재 최고 수준의 MLCC 유전체 층 두께가 400 nm 이하인 상황에서, 유전체 층 두께를 200 nm 규모로 더 줄이면, 주어진 부피 내에서 층의 개수()를 두 배로 늘릴 수 있어 전체 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

만약 층 두께가 200 nm보다 더 얇아져 (예: 100 nm) 결정립 크기가 200 nm 이하로 강제된다면, DC 바이어스 유전율이 최대치에서 떨어지기 시작하여, 전체 용량 증가 효과가 예상보다 작아지게 됩니다.

따라서 연구진은 200 nm 규모의 유전체 층 두께와 이에 상응하는 결정립 크기가 차세대 고용량 MLCC를 위한 가장 유망한 방향이 될 것이라고 예측합니다.

NotebookLM-나노파우더를 위한 세라믹 분산 장비

CeraMing — Sun, 2 Nov 2025 12:53:59 +0900

일본 분산장비 업체들의 장비 카타로그 및 문헌을 NotebookLM을 이용하여 정리해보았습니다

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나노미터(nm) 범위인 50~100 nm의 세라믹 파우더를 분산시키는 것은 나노 분산(Nano dispersion) 또는 초미분쇄(Ultra-fine grinding) 영역에 해당하며, 이를 위해서는 이하의 **마이크로 비즈(Microbeads)**를 사용하는 습식 비즈밀이 가장 일반적입니다.

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1. 설비업체별 양산용 나노 분산 장비 목록 및 비교

50~100 nm 영역의 분산을 위해서는 주로 **습식 미디어 교반 분쇄기(Wet Bead Mill)**가 사용되며, 나노 분산에 특화된 장비와 고점도 대응 장비, 그리고 비즈를 사용하지 않는 고압 분산기(High-Pressure Disperser) 옵션이 있습니다.

제조사	모델명	분류/기술	특징 및 대응 비즈径	장점 (Pros)	단점 및 고려 사항 (Cons)
아이멕스 (Aimex)	Neo-Alpha Mill (NAM) (NAM-1~NAM-20)	나노 분산 특화 비즈밀 (연속식)	비즈 사용 가능. 잔류 조대 입자 격감 구조.	고품질 나노 분산에 최적. 이상의 잔류 조대 입자를 크게 줄임. 우수한 스케일업성. 1차 입자 ()를 까지 분산 실적.	대응 점도가 비교적 낮음 ().
아이멕스 (Aimex)	Dispersion Alpha Mill (DAM) (DAM-1~DAM-10)	소프트/고효율 분산 비즈밀 (연속식)	비즈 사용 가능. 원심 분리식.	과도한 강도를 억제하고 빈도를 높이는 소프트 분산에 특화. 입자 손상 및 재응집 방지에 유리.	NAM에 비해 조대 입자 제거 기능이 덜 강조됨.
일본 코크스 공업 (Nippon Coke & Eng.)	MSC Mill (MSC50~MSC450)	나노 입자 제조 비즈밀 (연속식)	마이크로 비즈 사용 가능. L/D 비가 작음.	극소경 비즈 대응 능력 최고. L/D가 작아 비즈 편석을 줄이고 균일한 에너지 분포 제공. 고속 운전 시에도 온도 상승을 최소화하여 재응집 억제.	NAM에 비해 잔류 조대 입자 관리 기능이 덜 특화됨.
아시자와 피네테크 (Ashizawa Finetech)	Mugen Flow () (MGF2~MGF25)	고점도 나노 분쇄/분산 비즈밀 (연속식)	비즈 사용 가능. 고유량 순환 방식.	최대 이상의 고점도/고농도 슬러리 처리 실적. 나노미터 또는 서브마이크론 레벨까지 미세 분쇄 가능.	최소 사용 비즈径이 이므로, 50 nm 목표 시 MSC나 NAM의 비즈 대비 효율이 낮을 수 있음.
히로시마 메탈 & 마시너리 (Hiroshima Metal & Machinery)	Ultra Apex Mill Advance ()	초저ダメージ 나노 분산 비즈밀 (연속식)	() 비즈 사용 가능.	최고 클래스의 초저 임팩트 분산으로 입자 손상을 최소화. , 등 급 입자의 점도 상승/겔화 억제에 효과적.	상세 양산 모델명은 명확히 제시되지 않았으나, 라인업은 갖추고 있음.
스기노 머신 (Sugino Machine)	Star Burst	무매체 고압 충돌 분산기 (연속식)	매체(비즈)를 사용하지 않음. 초고압 (최대 실적).	컨타미네이션 발생이 없음. 2차 입자(응집물)를 수 까지 효과적으로 분리. 스케일업이 용이함.	고압 설비 특성상 초기 투자 비용 및 유지 보수 비용이 높을 수 있음 (출처 내에는 노즐 교체 비용 절감 언급은 있음).

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2. 장비 상세 비교 및 추천

50~100 nm 세라믹 분말의 분산은 2차 입자(응집물)를 1차 입자로 분리하고 다시 뭉치지 않게 안정화시키는 것이 핵심입니다. 나노 영역에서는 **과도한 에너지(강도)**가 재응집이나 결정 구조 변화를 유발하므로, 낮은 강도로 높은 빈도의 분산 에너지를 부여하고, 분산제를 이용한 안정화 처리가 중요합니다.

A. 나노 분산 성능 및 품질 기준 비교

비교 항목	Neo-Alpha Mill (NAM, 아이멕스)	MSC Mill (일본 코크스 공업)	Ultra Apex Mill ADV (히로시마 메탈)	Star Burst (스기노 머신)
최소 사용 비즈径				매체 없음 (Media-less)
품질 특화 기능	잔류 조대 입자 격감 (롱 바디, 비즈 고밀집층).	균일한 에너지 분포 (작은 L/D).	초저 임팩트/저ダメージ 분산.	컨타미네이션 제로.
나노 실적 예시	1차 입자를 까지 분산.	, 분산 실적 보유.	급 및 유기 안료 저손상 분산.	수 응집물 분산.

B. 장비별 장단점 심화 분석

1. Neo-Alpha Mill (NAM) (아이멕스):

◦ 강점: 세라믹 분산 후 최종 제품의 품질을 저하시키는 이상의 잔류 조대 입자를 획기적으로 줄이는 데 특화되어 있습니다. 이는 롱 바디 (L/D 대) 채택으로 숏 패스(Short Pass)를 방지하고, Delta-V 디스크를 통해 비즈 고밀집층을 발생시켜 조대 입자에 확실하게 작용하도록 설계되었기 때문입니다. 스케일업에 대한 신뢰성도 높습니다.

◦ 약점: 상대적으로 낮은 점도()에 대응하므로, 고농도 세라믹 슬러리에는 적합하지 않을 수 있습니다.

2. MSC Mill (일본 코크스 공업):

◦ 강점: ****까지의 극소경 마이크로 비즈를 사용할 수 있어, 50 nm 목표 달성을 위한 최고의 분산 빈도를 확보할 수 있습니다. 작은 L/D 비율과 원심 분리 로터 구조는 비즈의 유출을 막고 샤프한 분쇄 에너지 분포를 제공하여 나노 분산 효율을 높입니다. (산화티타늄) 및 (티탄산바륨) 등 세라믹 분산에 대한 구체적인 실적이 있습니다.

