[논문](Ba1-2xNa2x)(Mg0.5-xZrxW0.5)O3 세라믹스의 마이크로파 유전특성

윤상옥; 홍창배; 이윤중; 김신

doi:10.4313/jkem.2017.30.6.356

(Ba1-2xNa2x)(Mg0.5-xZrxW0.5)O3 세라믹스의 마이크로파 유전특성
Microwave Dielectric Properties of (Ba1-2xNa2x)(Mg0.5-xZrxW0.5)O3 Ceramics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.6, 2017년, pp.356 - 360

윤상옥 (강릉원주대학교 세라믹신소재공학과) , 홍창배 ((주) 알엔투 테크놀로지 제2공장 나노재료사업부) , 이윤중 (강릉원주대학교 세라믹신소재공학과) , 김신 (강릉원주대학교 세라믹신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the phase evolution, microstructure, and microwave dielectric properties of Na- and Zr-doped $Ba(Mg_{0.5}W_{0.5})O_3$ [i.e., ($Ba_{1-2x}Na_{2x})(Mg_{0.5-x}Zr_xW_{0.5})O_3$] ceramics. $BaWO_4$ as a secondary phase was observed in all compositions, and it increased as the dopant concentration increased. All specimens revealed a dense microstructure. For the composition of x=0.01, polyhedral grains were observed. As the dopant concentration increased, the densification and the grain growth were promoted by a liquid phase. The quality factor($Q{\times}f_0$) decreased remarkably, whereas the dielectric constant (${\varepsilon}_r$) tended to decrease as the dopant concentration increased. The dielectric constant, quality factor, and temperature coefficient of the resonant frequency of the composition of x=0.01 sintered at $1,700^{\circ}C$ for 1 h were 18.6, 216,275 GHz, and $-22.0ppm/^{\circ}C$, respectively.

주제어

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문제 정의

(Ba_1-2xNa_2x)(Mg_0.5-xZr_xW_0.5)O₃계 소결체의 생성상, 미세구조 및 마이크로파 유전특성에 대해서 연구하였다. Ba(Mg_0.
본 연구에서는 Ba²⁺이온 자리에 Na⁺이온을, Mg²⁺이온 자리에 Zr⁴⁺이온을 각각 치환한 (Ba_1-2xNa_2x)(Mg_0.5-xZr_xW_0.5)O₃계 소결체의 마이크로파 유전특성을 평가하고 결과에 대해서 고찰하였다.

제안 방법

Archimedes법으로 소결체의 밀도를 측정하였으며, 소결체를 분쇄하여 얻은 분말에 대해서 X-선 회절분석(D/MAX-2500V/ PC, Rigaku, Japan)을 하였다. 소결체의 미세구조를 FE- SEM (field emission scanning electron microscope, Quanta 250 FEG, FEI, U.S.A.)으로 관찰하였다. 마이크로파 유전특성 중에서 품질계수(Q×f₀) 및 공진주파수의 온도계수(τ_f)는 cavity법으로, 유전상수는 Hakki- Coleman법으로 각각 Network Analyser를 사용하여 측정하였다.
건조 후 혼합분말을 직경 25 mm의 금속재질 몰드에 넣고 1축 가압성형한 후 900~1,100℃에서 10시간 하소하였다. 하소된 성형체를 상기 혼합방법으로 ball milling하였다. 건조 후 하소분말을 직경 15 mm의 금속재질 몰드에 넣고 50 MPa의 압력으로 1축 가압성형하였다.

대상 데이터

마이크로파 유전특성 중에서 품질계수(Q×f₀) 및 공진주파수의 온도계수(τ_f)는 cavity법으로, 유전상수는 Hakki- Coleman법으로 각각 Network Analyser를 사용하여 측정하였다. 공진주파수의 온도계수는 모델명 R3767CG (advantest, Japan)를 사용하였으며, 품질계수 및 유전상수는 모델명 E5071C (Keysight, U.S.A.)를 사용하였다.
본 연구에서는 BaCO₃ (순도 99.5%, 일본 사카이화학공업(Sakai Chem. Ind. Co., Ltd)), Na₂CO₃ (순도: 99.5%, 삼전순약공업(주)), MgO (순도: 99%, 일본 고순도화학연구소(Kojundo Chem. Lab. Co., Ltd)), ZrO₂ (순도: 98%, 상동) 및 WO₃ (순도: 99.9%, 상동)를 출발원료로 사용하였다. 각 조성에 해당하는 분말, 지르코니아 볼 및 에틸알코올을 폴리에틸렌 용기에 넣고 24시간 혼합하였다.

