LTCC 응용을 위한 CuO-V2O5 첨가 Ba3V2O8-Li2ZnTi3O8 복합 유전체의 조성 최적화 및 저온 소결 메커니즘 연구 = Optimization and Low Temperature Sintering Mechanism of Ba3V2O8-Li2ZnTi3O8 Composite Dielectrics with CuO-V2O5 Additives for LTCC Applications

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 고주파 대역에서 온도 변화에 대해 안정적으로 동작하는 무선통신용 LTCC 유전체 개발을 목표로, 상호 보완적인 공진주파수 온도계수 (τf)를 갖는 Ba3V2O8과 Li2ZnTi3O8의 조성 제어를 통해 τf가 0에 근접한 복합 유전체를 설계하였다. 조성 스크리닝 및 소결 실험 결과, 0.2Ba3V2O8– 0.8Li2ZnTi3O8 조성이 가장 우수한 온도 안정성을 나타내는 최적 조성으로 도 출되었다. 본 조성은 소결 후 Ba3V2O8과 Li2ZnTi3O8 두 상이 화학 반응 없이 안정적으로 공존하였으며, 1,200 ℃ 30분 소결 시 상대 밀도 97%를 확보하였다. 이때의 마이크로파 유전 특성은 εr = 23.8, Qxf = 53,176 GHz, τf = +1.24 ppm/℃로, 목표한 τf ≈ 0의 온도 안정성이 확인되었다. 저온 동시 소성(LTCC) 적용을 위해 CuO–V2O5를 소결 조제로 도입한 결과, 소량의 첨가만으로 입계 및 삼중 접합부에서 permanent 액상 소결 (liquid-phase sintering)이 유도되었으며, 소결 온도를 1,200 ℃에서 900 ℃로 대폭 저하시킬 수 있었다. 0.5 wt.% 첨가 시 이론 밀도 대비 96%의 소결 밀도 를 유지하였고, εr = 24.05, Qxf = 52,347 GHz, τf = –0.25 ppm/℃의 뛰어난 마이크로파 유전 특성을 확보하여 τf ≈ 0의 우수한 온도 안정성을 달성하였 다. 또한 본 조성은 Ag 전극과의 화학적 반응이 관찰되지 않아 LTCC 공정에 서 은 전극과의 높은 호환성을 나타냈다. 본 연구는 Ba3V2O8–Li2ZnTi3O8 복합계에서 온도 안정성을 설계적으로 구현함 과 동시에, CuO–V2O5 기반 소결 조제의 적용을 통해 LTCC 수준의 저온 소결 을 실현하여 고주파용 온도 안정성 유전체 소재 개발에 중요한 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 iii
• 그림 목차 vi
• 국문 요약 vii
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 2.1 고주파 대역의 무선통신 4
• 2.1.1 무선통신의 발전 4
• 2.1.2 통신 부품의 유전체 세라믹 8
• 2.2 LTCC 기술 12
• 2.2.1 LTCC 기술의 등장 배경 12
• 2.2.2 LTCC 기술 공정 14
• 2.2.3 LTCC 기술의 응용 15
• 2.3 마이크로파 유전체의 성능 지표 17
• 2.3.1 유전 특성 측정 원리 17
• 2.3.2 유전율(εr) 24
• 2.3.3 품질계수(Qxf) 29
• 2.3.4 공진주파수 온도계수(τf) 32
• 2.4 소결 현상 34
• 2.4.1 소결 공정 모델링 34
• 2.4.2 고상 소결의 구동력과 확산기구 36
• 2.4.3 액상 소결 메커니즘 39
• 2.5 복합 유전체 및 소결 조제 특성 44
• 2.5.1 Ba3V2O8의 결정구조 및 유전 특성 44
• 2.5.2 Li2ZnTi3O8의 결정구조 및 유전 특성 46
• 2.5.3 소결 조제 48
• 제3장 실험방법 51
• 3.1 분말 합성 51
• 3.1.1 Ba3V2O8, Li2ZnTi3O8 분말 합성 51
• 3.1.2 CuO-V2O5 소결 조제 합성 52
• 3.1.3 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 (x = 0.5~0.9) 복합 세라믹 분말 합성 및 소결 조제 첨가 54
• 3.2 분말 성형 및 소결 55
• 3.3 특성 분석 56
• 3.3.1 수축 거동 분석 56
• 3.3.2 X-선 회절 분석 56
• 3.3.3 마이크로파 유전 특성 분석 57
• 3.3.4 미세조직 분석 58
• 제4장 실험 결과 및 고찰 59
• 4.1 Ba3V2O8 및 Li2ZnTi3O8 특성 분석 59
• 4.1.1 Ba3V2O8의 특성 분석 59
• 4.1.2 Li2ZnTi3O8의 특성 분석 61
• 4.2 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 (x = 0.5~0.9) 복합 유전체 63
• 4.2.1 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 복합 유전체의 우선 설계 조성 확립 63
• 4.2.2 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 (x = 0.5~0.9) 복합 유전체의 최적 소결 조건 확립 66
• 4.2.3 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 (x = 0.5~0.9) 복합 유전체의 반응성 분석 70
• 4.2.4 (1-x)Ba3V2O8-xLi2ZnTi3O8 (x = 0.5~0.9) 복합 유전체의 마이크로파 유전 특성 분석 75
• 4.3 CuO-V2O5가 첨가된 0.2Ba3V2O8-0.8Li2ZnTi3O8 복합 유전체 80
• 4.3.1 소결 거동 분석 80
• 4.3.2 최적의 CuO-V2O5 첨가량 평가 83
• 4.3.3 CuO-V2O5 첨가에 의한 액상 소결 기구 분석 85
• 4.3.4 CuO-V2O5 첨가에 의한 2차상 형성 분석 80
• 4.3.5 CuO-V2O5 첨가된 0.2Ba3V2O8-0.8Li2ZnTi3O8 복합체의 마이크로파 유전 특성 91
• 4.3.6 Ag 전극 반응성 분석 98
• 제5장 결론 99
• 참고문헌 101
• 영문 요약 115