유전특성 향상을 위한 BaTiO3 전자 세라믹 분말의 합성법 연구 = Study on the Synthesis Method of BaTiO3 Electronic Ceramic Powder to Improve Dielectric Properties

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multi-Layer Ceramic Capacitor (MLCC) is a capacitor in which dielectric and internal metal layers are alternately stacked. It controls the flow of current in the circuit and prevents electromagnetic interference between components. In accordance with the trend of high integration and miniaturization of electronic devices, research for high permittivity of dielectrics and high stacking and thinning of sheets is being actively conducted. In particular, as the demand for MLCC for electric vehicles increases, high reliability becomes important, and a solid-state synthesis method of BaTiO3 is emerging. In the case of automotive components, reliability that satisfies AEC-Q200 is required because they are used in extreme situations compared to IT components. In general, BaTiO3 dielectrics are manufactured by hydrothermal synthesis, which is suitable for synthesis of ultra-fine powder, but defects such as pores inevitably exist, reducing reliability. Therefore, research on dielectrics for high-capacity, high-reliability MLCC through solid-state synthesis is actively underway.
In this study, the synthesis method of BaTiO3 powder with high dielectric properties was studied and its properties were evaluated through solid-state synthesis. First, factors influencing the properties of BaTiO3 synthesized in the solid-state by disintegrating the starting materials BaCO3 and TiO2 under various conditions were analyzed and the dielectric properties of the sintered specimens were evaluated. Disintegration of BaCO3 and TiO2 was effective in improving tetragonality and crystallinity, reducing grain size and densification of the sintered body, and BaTiO3 having excellent insulation resistance and temperature stability characteristics was synthesized.
In addition, in the case of the ultra-fine powder addition experiment, the properties according to the content were evaluated by adding 50 nm level BaTiO3 Seed powder together with the starting materials before solid-state synthesis. When BaTiO3 Seed was added, tetragonality and crystallinity were excellent, and it was effective in uniform particle size distribution and reduction in grain size of the sintered body. As the amount of BaTiO3 Seed increased, the sintered density tended to decrease, but when 25 wt% was added, the synthesis was completed at a lower temperature than general solid-state synthesis, and dielectric properties such as permittivity, dielectric loss, and temperature stability were the best. These results suggest that the BaTiO3 Seed powder served as a nucleation site during solid-state synthesis, contributing to the synthesis of particulate BaTiO3 with excellent dielectric properties by inducing uniform synthesis of the starting materials and suppressing grain growth.
Therefore, the results of this study identified the direct and indirect effects between the disintegration conditions of the starting materials, the synthesized powder and the sintered specimen, and the possibility of low-temperature solid-state synthesis with the ultra-fine powder addition method and the non-uniform particle size distribution presented as a disadvantage of the solid-state synthesis method. By synthesizing particulate BaTiO3 with improved dielectric properties, the applicability of high permittivity, high stacking, and thinning for the realization of high capacity and high reliability of MLCC was confirmed.

국문 초록 (Abstract)

