초록 ▼

I. 제 목 고유전율 마이크로웨이브 세라믹스 기술 개발 II. 연구개발의 목적 및 필요성 마이크로파를 이용하는 통신시스템의 급속한 발달에 따라 마이크로파용 소자의 응 용 및 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 소형 경량의 이동형 제품 에 대한 요구에 부응하기 위하여는 높은 유전율을 갖는 마이크로파 세라믹 유전체의 사용이 필수적으로 요구되고 있다. 본 과제를 통해서는 기본적으로 유전율 90 이상의 새로운 고유전율 마이크로웨이브 세라믹 유전체 조성에 대하여 연구하고, 기존의 고유전율계 재료의 유전 특성 향상 및 저온소

I. 제 목 고유전율 마이크로웨이브 세라믹스 기술 개발 II. 연구개발의 목적 및 필요성 마이크로파를 이용하는 통신시스템의 급속한 발달에 따라 마이크로파용 소자의 응 용 및 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 소형 경량의 이동형 제품 에 대한 요구에 부응하기 위하여는 높은 유전율을 갖는 마이크로파 세라믹 유전체의 사용이 필수적으로 요구되고 있다. 본 과제를 통해서는 기본적으로 유전율 90 이상의 새로운 고유전율 마이크로웨이브 세라믹 유전체 조성에 대하여 연구하고, 기존의 고유전율계 재료의 유전 특성 향상 및 저온소결을 위한 첨가제 조성 및 공정을 개발하며, 아울러 우수한 특성의 마이크로파 유전체를 합성하기 위한 기초적 이해를 높이기 위해 대표적인 복합 페로브스카이트 화합물과 일부 새로운 복합 산화물계에서의 결정구조화학적 거동을 분석하고 마이크 로파 유전특성과의 상관관계를 규명하는 것을 목적으로 하였다. 본 국제공동 연구과제는 한 슬로베니아 정부간에 1994년 체결된 과학기술협력 협 정과 관련하여 기획되었으며, 마이크로웨이브 원천 조성 기술을 보유하고 있는 슬로베 니아 Jozef Stefan Institute와 마이크로웨이브 조성 및 공정기술을 보유하고 있는 KIST 연구팀간의 협의에 의하여 1997년 시작되었다. III. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구를 통하여 유전율 90 이상의 고유전율 마이크로웨이브 세라믹 유전체 조성 을 개발하고자 하였는데, 그 대상 재료로서 PbZrO3- CaTiO3계, Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O 계 및 (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3- 5TiO2계에 대하여 연구하였다. 아울러서 마이크로웨이브 고유전율 유전체를 기존의 온도보다 저온에서 소결하기 위한 적절한 조성 및 첨가제에 대하여 연구하였다. 또한 마이크로파 유전체에서의 고 유전율 및 저손실 특성 발현을 위한 메카니즘에 대한 이해를 높이기 위하여 대표적인 복합 페로브스카이트 화합물의 하나인 Ba(Mg2/3Nb1/3)O3과 고용체계인 Ba(Mg2/3Nb1/3)O3- La(Mg2/3Nb1/3)O3계에 대하여 열처리 조건에 따르는 양이온 규칙화, 상안정성 및 이차상 생성 거동과 유전특성간의 상관관계를 조사하였으며, 새로운 마이 크로파 유전체로서 zinc titanate계에서의 조성에 따르는 상안정성, 소결미세구조 및 유 전 특성을 연구하였다. IV. 연구개발결과 유전율 90 이상의 고유전율 마이크로웨이브 세라믹 유전체 조성에 대하여는 PbZrO3- CaTiO3계를 중심으로 연구하였다. PbZrO3- CaTiO3계에서는 기본조성을 Pb0.7Ca0.3Zr0.9Ti0.1O3로 하고 적정한 량의 SrZrO3와 CeO2를 동시에 첨가하는 것을 통해 서 유전율 117, 품질계수 (Q f) 2300, 공진주파수의 온도계수 ( f) 70 ppm/oC의 양호한 고유전율 조성을 개발하였다. 마이크로웨이브 고유전율 유전체의 저온소결에 대하여 Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3계와 (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3- 5TiO2계에 대하여 연구하였다. Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3계에서는 MnO2를 0.1 0.2 wt% 범위로 첨가함으로서 1050 의 저온에서 소결이 가능하면서 도 유전율이 유전특성의 열화가 없는 합성 방법을 개발하였다. (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3- 5TiO2계에서는 B2O3를 첨가함으로써 양호한 마이크로파 유전특성 이 유지되는 가운데 저온소결을 이룰 수 있었다. 즉, BPNT에 0.5 wt%의 B2O3를 첨가 함으로써 1075 에서 밀도는 5.4 g/cm3, 유전율은 80, 품질계수는 4400, 공진주파수의 온도계수는 +10 ppm/ 의 값을 나타내었다. 복합 페로브스카이트 화합물인 Ba(Mg2/3Nb1/3)O3는 열처리 조건에 따라 그 양이온 규칙화 구조에 1 : 2 규칙 외에 불규칙 구조를 갖게 되는데, 이는 Nb 과잉의 이차상 생성과 관련되어 있으며, 이러한 불규칙 상전이와 이차상 생성에 의해 품질계수가 크 게 열화됨을 알 수 양상을 가지며 입자들은 일반적으로, BMN-type 의 1 : 2 규칙 구조를 가진 중심부와 LMN-type의 1 : 1 규칙구조를 가진 가장자리 부 분으로 이루어진 core- shell 형태로 이루어져 있다. 열처리 조건에 따라 일부 입자의 전부 또는 가장자리의 일부가 불규칙 구조로 전이하는데, BMN에서와 마찬가지로 Ba3Nb5O15.5와 같은 Nb 과잉의 액상 생성이 불규칙화를 일으키며, 이와 같은 변화가 품질계수의 열화를 야기하는 것으로 밝혀졌다. 또한 BLMN 입자들의 국부적인 화학 조성과 규칙화 구조간의 상관관계에 대한 분석 결과를 제시하였다. ZnO-TiO2계에서는 조성에 따르는 상 관계와 그 안정성, 그리고 소결 미세구조 및 마이크로파 유전특성에 관한 분석 결과, zinc nitrate와 나노크기의 anatase 분말을 이 용한 특수한 합성 공정을 적용함으로써 700 에서 단일상의 ZnTiO3를 합성할 수 있었 고, Zn2TiO4 xTiO2 (0