3. Mugen Flow (MGF) (아시자와 파인테크):

◦ 강점: 나노 분산 능력( 비즈 사용 가능)을 유지하면서 고농도 세라믹 슬러리(최대 이상) 처리가 필요할 경우 강력한 대안입니다. 비즈 분리 성능이 탁월하여 고유량 순환 처리가 가능합니다.

4. Star Burst (스기노 머신) / Microfluidizer (MFD):

◦ 강점: 컨타미네이션(불순물 혼입)이 전혀 없는 나노 분산이 가능하며, 비즈밀 대비 10배 이상의 빠른 분산 속도를 보인 사례도 있습니다. MFD는 높은 압력으로 좁은 관을 통과시켜 Shear Force, Impact Force, Cavitation을 발생시켜 Sub-micron 입도와 샤프한 분포를 얻는 데 유리합니다.

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3. 종합 추천

50~100 nm 세라믹 파우더를 양산할 때, 요구되는 **품질(잔류 조대 입자, 입도 분포의 샤프함)**과 **처리 유연성(비즈径, 점도)**을 고려하여 추천합니다.

1순위 추천: Neo-Alpha Mill (NAM) (아이멕스)

세라믹 분말을 사용한 전자 부품이나 고기능성 코팅재 등 최종 제품의 품질이 가장 중요한 경우 NAM을 추천합니다.

• 추천 이유: 나노 분산 후 입도 분포 측정기로는 잡히지 않는 품질 저하의 주범인 잔류 조대 입자를 근본적으로 격감시키는 특화 기술과 비즈 사용 능력을 모두 갖춘 장비이기 때문입니다. 안정적인 스케일업 성능도 입증되었습니다.

2순위 추천: MSC Mill (일본 코크스 공업)

최저 입경 도달 능력과 극소경 비즈() 사용이 필수적이거나 세척 용이성이 중요할 경우 MSC Mill을 추천합니다.

• 추천 이유: 비즈를 사용할 수 있다는 점은 50 nm 이하의 영역까지 확장 가능성을 열어주며, 소형 L/D와 원심 분리 로터로 고속 운전 시 재응집을 최소화합니다. 분쇄 탱크부가 선회 가능하여 유지 보수 및 세척이 용이하다는 장점이 있습니다.

3순위 추천 (무매체 및 고점도 대안): Star Burst 또는 Mugen Flow (MGF)

• 컨타미네이션이 절대 금지되거나, 기존 비즈밀에서 입자 손상이 확인된 경우, Star Burst와 같은 무매체 고압 충돌 분산기를 고려해야 합니다.

• 세라믹 슬러리의 농도가 높아 점도가 를 초과하는 환경이라면, 비즈를 사용하여 나노 분쇄가 가능한 **Mugen Flow (MGF)**가 최적의 선택입니다.

(2021)Stabilization of size-controlled-BaTiO3 nano cubes via precise solvothermal crystal growth and and Their Anomalous Surface Compositional Reconstruction

CeraMing — Sun, 2 Nov 2025 09:23:26 +0900

BT분말의 연구개발관련 Nano cube BT 문헌을 모아노트북LM을 이용하여 연대기적으로 연구개발 동향을 정리해 보았습니다

I. 초기 개발 단계 (2007년 ~ 2009년): 미세화 및 형태 제어의 시작

1. 합성 방법 및 결과

• 2007년 무렵, 나노 입자의 형태를 제어하는 연구가 시작되었으며, 는 복합 산화물 재료이므로 나 와 같은 다른 재료에 비해 형태 제어가 매우 어렵다고 인식되었습니다.

• 2008년 일본 Yamanashi 대학에서 나노큐브 및 그 제조 방법에 대한 특허가 출원되었습니다.

• 2009년 Satoshi Wada 연구팀은 솔보열수법(Solvothermal method)을 이용해 미만의 나노큐브 입자를 합성하는 데 성공했다고 발표했습니다.

◦ 합성 시 유기 용매와 , 전구체(raw materials)의 선정이 가장 중요했으며, 이상의 고온에서 핵 생성과 입자 성장을 이방성으로 제어해야 했습니다.

◦ 2-methoxyethanol 용매를 사용했을 때 에서 18시간 반응시켜 평균 의 날카로운 모서리(sharp-edged corner)를 가진 나노큐브를 얻었으며, 이는 이하의 날카로운 모서리 나노큐브 합성에 성공한 첫 보고였습니다.

◦ 40 vol% 2-methoxyethanol과 60 vol% 에탄올의 혼합 용매를 사용했을 때는 평균 크기의 나노큐브를 성공적으로 제조했습니다.

2. 분석 및 응용

• 초기 는 주로 **다층 세라믹 콘덴서 ()**용 유전체 재료의 원료로 응용될 가능성이 제시되었습니다.

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II. 배열 구조 및 고유전 특성 연구 단계 (2010년 ~ 2014년)

1. 합성 및 형태 제어 심화

• 2010년 G. Caruntu 연구팀은 용액 기반으로 단분산성 큐브형 콜로이드 나노결정을 합성하는 방법을 보고했습니다.

• 2010년 Tohoku 대학 연구팀은 고농도 솔보열수 합성을 통해 sub-10 nm 크기의 나노입자를 광학 응용을 위해 성공적으로 얻었다고 보고했습니다.

• 2012년 F. Dang 등의 연구에서는 수용액 공정을 통해 나노큐브와 그 초격자(superlattice)를 현장 성장(in situ growth)시키는 방법을 보고했습니다.

• 2014년 S. Amano 등의 연구에서는 솔보열수법에서 바륨 원료로 와 ** (아세트산 바륨)**를 혼합하여 사용할 경우, 농도가 증가할수록 나노큐브의 핵 생성 속도가 감소하여 날카로운 모서리를 가진 나노큐브를 형성함을 확인했습니다.

2. 분석 및 응용 (나노큐브 배열 및 특성)

• 2010년 Wada 연구팀은 와 나노큐브를 분산시키고 **'스마트 접착제(smart glue)'**를 사용하여 선택적으로 적층하여 이종 계면(hetrointerface) 연결을 확인했습니다. 이는 향상된 물성을 갖는 구조 경사 영역(SGR) 형성의 기초가 됩니다.

• 2012년 M. J. Polking 등의 연구에서는 sub-10 nm 크기의 개별 나노큐브에서 **강유전성 질서(ferroelectric order)**가 유지됨을 확인하여, 나노 크기에서 강유전성이 사라진다는 기존의 **사이즈 효과(size effect)**에 대한 이해를 재고하게 했습니다.

• 2013년 K. Kato, K. Mimura, S. Wada 연구팀은 증발 유도 자가 조립(evaporation-induced self-assembly) 방법을 통해 나노큐브를 정렬시켜 **강유전성 초결정(ferroelectric supracrystals)**을 형성하는 데 성공했습니다.

◦ 이 구조는 열처리 후에도 입자의 큐브 형태와 면대면( 방향) 정렬이 유지되었으며, 내부가 치밀하고 정렬된 구조(상대 밀도 )를 가졌습니다.

◦ 분석 결과, 측정에서 강유전성 이력 곡선(hysteresis loop)이 나타났으며, 압전 계수 값이 범위로 측정되었습니다. 이는 나노큐브 배열 구조가 유전체 및 압전 장치 응용에 큰 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다.

• 2013년 S. S. Parizi 등의 연구에서는 를 고에너지 밀도 고분자-세라믹 나노복합재의 정전 용량 빌딩 블록으로 활용하여, 에너지 밀도를 향상시켰습니다.

