[논문]Bi계 ZnO 칩 바리스터의 저온소결과 전기적 특성

홍연우; 신효순; 여동훈; 김진호

doi:10.4313/jkem.2011.24.11.876

Bi계 ZnO 칩 바리스터의 저온소결과 전기적 특성
Low Temperature Sintering and Electrical Properties of Bi-based ZnO Chip Varistor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.11, 2011년, pp.876 - 881

홍연우 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 신효순 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 여동훈 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 김진호 (경북대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The sintering, defect and grain boundary characteristics of Bi-based ZnO chip varistor (1,608 mm size) have been investigated to know the possibility of lowering a manufacturing price by using 100 % Ag inner-electrode. The samples were prepared by general multilayer chip varistor process and charact...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

100% Ag 내부전극을 적용한 ZnO-Bi₂O₃계 칩 바리스터 (1,608 mm)의 소결과 전기적 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
ZnO칩 바리스터의 전류-전압(I-V) 특성은 high voltage source meter (Keithley, 237, USA)를 사용하여 항복전압 (Vn, 1 mA에서의 전압(V)), 비선형 계수 (α, I= CVa, a= log(I2/I1)/log(V2/V1), 여기서 I1= 1 mA, I2= 10 mA, V1과 V2는 각각 I1과 I2에서의 전압(V)), 누설전류 (IL, 0.8Vn에서의 전류(μA))를 계산하였다.
크기의 그린 시트 상에 내부 전극으로 인쇄하였다. 내부전극을 인쇄한 시트는 일정한 크기로 절단하여 원하는 두께가 되도록 소정량적층한 후 WIP (wet isostatic press, 80℃, 250 kg/cm², 30분 가압) 처리하였다. WIP 처리된 압착 시트는 절단기 (WC blade)를 이용하여 칩으로 제작하였다.
대략적인 ZnO 바리스터의 수축율을 고려하여 1,608 mm 칩에 맞는 전극 패턴 (1,340/500 ㎛; 겹치는 거리/폭)의 스크린 (프래임: 320×320 mm2, 400 mesh)을 사용하여 Ag 전극 (Tanaka, TR-6514, Japan)을 150×150 mm2 크기의 그린 시트 상에 내부 전극으로 인쇄하였다.
따라서 본 연구에서는 사전 실험으로 최적화한 Bi 계 ZnO 바리스터 조성으로 100% Ag 내부전극을 사용하여 1,608 mm (1.6×0.8×0.8 mm3) 크기의 칩 (이후 ‘1,608 mm’로 표기)을 850∼900℃에서 소결하여 얻었으며, 칩의 소결과 전기적 특성에 대하여 조사하였다.
또한 입계 임피던스에 대한 완화시간 τ의 분포함수 (F(τ))를 이용하여 그 분포 파라미터(α)와 FWHM (full width at half maximum, 반치폭)를 구하여 입계에 형성된 전기적 장벽의 균일성과 온도 안정성을 확인하였다 [11-13,15].
또한 입계 특성을 살펴보기 위한 impedance and modulus spectroscopy (IS & MS)는 impedance/gain phase analyzer (Hewlett Packard, 4194A, Japan)를 사용하여 20∼480℃까지 20℃ 간격으로 승온하면서 측정하였으며, 입계의 정전용량과 저항, 활성화 에너지, 온도 안정성과 균일성에 대한 정보를 얻었다 [10,11,15].
소정의 혼합비로 혼합된 원료 (300 g)에 분산제 2.7 g (SN-Dispersant 9228, San Nopco, Japan), 결합제 24 g (PVB, Sekisui, Japan), 가소제 7.2 g (DBP; Di-butyl Phthalate, Dejung, Korea), 용매 180 g (60 vol% 톨루엔, 40 vol% 에탄올)을 혼합하여 24시간볼 (5 mmΦ YSZ, 1 kg) 밀링한 후 탈포하여 적절한 점도 (∼2,000 cps)의 슬러리 (slurry)를 제작하였다.
온도와 주파수에 따른 각 임피던스와 모듈러스는 복소 평면도 (complex plane plot) 또는 주파수 응답도 (frequency explicit plot)로 나타낼 수 있으며, 여기서 각 피크의 최댓값 (Z"max, M"max)에 대한 Tp와 fmax를 구하고, 각각의 최댓값이 Z"max= Rgb/2, M"max= C0/2Cgb인 관계를 이용하여 입계 저항 (Rgb)과 정전용량 (Cgb)을 추출하였다 [10,11].
소결칩은 Ag 전극 (ohmic contact용)으로 전극처리 (600℃, 10분)하여 전기적 특성 측정용 시편으로 사용하였다. 칩 시편의 크기는 버니어캘리퍼스로 측정하여 소결 수축률을 계산하였으며, 미세구조는 시편을 경면 연마 후 0.2% 염산 수용액으로 화학에 칭하고 FE-SEM (JEOL, JSM 6700F, Japan)을 이용하여 대략적인 2차상들의 분포를 정성적으로 확인 가능한 BEI (backscattered electron image) 모드로 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 순도 99.9% (고순도 화학, 일본)의 ZnO에 1 at% Bi₂O₃, 1 at% Mn₃O₄, 0.5 at% Co₃O₄, 0.2 at% Cr₂O₃, 0.1 at% NiO를 첨가한 조성을 사용하여 칩 바리스터 제조공정으로 1,608 mm 칩을 제작하였다. 소정의 혼합비로 혼합된 원료 (300 g)에 분산제 2.
절단칩은 일정한 소결 프로파일을 적용하여 공기 중 850∼900℃에서 1시간 소결하였다. 소결칩은 Ag 전극 (ohmic contact용)으로 전극처리 (600℃, 10분)하여 전기적 특성 측정용 시편으로 사용하였다. 칩 시편의 크기는 버니어캘리퍼스로 측정하여 소결 수축률을 계산하였으며, 미세구조는 시편을 경면 연마 후 0.