Abstract ▼

I. Title High Permittivity Microwave Ceramics II. Purpose and Significance of The Study Due to the rapid growth of the communication systems using microwave, studies and developments of the microwave devices have been widely carried out. Especially, the developments of the high-permittivity microwa

I. Title High Permittivity Microwave Ceramics II. Purpose and Significance of The Study Due to the rapid growth of the communication systems using microwave, studies and developments of the microwave devices have been widely carried out. Especially, the developments of the high-permittivity microwave dielectrics are required to fabricate small and light- weighted microwave passive components. In this study, basically, we have tried to develop high permittivity microwave dielectric materials, the dielectric constant of which is higher than 90. We have also studied on the development of additive compositions to improve the microwave properties and sinterability at lower temperatures of some high permittivity materials developed previously by foreign groups. In addition, as basic studies for enhancing our knowledge on the relationships between crystal structural chemistry and dielectric properties such as the quality factor of microwave ceramic oxides, we have analyzed the relationships among cation ordering, second phase formation, and dielectric properties of typical complex perovskite oxides. This international joint research project was formulated in 1997, based on the national science-technology cooperation agreement made in 1994 between Korean and Slovenian government. The Slovene part of this project was led by Dr. Danilo Suvorov at Jozef Stefan Institute in Ljubljana, Slovenia. III. Contents and Scope of the Study In this study, as microwave dielectric compositions having high dielectric permittivity higher than 90, we have investigated PbZrO3-CaTiO3 Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3, and (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3-5TiO2 systems. For the latter two systems which were developed previously by foreign groups, we have paid attention to improve their dielectric properties and low- temperature sinterability. In addition, we have analyzed the relationships among cation ordering, second phase formation, and dielectric properties of typical complex perovskite oxides, Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 and Ba(Mg1/3Nb2/3)O3-La(Mg2/3Nb1/3)O3, as a function of sintering conditions, by using XRD, SEM, and TEM. Furthermore, we have investigated phase relations, microstructue, and microwave dielectric properties as a function of composition in ZnO-TiO2 system, which seemed to have good microwave dielectric properties. IV. Results of the Study PbZrO3- CaTiO3 and Pb1-xCax(Fe0.5Nb0.5)O3 systems were studied for microwav dielectric compositions having dielectric permittivity higher than 90. When appropriate amounts of SrZrO3 and CeO2 were added to Pb0.7Ca0.3Zr0.9Ti0.1O3 system, the ceramics has excellent microwave dielectric properties with the dielectric constant of 117 and the quality factor (Q f) of 2300. In case of Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3 system, we enhanced its quality factor (Qxf) from conventional 5000 to 10000, without sacrificing its dielectric constant of 90, by applying our-own synthesis processes of the complex system. We have tried to lower the sintering temperature of the Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3 and (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3- 5TiO2 systems by adding some sintering aids. With th addition of MnO2 in the range of 0.1 0.2 wt%, Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3 system could be sintered at below 1050 , without sacrificing the dielectric properties of the basic material. In case of (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3-5TiO2 system, sintering at lo temperatures below 1100oC were possible with addition of B2O3. When 0.5 wt% of B2O3 was added to the BPNT system, the quality factor and temperature coefficien of resonant frequency maintained its original values of 4400 and +10 ppm/ , respectively, while the dielectric constant lowered to 80 from its original value of 90. In complex perovskite-structured Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 (BMN) ceramics, disordered structure was formed locally in the outer region of the grains having 1 : 2 ordered structure basically, depending on sintering conditions. This order- disorder phase transition was found to be related with the formation of an Nb-rich second phase. It was found that the order- disorder transition and the second phase formation made the ceramics poor in its quality factor. In Ba0.9La0.1Mg0.37Nb0.63O3 (BLMN) system, it was found that so-called "core- she structured grains, which had BMN-type 1 : 2 ordered structure in their central part and LMN- type 1 : 1 ordered structure in their marginal part, were formed in general. As the sintering temperature or time increased, some grains in the BLMN samples turned partly or entirely to disordered region. It was revealed that this structural change was connected with the formation of Ba3Nb5O15.5 type second phase. The diversification of the ordering structure and the second phase formation caused the loss in quality factor of the samples. In addition, criteria on the relationship between the local chemical composition and the cation order type in the BLMN matrix grains were proposed. In ZnO- TiO2 system, the relationships among phase relations, microstructure and dielectric properties were studied. By adopting a special processing techniques using zinc nitrate and nano-sized anatase powder, it was possible to synthesize monophase ZnTiO3 at 700 . We have proposed a revised ZnO-TiO2 phase diagram including a new Zn2TiO4 xTiO2 (0 < x < 0.33) solid solution phase. Th microwave dielectric properties, especially the temperature coefficient of resonance frequency, were largely dependent on the phase ratio between the matrix ilmenite or spinel phase and the segregated rutile phase. V. Suggestions In this study, high permittivity microwave dielectric compositions which show good microwave properties have been developed. These compositions are currently submitted to domestic patent office and will be considered for foreign patent registration. As the components for mobile communication systems are expected to be further light -weighted, multi-functional, and less expensive, the compositions which were developed in this study could be applied to microwave passive components in the future mobile communication systems such as filters and resonators.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...23
• 제 1 절 마이크로파 유전체...23
• 1. 마이크로파...23
• 2. 마이크로파 유전체...23
• 3. 고유전율 마이크로파 유전체...30
• 제 2 절 연구의 필요성, 목적 및 내용...30
• 1. 연구의 필요성...30
• 2. 국제공동연구 추진배경...32
• 3. 연구의 목적 및 내용...33
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...35
• 제 1 절 서론...35
• 제 2 절 연구개발 동향...36
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과...39
• 제 1 절 고유전율계 조성 개발...39
• 1. PbZrO3-CaTiO3계...39
• 제 2 절 고유전율 마이크로파 유전체의 저온소성 조성 및 공정 개발...67
• 1. Pb0.45Ca0.55(Fe0.5Nb0.5)O3계...67
• 2. (Ba0.5Pb0.5)O-Nd2O3-5TiO2계...81
• 제 3 절 마이크로파 유전체의 결정구조와 유전특성...110
• 1. Ba(Mg1/3Nb2/3)O3와 Ba(Mg1/3Nb2/3)O3-La(Mg2/3Nb1/3)O3계...110
• 2. ZnO- TiO2계...167
• 제 4 장 연구개발목표의 달성도 및 파급효과...199
• 제 1 절 연구개발목표의 달성도...199
• 1. 고유전율계 유전체 세라믹 조성 개발...199
• 2. 고유전율 마이크로파 유전체의 저온소결 및 유전특성 제어기술 개발...199
• 3. 마이크로파 유전체의 결정구조화학적 거동과 유전특성의 상관관계...199
• 4. 국제공동연구를 위한 인적 교류...200
• 제 2 절 연구실적...204
• 1. 특허...204
• 2. 논문...204
• 3. 학회 발표...206
• 제 3 절 연구개발결과의 활용계획...207
• 제 5 장 참고문헌...209