• 2014년 K. Mimura와 K. Kato는 에서 소결한 조립체 필름이 이상의 높은 유전 상수를 상대적으로 낮은 유전 손실( 미만)과 함께 보였으며, 이는 계면에서의 **국부 변형률(local strain)**이 나노 사이즈 효과 없이 유전 특성을 향상시킨 것으로 분석되었습니다.

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III. 심화 분석 및 기능성 구조 개발 단계 (2015년 ~ 현재)

1. 구조 및 형태 심화 분석

• 2015년 C. Bogicevic 등은 솔보열수 합성 시 Ostwald ripening 및 Kirkendall 효과와 같은 **형태 발생 메커니즘(Morphogenesis mechanisms)**을 식별하고, 나노큐브 형성 메커니즘으로 자가 재구축(self rebuilding) 및 병합 재구축(merging rebuilding) 프로세스를 제안했습니다.

• 2016년 Q. Ma와 K. Kato는 수열법으로 합성된 나노블록에서 **비등방성(Anisotropy)**을 가진 큐보이드(cuboid) 형태의 비율이 크기가 증가함에 따라 증가함(에서 에서 )을 보고했습니다. 또한 이 큐보이드 형태는 미만 크기에서 정방정계 상(tetragonal phase)이 존재할 가능성을 시사했습니다.

• 2016년 Q. Ma와 K. Kato는 단일층 배열의 소결 거동을 으로 분석하여, 에서 이웃하는 나노큐브 간 **원자-대-원자 에피택시얼 부착 메커니즘(atom-by-atom epitaxial attachment mechanism)**을 통해 반정합 융합 영역(semi-coherent fusion region)이 형성됨을 밝혔습니다. 이 계면의 진화는 유전 특성 향상에 중요한 역할을 합니다.

• 2018년 H. Itasaka 등의 연구는 (Tip-enhanced Raman spectroscopy)를 사용하여 개별 의 결정학적 구조를 분석했으며, 열처리 과정에서 계면 비정질층이 제거되거나 재구성되면서 강유전성 거동에 영향을 미친다고 추론했습니다.

• 2021년 K. Nakashima 등은 솔보열수 합성법을 최적화하여 크기의 정방정계(tetragonal) 나노큐브를 합성하고, 원자 단위의 정밀 분석()을 통해 입자 표면이 컬럼 2개 층으로 구성된 **표면 재구성(surface reconstruction)**을 가짐을 확인했습니다. 이 표면 구조의 가시화는 물성 발현에 중요한 역할을 합니다.

2. 기능성 재료 및 응용 확장

• 2015년 K. Mimura 등은 모세관력(capillary force)을 이용한 딥 코팅(dip-coating) 방식으로 미세 패턴 기판 위에 정렬 조립체를 제작하여 마이크로 패턴이 미세 균열(micro-cracks) 발생을 억제하고 정렬도를 높임을 입증했습니다.

• 2016년 K. Mimura 등은 자리에 을 치환한 () 나노큐브를 합성하여 유전 특성의 주파수 및 온도 의존성을 제어하려는 시도를 보고했습니다.

• 2020년 K. Mimura 등은 자리에 을 치환한 () 나노큐브를 합성하여 치환이 3D 조립체의 강유전성에서 상유전성(paraelectric)으로의 상전이를 유도함을 확인했습니다.

• 2021년 K. Mimura 등은 코어-쉘 () 나노큐브를 1단계 열수 반응으로 합성했습니다. 이 나노큐브는 구조의 코어와 구조의 쉘을 가지며, 이종 계면(heterointerface)에서 압전성 이력 곡선이 관찰되어 압전 구동 에너지 하베스터 응용 가능성을 시사했습니다.

• 2021년 X. Tian 등은 ** 크기의 개별 **의 전기적 특성을 **in situ **으로 측정했습니다. 또는 도핑을 통해 전기장에 대한 저항 변화율을 조절할 수 있음을 확인했으며, 이는 고집적 설계에 기여할 것으로 기대됩니다.

나노큐브 연구 개발은 초기 크기 및 형태 제어에 집중하다가 (2009년), **나노큐브 배열 구조(Supracrystals)**의 독특한 전기적 특성 (고유전율 )이 확인된 이후 (2013년 이후), 계면 융합 거동 및 원자 수준의 표면 재구성 등 구조적 특성 분석과 코어-쉘, 고용체 합성을 통한 기능성 확장으로 나아가고 있습니다. 궁극적으로는 및 차세대 소형 전자 장치에 필요한 고밀도, 고신뢰성 유전체 개발에 기여하고 있습니다.

(2025)Doping in Barium Titanate: A Historical Perspective and Future Directions

CeraMing — Sun, 2 Nov 2025 09:08:06 +0900

https://doi.org/10.30799/jacs.273.25110104

1. 개요 및 연구 목표

Barium Titanate (, )는 뛰어난 전기적, 광학적, 구조적 특성으로 인해 강유전체 및 유전체 분야에서 초석이 되는 재료였습니다. 역사적으로 의 도핑은 강유전성, 유전성 및 압전 특성을 향상시키는 데 결정적인 역할을 했으며, 이로 인해 는 전자 및 에너지 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

본 논문은 도핑 전략에 대한 역사적 관점을 제공하고, 주요 과제를 탐구하며, 기반 기술의 차세대를 주도할 새로운 접근 방식을 논의하는 것을 목표로 합니다.

2. 의 초기 연구와 구조

의 역사는 1940년대로 거슬러 올라가며, 강유전성, 압전성, 초전성 및 높은 유전율을 포함한 고유한 특성으로 인해 과학 연구의 초점이 되어 왔습니다.

• 발견 및 구조: 의 강유전성 특성은 제2차 세계대전 이후에 더욱 명확히 확인되었습니다. 는 페로브스카이트 결정 구조를 특징으로 하며, 바륨(Ba) 원자는 모서리에, 티타늄(Ti) 원자는 중앙에, 산소(O) 원자는 면의 중심에 위치합니다.

• 상전이: 고온의 상자성 상(paraelectric phase)에서 는 격자 상수가 약 3.92 Å인 입방정 구조를 가집니다. 온도가 낮아지면 정방정(tetragonal), 사방정(orthorhombic), 마름모정(rhombohedral)과 같은 낮은 대칭 구조로 일련의 상전이를 겪습니다.

• 강유전성: 상온에서 는 가장 중요한 정방정 결정 구조를 나타내는데, 이는 단위 셀의 약간의 왜곡으로 인해 전기 쌍극자가 발생하여 강유전성 거동을 유발합니다. 이상에서는 입방정 구조로 변하여 강유전성을 잃습니다. 이하에서는 양전하를 띤 이온이 주변 이온에 대해 일방적으로 변위되어 영구 쌍극자 모멘트를 생성함으로써 비중심 대칭적인 정방정 상으로 변형됩니다.

• 나노재료: 나노과학의 발전과 함께 나노구조물(나노입자, 나노막대, 나노섬유 등)도 고유한 크기 의존적 특성으로 인해 큰 관심을 받고 있습니다.

3. 도핑의 영향

도핑은 알칼리, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란타넘족 및 악티늄족 이온을 포함한 다양한 원소를 사용하여 기반 장치의 성능에 결정적인 영향을 미칩니다.