이론/모형

전기적 특성과 관련한 보다 상세한 측정 방법과 계산 방법은 참고 문헌에서 자세히 설명되어 있으며 이에 준하여 실행하였다 [11].

성능/효과

900℃ 이하의 온도에서 소결이 가능하고 일반적인 바리스터 특성을 만족하는 ZnO칩 바리스터를 제작할 수 있었으며, 100% Ag 내부전극을 사용함에 따라 그 제조 단가를 낮출 수 있음을 확인하였다. 그러나 소 결체는 주된 결함으로 이온 이동도가 높은 Zni · ·로 구성되어 있어 열화 특성과 ESD 내성이 약할 것으로 판단되었으며, 입계는 전기적으로 다소 불균일하면서도 측정 온도가 높아짐에 따라 분포 파라미터 α가 계속 증가하여 상당히 불안정함을 알 수 있었다.
그러나 소 결체는 주된 결함으로 이온 이동도가 높은 Zni · ·로 구성되어 있어 열화 특성과 ESD 내성이 약할 것으로 판단되었으며, 입계는 전기적으로 다소 불균일하면서도 측정 온도가 높아짐에 따라 분포 파라미터 α가 계속 증가하여 상당히 불안정함을 알 수 있었다.
본 실험에서 사용한 조성은 ZnO 또는 Bi2O3와 반응하여 스피넬이나 파이로클로어를 형성하여 계의 치밀화를 ∼1,000℃ 부근까지 높일 수 있는 Sb2O3를 사용하지 않은 100% Ag 내부전극을 적용한 900℃ 이하의 온도에서 소결이 가능하면서도 일반적인 바리스터 특성을 구현할 수 있는 조성이었지만, 계 내에 생성된 주된 결함이 확산속도가 빠른 Zni · ·이면서 입계는 온도에 대한 안정성이 떨어지는 계임을 확인하였다.
소결온도 구간 (850∼900℃)에서 동일한 축 방향으로 ∼1.2% 이내의 수축률 차이를 갖는 것을 볼때 850℃에서도 소결 유지 시간을 길게 할 경우 충분히 최적 치밀화를 확보할 것으로 보인다.
소결온도에 따라 X축과 L축 방향으로의 수축률은∼14∼14,5%로 거의 비슷하지만 내부전극과 수직인 Y축 방향은 ∼18∼19.2%로 다른 방향보다 약 26% 더 수축하는 것으로 나타났다.

