보고서 정보
주관연구기관 |
경기대학교 Kyonggi University |
연구책임자 |
김응수
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-06 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201300019059 |
과제고유번호 |
1345148574 |
사업명 |
기본연구지원사업 |
DB 구축일자 |
2013-08-26
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초록
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세라믹/폴리머 하이브리드 소재는 유·무기 소재의 장점을 조합시켜 새로운 물질을 디자인할 수 있는 장점을 갖고 있으므로 다양한 응용영역을 창출해오고 있다. 특히 전자 패키징 분야에 있어서 시스템의 소형화를 위해 세라믹/폴리머 하이브리드 소재 적용 연구가 개발 되어 오고 있다. 이러한 시스템 소형화는 기존 표면 실장형 저항, 커패시터, 인덕터, 안테나, 필터, 스위치 등 개별 수동소자를 PCB(printed-circuit board)내에 내장시키는 새로운 타입의 시스템 패키지인 SOP(system-on-package)기술로 구현될 수
세라믹/폴리머 하이브리드 소재는 유·무기 소재의 장점을 조합시켜 새로운 물질을 디자인할 수 있는 장점을 갖고 있으므로 다양한 응용영역을 창출해오고 있다. 특히 전자 패키징 분야에 있어서 시스템의 소형화를 위해 세라믹/폴리머 하이브리드 소재 적용 연구가 개발 되어 오고 있다. 이러한 시스템 소형화는 기존 표면 실장형 저항, 커패시터, 인덕터, 안테나, 필터, 스위치 등 개별 수동소자를 PCB(printed-circuit board)내에 내장시키는 새로운 타입의 시스템 패키지인 SOP(system-on-package)기술로 구현될 수 있다. 본 연구에서는 GHz 대역의 SOP에 적용 가능한 우수한 고주파 유전특성을 갖는 세라믹 유전체분말과 폴리머 하이브리드 소재 형성에 대한 기술을 조사하였다.
세라믹/폴리머 하이브리드 소재에 적용가능한 우수한 고주파 유전특성을 갖는 세라믹스에 대한 기초연구로서 다양한 ATiO3(Ilmenite), ABO4(Wolframite) 및 AB2O6(Columbite, Tri-rutile, Tri-αPbO2)계 화합물을 대상으로 결정구조 변화에 따른 존재상의 안정성과 결정구조내의 구성 가능한 이온들과 고주파 유전특성들과의 상관관계를 규명하였다.
Ilmenite 구조를 갖는 ATiO3(A=Mg, Co, Ni, Mn)계 세라믹스의 유전상수(K)는 에너지 겝과 몰부피로부터 계산된 전자분극율에 영향을 받았고, 품질계수(Qf)는 평균 공유결합성과 A자리 규칙성 정도에 기인되었으며, 공진주파수 온도계수(TCF)는 평균 산소팔면체 비틀림에 의존하였다.
Wolframite 구조를 갖는 ABO4(A=Zn, Mg, Ni, B=Mo, W)계 세라믹스의 K는 유전분극율 뿐만 아니라 몰부피와 전자분극율에 영향을 받았고, AWO4의 Qf는 원자충진율 때문에 AMoO4의 Qf보다 더 큰 값을 나타내었으며, TCF는 양이온의 결합원자가에 의존하였다.
AB2O6(A=Zn, Mg, Ni, B=Nb, Ta)계 세라믹스의 경우, ANb2O6는 Columbite, ATa2O6(A=Ni, Mg)는 Tri-rutile, ZnTa2O6는 Tri-αPbO2의 결정구조를 각각 나타내었으며, AB2O6 세라믹스의 K는 유전 분극율과 전자분극율에 영향을 받았고, Qf는 전기음성도 차이가 증가할수록 증가하였으며, TCF는 B자리 결합원자가에 의한 B자리 산소팔면체 비틀림에 의존하였다.
서로다른 결정구조를 갖는 ATiO3, ATa2O6, AWO4(A=Ni, Mg, Co)계 세라믹스에 대해서, K는 유전분극율에 의존하였고, Qf는 AO6와 BO6 산소팔면체의 공유형태에 영향을 받았으며(ATiO3:면>ATa2O6:모서리>AWO4:꼭지점), TCF는 몰부피 당 산소팔면체 비틀림이 증가할수록 ATa2O6의 양의 값에서 ATiO3와 AWO4의 음의 값으로 감소하였다.
각 결정구조에서의 우수한 고주파 유전특성을 갖는 세라믹스들과 유전특성이 우수한 3종의 폴리머PP(Polypropylene), PS(Polysryrene), PTFE(Polytetrafluoroethylene)의 하이브리드 소재에 대하여 제조공정 변수와 주파수 변화에 따른 유전완화(dielectric relaxation) 현상을 연구하였으며, 다양한 이론 모델 및 유한요소해석을 이용하여 유전특성을 예측할 수 있는 모델을 제시하였다.
세라믹/폴리머 하이브리드 소재의 고주파 유전특성은 세라믹스와 폴리머 각 고유 유전특성 뿐만 아니라, 세라믹스의 함량, 입자형태, 입자크기 및 분포에 의존하였으며, 세라믹/폴리머 계면 및 상대밀도 (기공율)에도 영향을 받았다.
10MHz~9.4GHz 대역에서 세라믹/폴리머 하이브리드 소재의 K와 유전손실(tanδ=1/Q)은 우수한 주파수 안정성을 나타내었다.
반결정질(semi-crystalline) 폴리머인 PTFE와 PP를 갖는 하이브리드 소재의 tanδ는 열처리 공정변수에 따라 폴리머의 결정구조 변화에 영향을 받았으며, 폴리머의 결정화도에 의존하였다. 또한 세라믹/폴리머의 기하학적 층상구조 하이브리드 소재의 tanδ는 층상구조의 내부 변형에 영향을 받았다.
하이브리드 소재의 실험적인 K값은 EMT(effective medium theory) 모델로 예측한 값과, TCF 값은 일반적인 혼합법칙(mixing rule)으로 예측한 값과 일치하였다. 반결정질 폴리머를 갖는 하이브리드 소재의 tanδ는 결정화도의 의존성으로부터 예측 가능하였다. 상기 연구 결과를 바탕으로 유한요소해석을 통하여 유전상수에 대한 예측모델을 개발하였다.
본 연구에서 확보 된 다양한 세라믹스의 결정구조 특성과 GHz 대역에서의 유전특성과의 상관관계,세라믹/폴리머 하이브리드 소재의 유전특성 향상화 방안 및 예측모델은 SOP용 수동부품 집적화 및 내장형 다층 PCB에서 요구되는 유전체 소재를 개발할 수 있는 기반기술로서 활용될 것이다.
목차 Contents
- 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
- 목차 ... 3
- Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
- Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
- 1. 연구과제의 개요 ... 5
- 2. 국내·외 기술개발 현황 ... 5
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
- 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 8
- 5. 연구결과의 활용 계획 ... 9
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 9
- Ⅲ. 연구성과 ... 10
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