3.1. 알칼리 및 알칼리 토금속 도핑 (Li, Na, K 등)

• 구조 및 전기적 특성: 격자에 리튬(Li), 나트륨(Na)과 같은 알칼리 원소를 도입하면 결정 구조, 결함 화학 및 전하 캐리어 농도가 변경될 수 있습니다.

• 강유전성 및 유전성: 도핑은 정방정 상을 안정화시켜 강유전성 특성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 도핑된 는 유전율과 가변성(tunability)이 증가하며, 이는 가변 커패시터 및 마이크로파 장치 응용 분야에 유리합니다. 또한, 알칼리 도핑은 전기 전도도를 감소시켜 높은 절연 저항을 유지하는 데 도움이 되며 커패시터 응용 분야에 적합합니다.

• 압전 특성: 와 를 함께 도핑하면 특정 농도에서 압전 계수가 향상되어 압전 센서 및 액추에이터에 더 적합해집니다.

3.2. 전이 금속 도핑 (Fe, Mn, Co, Ni, Zn 등)

전이 금속 도핑은 의 구조적, 유전적, 강유전적, 압전적 및 광전자적 특성을 크게 변화시킵니다.

• 구조 및 결함: 전이 금속은 이온 반경 및 원자가 차이로 인해 격자 왜곡을 유발합니다. 예를 들어, 는 일반적으로 를 대체하여 격자 변형을 유발합니다. , , 와 같은 도펀트는 전하 중성을 유지하기 위해 산소 공석(oxygen vacancies)과 같은 점 결함을 유발하는 것으로 특히 주목됩니다.

• 큐리 온도 (): 대부분의 도펀트는 호스트의 상전이 온도()를 낮추지만, 와 같은 일부 도핑은 를 높여 열 안정성을 향상시키기도 합니다. 는 를 낮추어 정방정 상을 낮은 온도에서만 안정화하는 것으로 관찰되었습니다.

• 유전 특성: 도핑된 는 일반적으로 결정성의 개선으로 인해 유전율이 증가합니다. 반면, 도핑은 더 높은 도핑 수준에서 도메인 벽 운동의 억제 및 결함으로 인해 유전율이 감소하는 현상을 보입니다. 과 같은 도핑 원소는 결함 유도 전도 경로를 제한하여 유전 손실을 줄이는 경향이 있습니다.

• 강유전성: 및 과 같은 도핑 원소는 일반적으로 결함 중심을 도입하여 도메인을 고정함으로써 잔류 분극 및 포화 분극을 감소시킵니다. 그러나 도핑은 보자력장(coercive field)을 증가시켜 도메인 스위칭을 어렵게 만들 수 있으며, 이는 높은 분극 잔류율이 필요한 응용 분야(예: 메모리 장치)에 도움이 됩니다. , , 등은 도메인 안정성을 향상시켜 피로 저항(fatigue resistance)을 높일 수 있습니다.

• 광학 특성: 도핑은 밴드 갭 내에 국부적인 상태를 도입하여 유효 밴드 갭을 좁히고 흡수 스펙트럼을 가시 영역으로 이동시킵니다. 이는 광 검출기나 태양 전지와 같은 광전자 장치에서의 적용 가능성을 높일 수 있습니다.

3.3. 란타넘족 및 악티늄족 도핑 (La, Nd, Sm, Eu 등)

• 구조 및 유전 특성: 란타넘족 이온이 +3가 상태에서 더 큰 크기의 이온을 대체하면 격자 수축 및 큐리 온도 증가가 발생하며, 전하 중성을 유지하기 위해 산소 공석이 생성됩니다.

• 고유전율: 대부분의 란타넘족 도핑된 세라믹은 비도핑된 보다 더 높은 유전율을 나타내어 고용량 응용 분야에 더 적합합니다.

• 예시: 사마륨(Sm) 도핑은 확산 상전이(relaxor ferroelectrics의 특징)를 유도하고 유전율을 증가시키며 안정적인 유전 거동을 보입니다. 네오디뮴(Nd) 도핑은 유전율을 증가시키고 손실 탄젠트(loss tangent)를 감소시켜 고주파 응용 분야에 적합한 성능을 보여주며, 압전 응답도 향상시킵니다. 유로퓸(Eu) 도핑은 상온 근처에서 높은 유전율을 유도하여 MLCC(다층 세라믹 커패시터)에 탁월한 후보가 될 수 있습니다.

4. 주요 과제 및 미래 방향

도핑은 의 특성을 향상시키지만, 몇 가지 중요한 과제가 남아 있습니다.

4.1. 주요 과제

1. 용해도 한계: 많은 도펀트가 매트릭스에서 용해도가 제한되어 성능을 저하시킬 수 있는 2차 상(secondary phases)이 형성됩니다.

2. 구조적 왜곡 및 상 안정성: 도펀트는 상전이 온도를 변경하고 호스트 원자와의 크기 불일치로 인해 격자 변형을 유발할 수 있습니다.

3. 전하 보상 및 결함: 도펀트가 도입될 때 원치 않는 결함(산소 공석)이나 전하 캐리어를 생성하여 전도도를 예측할 수 없게 변경할 수 있습니다.

4. 처리 및 제조: 균일한 도펀트 분포를 달성하는 것이 어려워 졸-겔 합성, 스파크 플라즈마 소결(sintering), 분자선 에피택시(MBE)와 같은 고급 제조 방법이 필요합니다.

4.2. 미래 방향

도핑의 미래 연구는 이러한 한계를 극복하는 데 중점을 두고 있습니다.

• 향상된 강유전성: 상온에서 정방정 상을 안정화하여 유전 및 강유전 특성을 향상시키려는 노력이 진행 중입니다.

• 다기능 재료: 상온 다강성(multiferroic) 를 개발하기 위한 공동 도핑(co-doping) 전략이 연구되고 있으며, 이는 스핀트로닉스 및 메모리 응용 분야에 유용할 수 있습니다.

• 결함 공학: 제어된 결함 도입을 통해 이온 전도도를 향상시켜 고체 전지와 같은 응용 분야에 활용하려는 연구가 진행 중입니다.

• 지속 가능한 재료: 전통적인 납 기반 페로브스카이트의 대안으로 무연 압전 재료를 개발하고 있습니다. 또한, 환경 영향을 최소화하기 위해 친환경 합성 경로가 모색되고 있습니다.

(2020) Low-ESL MLCCs by SEMCO

CeraMing — Mon, 27 Oct 2025 22:18:04 +0900

https://www.roger-tech.com/kr/news/Samsung-Electro-Mechanics-Technical-Document-Low-ESL-MLCC.html

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www.roger-tech.com

인터넷에서 찾은 삼성전기의 Low-ESL MLCC관련자료를 Notebook LM의 도움으로 설명을 보완하여 공유드립니다

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1장. Why Low-ESL MLCC? (왜 Low-ESL MLCC인가?) : 실제 MLCC의 특성과 낮은 ESL의 필요성 및 시스템 트렌드에 대해 설명합니다.

실제 MLCC의 특성 및 낮은 ESL의 효과

• 실제 MLCC의 구성: 실제 MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor)는 이상적인 커패시터와 달리 커패시턴스(C), 등가 직렬 저항(ESR: Equivalent Series Resistance), 등가 직렬 인덕턴스(ESL: Equivalent Series Inductance)를 모두 가집니다.

• 임피던스 (Z) 공식: 실제 MLCC의 임피던스는 로 표현됩니다.

• ESR 및 ESL의 원인:

◦ ESR은 유전체 저항(Dielectric Resistance) 및 내부/외부 저항(Internal/External Resistance)으로 인해 발생합니다.

