마이크로파 응용을 위한 복합 유전체의 저온 소결 및 계면 제어 연구 = Low Temperature Sintering and Interface Control of Composite Dielectrics for Microwave Applications

국문 초록 (Abstract)

세라믹 기판은 마이크로 전자 패키징, 센서, 액츄에이터, 수동소자 등 다양한 전자 부품 분야에서 널리 사용된다. 특히 실리케이트 세라믹은 고주파 대역에서 뛰어난 전기적 특성을 나타내며, 밀리미터파 대역 응용을 위한 유전체 재료로서 높은 잠재력을 지닌다. 그중 포스터라이트 (Mg2SiO4)는 낮은 유전율, 높은 Q*f 값, 낮은 열팽창 계수를 가지지만, 구조적 안정성으로 인해 높은 소결 온도를 필요로 한다. 이 과정에서 상 분리 및 비정상적인 결정립 성장과 같은 한계가 존재한다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위해 카올리나이트 (Al2Si2O5(OH)4) 시트를 분산시킨 후 포스터라이트 입자 표면을 균일하게 감싸는 Wrapping process를 제안하였다. 해당 공정은 입자 간 계면에서 Surface diffusion과 Volume diffusion을 활성화하여 소결 거동을 촉진하였다. 그 결과, 카올리나이트 시트를 20 wt.% 첨가했을 때, 1150 ℃에서 저온 치밀화를 가능하였다. Wrapping process는 포스터라이트의 소결 온도를 효과적으로 낮추면서 세라믹 기판으로서 전기적 특성을 만족시켜 기존 세라믹 기판의 공정적 한계를 보완하였다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I 9
• 1.1 연구 동향 9
• 1.2 연구 목적 12
• CHAPTER Ⅱ 14
• 2.1 마이크로파 유전체의 요구 특성 14
• 2.1.1 분극 기구와 공진현상 14
• 2.1.2 유전상수 19
• 2.2.3 품질계수 21
• 2.3 마이크로파 유전특성 측정 23
• 2.3.1 공진법 원리 23
• 2.3.2 Hakki-Coleman 법 27
• 2.3.3 Cavity 법 28
• 2.3.4 공진주파수 온도계수 29
• 2.4 Forsterite (Mg2SiO4) 31
• 2.5 Kaolinite (Al₂Si₂O₅(OH)₄) 32
• 2.6 Wrapping 공정 33
• CHAPTER Ⅲ 35
• 3.1 입자 합성 35
• 3.1.1 Forsterite (Mg2SiO4) 나노 입자 합성 35
• 3.1.2 Kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) 박리 38
• 3.1.3 Forsterite–Kaolinite (2D) 래핑 복합체 합성 39
• 3.2 소결체 시편 제작 40
• 3.3 물성 분석 및 특성 평가 41
• 3.3.1 소결 밀도 및 수축률 측정 41
• 3.3.2 미세구조 분석 41
• 3.3.3 결정 구조 분석 42
• 3.3.4 계면 특성 평가 42
• 3.3.5 마이크로파 유전물성 측정 42
• CHAPTER Ⅳ 43
• 4.1 Forsterite (Mg2SiO4) 입자 특성 결과 43
• 4.1.1 Forsterite 합성 결과 43
• 4.1.2 Forsterite 세라믹스 소결 평가 48
• 4.2 Wrapping 공정 가능성 검증 51
• 4.2.1 Kaolinite 박리 결과 51
• 4.2.2 Forsterite–Kaolinite (2D) 계면 특성 평가 56
• 4.3 Wrapping 공정에 따른 소결 거동 및 상 변화 62
• 4.3.1 박리 여부에 따른 복합체의 치밀화 거동 및 상 변화 63
• 4.3.2 Kaolinite (2D) 함량과 온도에 따른 치밀화 거동 및 상 변화 66
• 4.3.3 Wrapping 구조에서의 소결 구동력 및 확산 경로 변화 72
• 4.4 Wrapping 공정에 따른 유전 특성 및 온도 안정성 74
• 4.4.1 Kaolinite (2D) 함량 및 소결 조건에 따른 유전 특성 75
• 4.4.2 반응상 조성 변화에 따른 공진 주파수 온도계수 변화 78
• 4.5 출발물질 특성에 따른 복합체 소결 특성 결과 80
• CHAPTER Ⅴ 85
• Reference 86