적층 세라믹 커패시터 (Multi-Layer Ceramic Capacitor : MLCC)는 유전체와 내부금속 층을 교대로 쌓아 올린 형태의 커패시터로 회로의 전류 흐름을 조절하고 부품 간 전자파 간섭을 막아주는 역할을 한다. 전자기기의 고집적화, 소형화 추세에 따라 유전체의 고유전율화 및 Sheet의 고적층화, 박층화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 전기 자동차용 MLCC의 수요가 증가함에 따라 고신뢰성이 중요해지며 BaTiO3의 고상 합성법이 대두되고 있다. 전장용 부품의 경우 IT용에 비해 극한 상황에서 사용되기 때문에 AEC-Q200을 만족하는 신뢰성이 요구된다. 일반적으로 BaTiO3 유전체는 수열 합성법으로 제조되는데 초미립 분말 합성에는 적합하나 기공과 같은 결함이 필연적으로 존재하여 신뢰성을 떨어뜨린다. 따라서 고상 합성을 통해 고용량, 고신뢰성의 MLCC를 위한 유전체의 연구가 활발히 진행 중이다.
본 연구에서는 고상 합성법을 통해 높은 유전특성을 가지는 BaTiO3 분말의 합성법을 연구하고 특성을 평가하였다. 먼저, 출발 물질인 BaCO3, TiO2를 다양한 조건으로 해쇄하여 고상 합성된 BaTiO3의 특성에 영향을 미치는 인자를 분석하고 소결 시편의 유전특성을 평가하였다. BaCO3와 TiO2의 해쇄는 결정성 (Tetragonality), 결정화도 (Crystallinity) 향상과 소결체의 grain size 감소 및 치밀화에 효과적이었으며 우수한 절연저항 및 온도 안정성 특성을 가지는 BaTiO3가 합성되었다.
또한, 초미립 분말 첨가 실험의 경우 고상 합성 전 출발 물질과 함께 50 nm 수준의 BaTiO3 Seed 분말을 첨가하여 함량에 따른 특성을 평가하였다. BaTiO3 Seed 첨가 시 결정성, 결정화도가 우수하며 균일한 입도 분포 및 소결체의 grain size 감소에 효과적이었다. BaTiO3 Seed의 첨가량이 증가할수록 소결 밀도는 감소하는 경향을 보였으나 25 wt% 첨가 시 일반적인 고상 합성보다 낮은 온도에서 합성이 완료되었으며 유전율, 유전 손실, 온도 안정성 등의 유전특성이 가장 우수하였다. 이와 같은 결과는 고상 합성 시 BaTiO3 Seed 분말이 핵 생성 사이트로 작용하여 출발 물질의 균일 합성 유도 및 입성장 억제로 유전특성이 우수한 미립 BaTiO3 합성에 기여하였다고 판단된다.
따라서 본 연구의 결과는 출발 물질의 해쇄 조건과 합성 분말 및 소결 시편 간의 직간접적인 영향을 규명하였으며 초미립 분말 첨가 공법으로 저온 고상 합성의 가능성 및 고상 합성법의 단점으로 제시되는 불균일한 입도 분포를 개선하고 유전특성이 향상된 미립 BaTiO3를 합성하여 MLCC의 고용량 및 고신뢰성 구현을 위한 고유전율화, 고적층화, 박층화의 응용 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 2
• 2.1. MLCC의 개요 2
• 2.2. BaTiO3 10
• 2.2.1. 유전체 10
• 2.2.2. 결정구조 13
• 2.2.3. 유전특성 16
• 2.2.4. BaTiO3 제조 방법 19
• 2.2.4.1. 고상 합성법 (Solid-state reaction method) 19
• 2.2.4.2. 수열 합성법 (Hydrothermal method) 19
• 2.2.4.3. 졸겔 합성법 (Sol-gel method) 20
• 3. 실험 방법 23
• 3.1. 출발 물질의 해쇄 처리 및 BaTiO3 고상 합성 23
• 3.2. 초미립 분말을 첨가를 통한 BaTiO3 고상 합성 25
• 4. 실험 결과 및 고찰 27
• 4.1. 출발 물질의 형상과 일반적인 BaTiO3의 미세구조 분석 27
• 4.2. 출발 물질의 해쇄가 BaTiO3에 미치는 영향 30
• 4.2.1. 하소 분말의 미세구조 분석 30
• 4.2.2. 소결체의 미세구조 및 유전특성 분석 37
• 4.3. BaTiO3 Seed를 첨가한 고상 합성의 초기 반응 분석 44
• 4.4. Seed 첨가가 BaTiO3에 미치는 영향 50
• 4.4.1. 하소 분말의 미세구조 분석 50
• 4.4.2. 소결체의 미세구조 및 유전특성 분석 54
• 5. 결론 60
• 참고문헌 62
• Abstract 65