◦ ESL은 전류 변화(Current Variance)와 자속 변화(Flux Variance)가 기전력(EMF: Electromotive Force)을 생성하여 발생합니다.

• 전압 변동 감소 효과: 커패시터의 낮은 ESL은 전압 변동(voltage fluctuations, \Delta V)을 감소시킬 수 있습니다. 벅 컨버터(Buck Converter) 회로에서 ESL 값이 감소할수록 (예: 500 pH에서 100 pH로) 출력 전압의 변동 폭 ()이 현저히 줄어드는 것을 시뮬레이션을 통해 보여줍니다.

• 임피던스(Z) 관계: 전압 변동()은 임피던스()에 비례합니다 ().

세트 트렌드와 Low-ESL MLCC의 활용

• 주요 세트 트렌드: 성능 향상 주파수() 증가; SoC/GPU/MCU의 고성능화 전류() 증가; 패키지 최소화() 동작 전압() 감소; 세트 최소화 디바이스 크기 및 수량() 감소 추세입니다.

• 전력 요구사항: 관계에서, 를 줄이기 위해 임피던스()를 작게 만들어야 합니다.

• Z를 줄이는 방법:

1. 방법 1: MLCC를 같은 라인에 병렬 연결: 임피던스는 감소시키지만, 마운트 면적(Mount Area)이 증가하고 작업 시간(Man. hour)이 늘어납니다.

2. 방법 2: Low-ESL MLCC 사용: 예를 들어, 2012mm MLCC (300 pH) 대신 Low-ESL MLCC인 2012 VLC (45 pH)를 사용하여 임피던스를 줄일 수 있습니다.

• 스마트폰 PDN 트렌드: AP/SoC/GPU의 성능 향상에 따라 3단자 커패시터(3T Cap)와 로우 프로파일 커패시터의 사용이 증가하고 있습니다.

◦ 공간 절약 트렌드: 저성능(Phase 1) 단계에서는 많은 수의 22uF MLCC를 사용했지만, 고성능(Phase 3) 단계에서는 고용량 3T 커패시터(3T 15uF)와 LSC(Low Self-Inductance Capacitor) 또는 임베디드 커패시터 등을 사용하여 고주파수 디커플링에서 ESL을 낮추며 공간을 절약합니다.

• PDN 내 커패시터의 기능 범위:

◦ MLCC: 수백 kHz 대역.

◦ 3단자(3T): 수백 kHz에서 수십 MHz 대역.

◦ LSC: 수십 MHz 이상 대역에서 임피던스 감소를 담당합니다.

2장. Comparison of Low-ESL MLCCs (Low-ESL MLCC 비교) : 다양한 Low-ESL MLCC 유형의 ESL 성능 및 구조적 원리를 비교합니다.

ESL 유형별 비교

Low ESL MLCC는 임피던스 또는 마운팅 면적을 줄이는 데 사용될 수 있습니다.

유형 (약어)	전체 명칭	예시 ESL 값 (2012mm 기준)
MLCC	Multilayer Ceramic Capacitor	300 pH (2012mm), 130 pH (0402)
LICC	Low Inductance Ceramic Capacitor	60 pH (0816), 130 pH (0402)
SLIC	Super Low Inductance Capacitor	45 pH (2012), 33 pH (1608)
3T Cap	3 Terminal Capacitor	40 pH (1005)
VLC	Vertically Laminated Capacitor	28 pH (2012)

인덕턴스의 원리 및 경향

• 인덕턴스의 정의: (: 자기장, : 전류)이며, 전류 루프의 면적이 증가하면 인덕턴스가 증가합니다.

• Low Inductance를 달성하는 구조적 경향:

◦ Wide Current Path (LICC): 자기장()을 작게 만들어 인덕턴스를 작게 만듭니다.

◦ Small Current Path (3T): 전류 면적()을 작게 만들어 인덕턴스를 작게 만듭니다.

◦ Multiple Current Path (VLC, SLIC): 자기장 소거(Canceling of Magnetic flux)를 통해 인덕턴스를 작게 만듭니다.

Low-ESL MLCC 유형별 구조

• LICC (Low Inductance Ceramic Capacitor):

◦ 특징: 인덕턴스 공식을 바탕으로, 길이()를 줄이고 단면적()을 늘리는 구조적 특징을 가집니다. 일반 MLCC 대비 이 로 줄고 가 로 늘어납니다.

• SLIC (Super Low Inductance Capacitor):

◦ 특징: **인덕턴스 상쇄(Inductance Cancellation)**를 이용하며, 8단자 커패시터 형태를 가집니다. 짧은 전류 루프(Short Current Loop)를 형성하여 를 통해 인덕턴스를 낮춥니다 (: 자기 인덕턴스, : 상호 인덕턴스).

• 3T (3 Terminal Capacitor):

◦ 특징: **작은 이중 전류 경로(Small double current path)**를 형성합니다. 등가 회로 모델은 커패시턴스(C)가 두 개의 분리된 인덕턴스 경로(L) 사이에 연결된 형태입니다.

• VLC (Vertically Laminated Capacitor):

◦ 특징: 회로 기판에 수직으로 적층된 구조(Vertically laminated structure)를 가집니다. 3개의 단자를 통해 매우 작은 이중 전류 루프를 형성하여 **매우 낮은 ESL(Very Low ESL)**을 달성합니다.

3장. Performance (성능) : Low-ESL MLCC, 특히 3단자 커패시터(3T Cap)의 임피던스, 공간 활용 및 전압 리플 성능을 평가합니다.

유형별 임피던스 (Z) 비교

• 3단자 커패시터는 MLCC 및 LICC보다 낮은 ESL을 보여줍니다. 삽입 손실(Insertion Loss, S21) 그래프를 통해 커패시턴스 영역과 ESL 영역을 비교할 때, 3T Cap이 가장 낮은 ESL 성능을 보입니다.

공간 효율 (Space Effect)

• 3단자 커패시터는 4개의 MLCC를 대체할 수 있는 ESL 성능을 가집니다.

• MLCC (1 씩)를 3T Cap (4.3 )으로 대체할 경우, 유사한 임피던스 곡선을 유지하면서 36%의 공간 절약(Space Saving 36%) 효과를 얻을 수 있습니다.

전압 리플 효과 ( Effect)

• 3T Cap은 MLCC보다 더 작은 전압 리플(\Delta V)을 보입니다.

◦ 과도 시뮬레이션(Transient Simulation) 결과 비교 (PMIC 3Vdc, I=3A, T=15ns):

▪ MLCC 사용 시: .

▪ 3T Cap 사용 시: \Delta V = 162 mV.

• 디자인 인(Design-In) 성능 비교:

◦ MLCC (HHP 설계 기준) 사용 시: .

◦ 3T Cap 사용 시: .

◦ 이 비교를 통해, 1개의 3T Cap이 4개의 MLCC가 달성한 것과 거의 동일한 리플 성능을 제공함을 알 수 있습니다.