이론/모형

소결온도 및 시간은 1,600~1,700℃ 및 1시간이었으며, 승온속도 및 1,200℃까지의 냉각속도는 5℃/min이었다. Archimedes법으로 소결체의 밀도를 측정하였으며, 소결체를 분쇄하여 얻은 분말에 대해서 X-선 회절분석(D/MAX-2500V/ PC, Rigaku, Japan)을 하였다. 소결체의 미세구조를 FE- SEM (field emission scanning electron microscope, Quanta 250 FEG, FEI, U.
마이크로파 유전특성 중에서 품질계수(Q×f0) 및 공진주파수의 온도계수(τf)는 cavity법으로, 유전상수는 Hakki- Coleman법으로 각각 Network Analyser를 사용하여 측정하였다.

성능/효과

본 연구의 결과를 지금까지 보고된 BMW계와 함께 표 1에 나타내었다. 1,700℃에서 1시간 소결한 x=0.01조성의 선수축률, 유전상수, 품질계수 및 공진주파수의 온도계수는 각각 20.5%, 18.6, 216,275 GHz, -22.0 ppm/℃이었다.
1)의 생성량이 증가한 영향도 있을 것으로 판단된다 [11]. x값이 증가함에 따라서 선수축률 및 유전상수가 감소하는 경향을 나타내는데 비하여 1,650℃ 및 1,700℃에서 소결한 x=0.01조성의 품질계수 값은 200,000 GHz 전후의 매우 높은 값을 나타내지만, x값이 증가함에 따라서 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 분말 X선 회절분석(그림 1)에서 나타낸 것과 같이 BaWO₄ 2차상의 액상생성 및 이에 따른 과도한 입자성장 등과 관련이 있을 것으로 생각된다.
)를 그림 4에 나타내었으며, 소결온도는 각각 1,600℃, 1,650℃ 및 1,700℃이었다. 모든 조성이 18.7~20.5%의 비교적 높은 선수축률을 나타내었으며, 각각의 소결온도에서 x값이 증가함에 따라서 선수축률 및 유전상수가 감소하는 경향을 나타내지만 유의한 수준은 아니라고 판단된다. x값이 증가함에 따라서 유전상수가 감소하는 경향을 나타내는 것은 perovskite구조의 A-자리인 Ba²⁺이온 자리(α_Ba²⁺=6.

후속연구

한편, x=0.05조성에서는 2θ~ 30.5°에서 또 다른 2차상의 피크(■)가 관찰되었으며, 이는 첨가된 ZrO2로 판단되지만 상대적으로 낮은 회절강도 및 다른 회절피크의 부재로 인해서 명확하지는 않으며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공진기, 필터, 발진기용 유전체 세라믹스에 요구되는 것은?	최근, 무선통신산업의 급격한 발달에 따라서 휴대전화, 무선 LAN (local area network), GPS (global position satellite), 군용radar시스템, 지능교통시스템(intelligent transport system, ITS) 등에 사용되는 마이크로파 유전체 세라믹스에 대한 연구 · 개발이 활발하게 이루어지고 있다 [1,2]. 상기 시스템에서 사용되는 공진기, 필터, 발진기용 유전체 세라믹스에는 높은 유전상수(εr), 높은 품질계수(Q×f0), 0에 가까운 공진주 파수의 온도계수(τf)가 요구된다 [3].
	(Ba1-2xNa2x)(Mg0.5-xZrxW0.5)O3계에서 BaWO4의 생성량이 증가함에 따라 어떤 양상을 보이는가?	01조성에서는 고상소결에 의한 다면체 입자가 관찰되었다. BaWO4의 생성량이 증가함에 따라서, 즉 소결온도에서 액상량이 많아짐에 따라서 액상소결에 의한 치밀화 및 거대 입자성장이 일어났다. x값의 증가에 따라서 유전상수는 감소하는 경향을 나타낸데 비하여 품질계수는 크게 감소하였다.
	Ba(Mg0.5W0.5)O3의 높은 Q×f0값은 어떤 요인에 의하여 나타나는가?	5W0.5)O3의 높은 Q×f0값은 B-site의 1:1규칙화에 의해서 나타며, 이에 따라서 고품질계수를 갖는 유전체 세라믹스로서 응용이 기대된다 [5]. Bian 등은 Ba[(Mg(1-x)/2Yx/3□x/6)W1/2]O3계에서 x=0.

참고문헌 (12)

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J. J. Bian and J. Y. Wu, Ceram. Int., 42, 3290 (2016). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.10.120]

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R. D. Shannon, J. Appl. Phys., 73, 348 (1993). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.353856]

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N. M. Alford and S. J. Penn, J. Appl. Phys., 80, 5895 (1996). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.363584]

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