후속연구

그러나 소 결체는 주된 결함으로 이온 이동도가 높은 Zni · ·로 구성되어 있어 열화 특성과 ESD 내성이 약할 것으로 판단되었으며, 입계는 전기적으로 다소 불균일하면서도 측정 온도가 높아짐에 따라 분포 파라미터 α가 계속 증가하여 상당히 불안정함을 알 수 있었다. 따라서 100% Ag 내부전극을 사용하여 900℃ 부근에서 소결이 가능한 ZnO칩 바리스터는 그 제조 단가를 낮출 수는 있겠지만 전반적으로 결함의 종류와 입계 특성의 안정화를 달성해야만 우수한 전기적 특성과 신뢰성을 동시에 갖춘 제품으로 개발될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO칩 바리스터란?	ZnO칩 바리스터는 비선형 전류-전압 특성을 갖는 인가전압에 따라 저항이 변하는 반도성 가변 저항소자로서 정전기 (electrostatic discharge, ESD)나 전압 써지 (surge) 또는 순간적인 전압 동요를 1 ns 정도에서 감지하고 제한시켜 회로나 피보호 부품과 병렬로 연결하여 소자의 파괴 없이 반복적으로 수행하는 전자 세라믹 부품이다 [1-5]. ZnO칩 바리스터의 재료로는 ZnO-Bi2O3에 각종 첨가제 (Sb2O3, Mn3O4, Co3O4, NiO, Cr2O3, SiO2, 등)를 소량 첨가한 Bi계 ZnO 바리스터와 ZnO-Pr6O11에 각종 첨가제 (Co3O4, Cr2O3, 희토류 산화물 등)를 소량 첨가한 Pr계 ZnO 바리스터로 크게 나눌 수 있다 [1-7].
	Pr계 바리스터의 장점은?	Bi계의 경우 높은 비선형성, 높은 써지 내량, 낮은 소결온도 (∼1,000℃)의 장점이 있는 반면 첨가제의 종류가 많아 복잡한 미세구조를 형성하고 낮은 정전용량 제품일수록 ESD 내성이 낮아지는 단점이 있다. 반면 Pr계는 첨가제의 종류가 적어 보다 단순한 미세구조를 형성하고 ESD 내성이 높다는 장점이 있지만 높은 소결온도(∼1,200℃), 비교적 낮은 비선형성과 써지 내량을 갖는다 [1,7,8]. ZnO 칩 바리스터는 여타 바리스터 재료보다 그 특성이 우수하여 대부분 휴대폰 (스마트폰), 카메라, D-TV (LCD, PDP, LED, 스마트), HDMI, DVC, 노트북 PC 등 다양한 전자기기에 사용되고 있다 [8].
	Bi계 ZnO 바리스터의 장단점은?	ZnO칩 바리스터의 재료로는 ZnO-Bi2O3에 각종 첨가제 (Sb2O3, Mn3O4, Co3O4, NiO, Cr2O3, SiO2, 등)를 소량 첨가한 Bi계 ZnO 바리스터와 ZnO-Pr6O11에 각종 첨가제 (Co3O4, Cr2O3, 희토류 산화물 등)를 소량 첨가한 Pr계 ZnO 바리스터로 크게 나눌 수 있다 [1-7]. Bi계의 경우 높은 비선형성, 높은 써지 내량, 낮은 소결온도 (∼1,000℃)의 장점이 있는 반면 첨가제의 종류가 많아 복잡한 미세구조를 형성하고 낮은 정전용량 제품일수록 ESD 내성이 낮아지는 단점이 있다. 반면 Pr계는 첨가제의 종류가 적어 보다 단순한 미세구조를 형성하고 ESD 내성이 높다는 장점이 있지만 높은 소결온도(∼1,200℃), 비교적 낮은 비선형성과 써지 내량을 갖는다 [1,7,8].

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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