NotebokLM의 도움으로 제작되었습니다

(2023) 차세대 MLCC를 위한 Post BaTiO3 (BT) 세라믹에서 산소 공공의 영향에 관한 연구 동향

CeraMing — Mon, 27 Oct 2025 21:56:30 +0900

Research Trends on the Influence of Oxygen Vacancies in Post BaTiO3 (BT) Ceramics for Next-Generation MLCCs

https://www.ceramist.or.kr/journal/view.php?number=1045&viewtype=pubreader

차세대 MLCC를 위한 Post BaTiO<sub xmlns="">3</sub> (BT) 세라믹에서 산소 공공의 영향에 관한 연구 동향

Received 2023 May 14; Accepted 2023 May 22.

www.ceramist.or.kr

1. 서론: 차세대 MLCC의 요구 사항과 Post-BT 소재의 필요성

1.1. MLCC 수요 증가와 요구 특성

최근 전기차 및 자율주행차 등 모빌리티의 전장화가 가속화됨에 따라 전자기기의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, MLCC(적층형 세라믹 캐패시터)는 회로의 노이즈 제거 및 효율적인 전력 분배를 위한 핵심 부품으로 주목받고 있습니다.

• 높은 신뢰성 요구: 모빌리티용 MLCC는 IT용 MLCC 대비 극단적으로 높은 안정성이 필요합니다. 특히 안전 사양이나 파워 모듈에 사용되는 MLCC는 최소 X7R 규격 (용량 변화율 이내 @ ~ )을 만족해야 합니다.

• 고내전압화: 전기차 충전 전압이 상승함에 따라, 파워 모듈 내 발열이 심각해져 MLCC의 고내전압화가 필수적으로 수반되어야 합니다.

1.2. BT 세라믹의 한계와 Post-BT 후보군

기존 MLCC는 주로 BaTiO₃ (BT) 기반 강유전 세라믹을 사용해 왔습니다. BT는 높은 유전율과 우수한 내환원성을 가지지만, 낮은 큐리 온도 (, )와 근방에서 형성되는 diffuse phase transition 온도 ()로 인해, X5R 이상의 규격을 만족하기 어렵습니다.

• Post-BT 유력 후보: BT의 한계를 극복할 차세대 유전체로 **(NaBi (NBT)**와 **( (KNN)**가 가장 유력합니다.

• 장점: NBT는 가 이상, KNN은 가 이상으로 BT의 본질적인 온도 한계를 극복할 수 있어 X7R 이상 규격 적용이 가능하며, 수백~수천의 높은 유전율도 구현 가능합니다.

• 가장 큰 과제 (내환원성): Post-BT 소재가 MLCC 산업계에서 널리 쓰이기 위해서는 Cu나 Ni 등 전이금속 전극과의 환원 분위기 동시 소성을 위한 내환원성 확보가 필수적이지만, 이에 대한 연구가 아직 미진하며, 환원 열처리에 수반되는 산소 공공의 영향에 대한 연구가 막 시작된 단계입니다.

1.3. 산소 공공의 중요성

산소 공공은 세라믹 소재의 산소 이온 전도, IR(절연 저항) 열화, 미세구조, aging 현상, hardening effect 등 다양한 특성에 중대한 영향을 미칩니다. 이 보고서는 BT를 포함하여 NBT와 KNN 세라믹스에서의 산소 공공의 역할을 되돌아보며 내환원성 확보를 위한 기초 지식을 제공하고자 합니다.

2. 강유전 세라믹스에서 산소 공공의 역할

2.1. (Na_{0.5}Bi_{0.5})\text{TiO}_3 (NBT) 세라믹스

NBT는 상온에서 rhombohedral 구조를 가지는 강유전 물질이며, 높은 유전율 확보를 위해 BaTiO₃(BT)를 고용하여 사용하는 경우가 많습니다.

1. 높은 산소 이온 전도도:

◦ 와 같은 acceptor 도핑이나 A-site deficiency를 통해 산소 공공이 발생하면, NBT 세라믹스는 고온에서 높은 산소 이온 전도도를 보입니다.

◦ 이는 이온의 높은 polarizability와 낮은 Bi-O 결합 에너지에 기인하며, 복합 임피던스 분광법을 통해 규명되었습니다.

2. 미세구조 및 전기적 특성 변화:

◦ Bi-결핍 등을 활용하여 산소 공공을 형성하면, 전도 거동이 전자 전도에서 전자-이온 혼합 전도로 변화합니다.

◦ 산소 공공 증가는 grain boundary roughening 효과를 통해 비정상 입성장(Abnormal Grain Growth, AG)을 억제하여 grain 크기를 작게 만듭니다.

◦ 작은 grain 크기는 산소 공공을 trap 할 수 있는 grain boundary 비율을 증가시켜 산소 공공의 이동도를 감소시키고, 결과적으로 순수 NBT 대비 낮은 이온 전도도 비율을 보이게 됩니다.

◦ 산소 공공은 domain wall pinning을 일으켜 강유전 특성에 영향을 미치는데, small signal 특성은 산소 공공 농도에, large signal 특성은 grain boundary에 더 큰 영향을 받습니다.

3. Hardening Effect 및 Defect Complex:

◦ 와 같은 acceptor를 고용하여 산소 공공을 형성하면, 와 같은 defect complex가 형성됩니다.

◦ 고온 ( 이상)에서는 이 defect complex가 해리되어 산소 공공 이동 자유도가 생겨 높은 산소 이온 전도도를 보이며, 상온에서는 이 복합체가 domain wall pinning 효과를 일으켜 hardening effect를 유발합니다.

4. 자유 산소 공공 및 고온 캐패시터 개발:

◦ 수학적 모델링 결과, NBT 세라믹스에서는 전체 산소 공공 농도가 일정하더라도 상전이 온도에서 자유 산소 공공 (free oxygen vacancy) 농도가 급격히 증가하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 산소 이온 전도의 정도가 상전이 온도에 영향을 받는 자유 산소 공공 농도에 의해 결정됨을 의미합니다.

◦ NBT-BT 세라믹스에 (CZ)를 고용하고 결함 농도를 조절하여, -67^\circ\text{C}에서 362^\circ\text{C} 범위에서 유전율 변화가 15\% 이내인 고온 캐패시터용 소재를 개발한 사례가 보고되었습니다.

2.2. \text{BaTiO}_3 (BT) 세라믹스

BT에서의 산소 공공의 역할은 오랫동안 연구되었으며, 주로 IR 열화, 미세구조 변화, aging 현상으로 요약됩니다.

1. IR 열화 제어 (신뢰성):

◦ 산소 공공 이동도 제어: 와 같은 multi valance acceptor 도핑은 단일 원자가 도핑 대비 IR 열화를 크게 개선합니다. 이는 multi valance acceptor 고용이 defect complex 형성을 통해 산소 공공의 이동도를 효과적으로 억제하기 때문입니다.

◦ P-N 접합 억제: DC 전압 인가 시 산소 공공 이동에 따른 p-type/n-type 접합 형성이 절연 파괴의 원인인데, multi valance acceptor는 산소 공공의 이동도를 현저히 떨어뜨려 이 P-N 접합 형성을 지연시킵니다.

◦ 산소 공공 농도 제어: 와 같은 희토류 원소(donor)를 대신 치환하여 도핑하면 산소 공공 발생 자체를 억제하여 IR 열화 개선에 활용됩니다. 희토류 도핑량 증가는 고온 IR 열화를 지연시키고, 산소 공공에 의해 발생하는 capacitance time aging 현상도 감소시킵니다.

2. 미세구조 변화 (비정상 입성장 억제):

◦ 산소 공공 농도 증가는 grain boundary roughening을 일으킵니다.

◦ 거친(rough) grain boundary는 원자의 흡착 정도가 커져 입성장 거동을 interface reaction 의존 거동에서 diffusion 의존 거동으로 변화시킵니다.

◦ 결과적으로 임계 성장 구동력이 감소하여 비정상 입성장(AG)이 억제되고 normal grain growth와 유사한 현상이 일어납니다. 이러한 현상은 산소 분압 감소나 donor doping을 통해 산소 공공 농도를 조절하여 제어할 수 있습니다.

3. Aging 효과 (Defect Dipole):

◦ 산소 공공은 와 같은 acceptor와 함께 defect dipole을 형성하여 aging 효과에 영향을 줍니다.

◦ 이상 온도(cubic 구조)에서 aging 후 상온(tetragonal 구조)에 방치되면, defect dipole의 초기 배향은 무작위적입니다. 이 상태에서 외부 전계를 제거하면 defect dipole의 내부 bias로 인해 도메인이 원래의 무작위 상태로 되돌아가 반강유전체와 유사한 분극 거동을 보입니다.

◦ 산소 공공 확산 시간이 충분하거나 강한 외부 전계가 인가되면, defect dipole은 자발 분극 방향을 따라 정렬되어 강한 특정 방향의 내부 bias를 형성하고, 이는 P-E 곡선이 이동(shift)된 분극 거동으로 나타납니다. 이 분극 거동 분석을 통해 산소 공공의 양(defect dipole 크기)을 간접적으로 유추할 수 있습니다.

2.3. (\text{K}_{0.5}\text{Na}_{0.5})\text{NbO}_3 (KNN) 세라믹스

KNN은 MLCC 후보군일 뿐만 아니라, -free 압전(piezoelectric) 소재로도 활용되며, 산소 공공 연구는 주로 hardening effect와 압전 특성 변화에 초점을 맞추고 있습니다.

1. Hardening Effect 발생:

◦ 를 첨가할 경우, 이온 치환을 통해 산소 공공이 형성되고, 이 산소 공공으로 형성된 defect dipole이 domain wall을 pinning하여 domain 이동도를 감소시키며 hardening effect가 발생합니다.

◦ 이러한 hardening effect는 압전 전하 상수()를 낮추지만, domain 이동도에 비례하는 유전 손실(dielectric loss)을 극단적으로 감소시킵니다.

2. 고효율 에너지 변환 소자 적용:

◦ Hard 압전 소재는 낮은 유전 손실을 바탕으로 고신뢰성 및 높은 효율을 요구하는 고주파 진동 소자 (예: 고주파 변압기, transformer) 및 에너지 변환 소자 (harvester)에 적합합니다.

◦ 가 첨가된 KNN 세라믹스는 대비 낮은 압전 특성에도 불구하고 유전 손실이 매우 작아, DFOM (dimensionless figure of merit) 값이 높아 우수한 에너지 하베스팅 특성을 보입니다.

3. 연구의 미진함: KNN의 hardening effect 거동은 다른 세라믹스에 비해 아직 체계적으로 규명되지 않은 실정이며, BT 세라믹스와의 산소 공공 거동 차이를 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

3. 결론

환원 분위기 소성이나 acceptor 도핑으로 형성되는 산소 공공은 강유전 세라믹의 산소 이온 전도 및 전자 전도를 야기하여 절연 저항을 저하시킵니다. 또한 미세구조, 강유전 특성, aging 및 hardening 효과 등 세라믹의 전반적인 특성에 큰 영향을 미칩니다.

• NBT: 산소 공공은 높은 산소 이온 전도도를 유발하며, 이는 공공 농도뿐만 아니라 상전이 온도의 영향도 크게 받습니다.

• BT: 산소 공공은 IR 열화에 직접적으로 영향을 미치며, grain boundary roughening을 통한 비정상 입성장 억제와 defect dipole 형성에 따른 aging에도 주요한 역할을 합니다.

• KNN: 산소 공공은 hardening effect를 유도하여 압전 소재의 에너지 변환 효율을 향상시키는 데 활용 가능합니다.

결론적으로, BT의 한계를 넘어선 post-BT 세라믹을 활용한 차세대 MLCC를 구현하기 위해서는 각 강유전체 내에서 산소 공공의 역할에 대한 정확한 파악이 가장 중요합니다

Notebook LM의 도움으로 제작되었습니다

(2018) Murata Capacitor for Jacinto 7

CeraMing — Sun, 26 Oct 2025 15:11:27 +0900

Texas Instruments (TI)의 Jacinto 7 프로젝트를 위해 Low ESL 커패시터를 활용한 전력 설계 최적화 방안을 제안하는 자료가 인터넷에 있어 이를 정리해 봅니다

이 제안은 주로 Jacinto 6+ 보드에 대한 분석 및 시뮬레이션 결과를 기반으로, 부품 수 감소(Cost down), 소형화(Downsizing), 그리고 저 임피던스(Low impedance) 실현을 목표로 합니다

자동차 등급 커패시터 용량 트렌드 (Cap Value Trend)

• 주제: 무라타의 첨단 기술을 통해 달성되는 용량 값 확대 및 소형화.

• 내용: 2016년부터 2020년 목표까지 MLCC의 고용량화 및 소형화 추세를 보여줍니다. 예를 들어, 1206 사이즈에서 22µF (2016)가 47µF (2018)를 거쳐 100µF (2020 목표)로 확장되는 추세입니다.

Low ESL 커패시터의 필요성

• 주제: Low ESL 커패시터가 필요한 이유.

• 배경: IC/LSI 회로가 저전압 및 대전류 환경에서 고속 스위칭을 수행하므로 저 임피던스 설계가 요구됩니다.

• 해결책: 전력 공급 루프 임피던스 ()를 줄이기 위해 커패시터와 기판을 최적화해야 합니다.

Low ESL 캡 최적화 및 내부 구조

• 주제: Low ESL 커패시터 활용을 통한 최적화 방안 및 내부 구조 설명.

• 효과: 저 임피던스, 수량 감소, 면적 감소, 비용 절감을 달성.

• ESL 비교: 3단자 커패시터는 표준 MLCC의 약 1/10 수준의 ESL을 가지며, 역 기하학적 커패시터는 약 1/3 수준의 ESL을 가집니다

구조: Low ESL은 짧은 전류 경로, 넓은 단면적, 다중 전류 경로를 갖는 내부 구조 설계를 통해 달성됩니다

3단자 커패시터 사용 예시 및 시뮬레이션 방법

• 주제: 3단자 커패시터의 필터 및 바이패스 사용 예시와 시뮬레이션 방법.

• 3단자 캡 사용: 필터 용도(Feed thru usage)와 바이패스 캡 용도(Non-feed thru usage) 모두에서 우수한 성능을 보입니다.

◦ 바이패스 캡으로 사용 시 (HOT과 GND 사이에 4점 병렬 연결), 내부 전자기 간섭(IEMI)의 일부가 3단자 캡을 통과하지 않아 가장 작은 Z_{Loop}와 가장 작은 IEMI를 제공합니다.

• 시뮬레이션 방법: 전자기장 시뮬레이터 **"SIwave 2018.0"**를 사용하여 멀티포트 S-파라미터를 계산하고, 이를 커패시터의 S-파라미터와 결합하여 루프 임피던스 () 시뮬레이션을 실행합니다

Notebook LM-MLCC 내부전극용 Ni paste의 개발

CeraMing — Sun, 26 Oct 2025 13:45:02 +0900

고용량 개발에 필요한 Ni-paste개발관련 문헌을 notebook LM을 통해 정리해보았습니다

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용량 적층형 세라믹 커패시터()의 내부 전극으로 급 메탈을 활용하는 것은 유전체 층의 박층화 추세에 필수적이며, 전극의 높은 연결성과 신뢰성을 확보하기 위한 심층적인 연구가 진행되어 왔습니다.

급 분말은 일반적인 제조 공정(소결) 중 유전체()에 비해 수축 개시 온도가 현저히 낮아(, ) 수축 불일치()를 유발하며, 이는 전극 불연속성, , 및 으로 이어져 최종 제품의 신뢰성을 저해합니다. 따라서 페이스트 설계의 핵심 목표는 의 저온 치밀화(소결)를 지연시키고 전극의 **연속성()**을 극대화하는 것입니다.

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1. 메탈의 불순물 관리 및 표면 내산화 코팅 (소결 지연 전략)

의 저온 소결을 억제하고 내산화성을 향상시키기 위해 표면을 개질하는 연구가 활발히 진행되었습니다.

표면 부동태화(Passivation) 및 코팅을 통한 소결 지연

• NiO 코어-쉘 구조: 분말( 크기)을 공기 중에서 에서 동안 하여 ~ 두께의 쉘을 형성할 수 있습니다. 이 코어-쉘 분말은 치밀화 시작 온도를 에서 로 높여 소결을 효과적으로 지연시킵니다. 또한, 소결 후 층이 환원되어 사라지므로, 부동태화된 샘플의 전도도(에서 )는 순수 ()와 유사하게 유지됩니다.

• 합금 원소 첨가를 통한 IMC(금속간 화합물) 형성: ()과 같은 합금 원소를 첨가하여 와 금속간 화합물()을 형성하게 하면 의 저온 치밀화를 지연시키고 항산화 특성을 개선할 수 있습니다.

◦ 전구체()를 나노 분말에 첨가하면, 에서 입방정 가 형성되고, 이는 나노 입자 간의 상호 확산을 억제하는 장벽 역할을 하여 수축 시작 온도를 ~ 지연시킵니다.

◦ 이상에서는 가 열 분해되고 이 격자 내로 고용되어 고용체를 형성하며, 소결 후에도 순수 전극과 비슷한 전기 전도도를 유지합니다.

• {Al} 및 {Zr} 첨가: 및 염화금속 전구체( 및 )를 나노 분말에 첨가하여 및 나노 장벽을 형성하는 방식도 의 수축 개시 온도를 에서 각각 및 로 효과적으로 지연시켰습니다.

불순물 관리

• 의 소결을 억제하고 전극의 연속성을 향상시키기 위해 합금 원소를 첨가하는 연구도 있었으나, 은 유전체 내 산소 공공을 증가시켜 누설 전류를 높이는 등 전기적 특성을 저하시키는 문제가 발생했습니다. 따라서 대신 하위 그룹의 귀금속을 사용하는 것이 제안되기도 했습니다.

• 내부 전극용 공재()로 를 사용하는 경우, 불순물 함량을 이하로 관리하는 것이 필수적입니다.

2. 세라믹 첨가제 (소결 억제제) 연구

전극 에 세라믹 첨가제(주로 )를 넣는 것은 유전체와 전극 간의 소결 수축 불일치로 인한 결함()을 방지하고 입자 간의 뭉침을 억제하여 전극 연결성을 유지하는 데 필수적입니다.

입자 크기 및 비율

• 세라믹() 입자가 입자 사이의 3차 결합 지점에 우선적으로 배치되도록 하는 것이 바람직합니다.

• 일반적으로 이상적인 세라믹()/금속() 입자 크기 비율은 이하입니다.

• 분말을 사용할 경우, 크기의 나노 입자()를 사용하는 것이 효과적입니다. 이는 ()나 ()보다 작은 입자 크기를 사용하면 동일 질량 대비 입자 수가 증가하여 입자를 효과적으로 둘러싸 소결을 억제하기 때문입니다.

첨가량 및 효과

• 에 대한 첨가량은 까지는 밀도를 감소시키지 않고 건조 필름 밀도를 증가시킬 수 있습니다.

• 에 를 질량 대비 만 첨가해도 소결 후 필름 를 이상으로 높게 유지할 수 있습니다. 이는 산업적으로 요구되는 수준입니다.

3. 바인더 및 분산제 연구

는 기능성 재료(금속 분말), 소결 억제제(), 분산제, 용매, 폴리머 로 구성된 복합 시스템입니다. 분산성과 제어는 스크린 인쇄 적합성과 필름 품질에 결정적입니다.

바인더() 및 비히클()

• 일반적인 구성 요소는 폴리머 ( 등)와 용매( 또는 등)입니다.

• 는 의 점도를 향상시키고 유동에 대한 저항성을 제공하는 역할을 합니다.

• 용매는 분말 표면을 적시고 균질한 현탁액을 제공하여 의 를 결정합니다. 용매는 다양한 끓는점을 가진 혼합 용매를 사용하여 건조 중 (계층적 휘발)을 유도하여 필름 품질을 개선할 수 있습니다.

분산제() 및 분산 기술

• 분산제는 입자 응집을 막고 입자 분리를 향상시키는 데 필요하며, 소량만으로도 에 큰 영향을 미칩니다.

• 는 효과적인 분산제로, 의 표면 조도()와 점도를 낮추고 분말 분산도를 향상시키는 것으로 입증되었습니다.

• 의 분산 안정성은 침강 거동() 및 유변학적 특성()을 측정하여 평가합니다.

• Pre-dispersion Process: 분말과 을 먼저 로 혼합한 후, 세라믹 와 나머지 분산제를 추가하여 혼합하는 사전 분산 공정은 의 균질 혼합 상태와 스크린 인쇄 후 표면 균일성을 개선합니다. 이 공정은 표면 조도()를 에서 로 개선하는 효과를 보였습니다.

4. 내부 전극 연결성 향상을 위한 공정 연구

급속 승온() 전략

전극의 연결성()은 소결 중의 승온 속도()에 크게 좌우됩니다. 이는 **운동학적 접근법()**으로 분류됩니다.

• 연속성 향상: 승온 속도를 에서 로 증가시킬 경우, 전극의 연속성은 에서 로 크게 향상됩니다. 의 빠른 승온 속도는 의 높은 전극 를 달성하며, 높은 와 신뢰성을 제공합니다.

• 기구: 급속 승온은 입자의 자체 소결()로 연결성이 저하되는 구간에 머무르는 시간을 최소화하여, 전극 전체가 유전체 수축으로 연결되기 시작하는 시점()에서의 전극 연결성을 높여줍니다. 특히 ~의 인장 응력 영역에서 형성되는 저융점 계면 액상 합금층()의 형성을 제한하여 전극 불연속성 가속을 억제합니다.

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분류	구성 성분	함량 비율 (wt%)	비고 (최적 조건)
기능성 재료	분말 ()		전구체()를 의 비율로 액상 혼합하여 저온 소결 지연 효과 기대.
세라믹 첨가제	()		분말()에 대한 크기 비율 이하의 초미세 나노 입자 (예: ) 사용. 중량 대비 함량 목표.
분산제			Emphos PS-21A 등 및 점도 개선에 효과적인 분산제 사용.
비히클{Vehicle})	(용매 및 바인더 혼합물)		()를 바인더로, 을 용매로 한 혼합 . 스크린 인쇄에 적합한 점도( at )를 목표로 함.