MLCC (다층 세라믹 커패시터)

MLCC(다층 세라믹 커패시터) 실제 사이즈

복잡한 전자 장치의 개발과 함께 다기능의 MLCC (다층 세라믹 커패시터)에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 지난 수십년 동안 MLCC 유전체의 주류였던 BaTiO3 기반 세라믹은 가장 관심을 끄는 강유전성 재료였습니다. 최근 BaTiO3의 온도 안정성에 유전 특성에 관한 많은 연구가 진행되었습니다. 전기적 및 물리적 특성을 분석하기 위해 벌크 세라믹과 두꺼운 BaTiO3 층을 준비했지만, 에너지 저장 성능은 여러 문헌에 보고되지 않았습니다. BaTiO3의 낮은 절연 파괴 강도 기반 벌크 세라믹은 종종 작은 에너지 저장 밀도로 이어지고 큰 히스테리시스는 낮은 에너지 효율로 이어집니다. 필름에서 파괴 강도가 향상 될 수 있지만 방전 에너지 저장 밀도와 에너지 효율은 여전히 매우 낮습니다. 상대적으로 MLCC 칩은 수십 또는 수백 개의 유전체 층이 교대로 배열되어 제작되기 때문에 벌크 세라믹 및 박막의 문제를 성공적으로 극복 할 수 있습니다.

Gao et al의 연구진은 BST 층이 다른 xBa 0.7 Sr 0.3 TiO 3 -SrTiO 3 (BST-ST) 다층 세라믹을 설계했습니다. 다층 세라믹의 파괴 강도 및 에너지 저장 밀도가 220 k, 2.3 J / cm로 보고했습니다. Ogihara의 단일 유전체층 커패시터에 BaTiO3 -BiScO3 를 사용 하여 실온에서 730 kV / cm의 필드에서 약 6.1 J / cm 3 의 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 얻었습니다. 이 단일 유전체층 커패시터의 유전 상수의 온도 안정성 범위는 0 ° C ~ 300 ° C입니다. Wang et al 은 고 에너지 밀도 (6.74 J / cm 3 )와 고효율 (77 %) 을 가진 비스무트 페라이트 기반의 다층을 제작했습니다 . 그러나 이 조성물의 다층 에너지 밀도는 125 ° C까지만 안정적이었습니다. 이후 Chen 연구진에서는 고 에너지 저장 밀도 (3.8 J / cm 3 )와 큰 전계 유도 변형 (0.71 %)을 가진 다기능 반 강유전성 MLCC 칩을 보고했습니다. 그럼에도 불구하고 MLCC의 효율성은 67.4 %입니다. 그 외에도 넓은 온도 안정성 (-55 ° C ~ 200 ° C)으로 고 에너지 밀도 및 고효율에 대한보고는 없습니다. 따라서 온도에 민감하지 않고 고 에너지 저장 특성을 가진 다기능 MLCC칩을 활용하는 것이 새로운 개발 추세입니다.

방전 에너지 밀도 대 전기장 : A, 360 kV / cm 의 고정 전기장 / 고장 전 최대 전기장

이 논문은 강력한 샌드 밀링 기술을 다량의 MLCC분말형태로 준비하고 MLCC박막을 제작하기 위해 롤투롤 테이프 캐스팅을 도입하였습니다. 자동 스태킹 기계를 사용하여 10 층 커패시터를 적층했습니다. 이 기사의 주요 목적은 고온 안정성 및 에너지 저장 애플리케이션을위한 MLCC칩의 특성을 조사하는 것이 었습니다. 이 논문은 Nb2O5 및 MnO2에 의해 개질된 코어-쉘 구조의 0.9BaTiO 3 -0.1 (Bi 0.5 Na 0.5) TiO3 (BTBNT) 세라믹 이 기존의 고체 반응 방법으로 개발되었습니다.

온도 안정성 및 X9R 사양 충족 (X는 최소 온도 -55 ° C, 9는 최대 온도 200 ° C, R은 정전 용량의 변동이 ± 15 % 미만임을 나타냄). 이 소재는 온도에 민감하지 않고 우수한 에너지 저장 성능을 가진 다기능 MLCC를 제작할 수 있는 유망한 후보가 될 수 있습니다. 특히, 작은 분쇄 ZrO2 비드를 밀링 매체로 사용하는 샌드 밀링을 사용하는 것이 가장 효율적인 방법입니다. 한 번에 10kg의 균일 한 분말을 얻을 수 있어 MLCC 슬러리 제조에 충분한 원료를 제공할 수 있습니다.

1947년대에 얇은 세라믹 층을 생산하기 위해 처음 소개된 테이프 캐스팅 기술은 잘 정립된 공정입니다. 이 기술은 개선되어 고밀도 세라믹 기판 및 다층 재료를 대규모로 제조하는 데 널리 사용됩니다. 때때로 테이프 캐스팅, 슬러리를 사용한 닥터 블레이드 방법으로 알려져 있습니다. 그러나 테이프 캐스팅을 위해 닥터 블레이드를 사용하는 동안 필름 표면은 평평하게 유지될 수 없습니다. 오늘날 롤 투롤 테이프 캐스팅은 이중 닥터 블레이드를 사용하여 다층 커패시터를 패키징하는 기본적인 제조 공정입니다. BTBNT 기반 현탁액 슬러리는 공기압 조건에서 움직이는 PET 필름에 주조됩니다. 녹색 필름은 건조 후 3-50 μm의 두께 범위에서 제어할 수 있습니다.

내부 전극이 Ag0.6 / Pd0.4 인 BaTiO 3- (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 (BTBNT) 기반의 MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor) 칩은 롤투롤 주조법으로 준비됩니다. 10개의 유전체 층이 있는 BTBNT 기반 MLCC 칩은 2 단계 소결 (TSS)을 통해 1130 ° C의 저온에서 매우 잘 소결 될 수 있습니다. X- 선 회절 (XRD) 및 투과 전자 현미경 (TEM) 결과는 MLCC 칩이 두 상이 공존하는 코어-쉘 구조임을 보여줍니다. 코어는 실온에서 정방 정상을 보인 후 온도가 175 ° C 이상으로 증가하면 점차 입방상으로 변합니다. 반면, 쉘은 25 ° C에서 500 ° C까지의 모든 테스트 온도에서 유사 입방 상을 나타냅니다.

25 ° C 및 175 ° C 의 온도에서 MLCC칩의 PE 루프 / 25 ° C 및 (D) 175 ° C 의 온도에서 전기장의 함수로서 MLCC칩의 Pmax ,Pr  및  ΔP

BTBNT 기반 MLCC 칩은 광범위한 온도 안정성을 나타내며 EIA (Electronic Industries Association) X9R 사양의 요구 사항을 충족합니다. 에너지 저장 성능 측면에서 3.33 J / cm 3 의 큰 방전 에너지 밀도 는 480 kV / cm의인가 전계 하에서 175 ° C에서 얻을 수 있습니다. -50 °C ~ 200 °C 범위의 모든 테스트 온도 중에서 높은 인가 전기장에서도 모든 칩의 에너지 효율은 80 % 이상입니다. 실험 결과는 새로운 BTBNT 기반 X9R MLCC가 특히 고온에서 작동하는 에너지 저장 응용 분야에서 가장 유망한 기술이 될 수 있음을 나타냅니다.

< 출 처 >

논문 제목: Multifunctional BaTiO3-(Bi0.5Na0.5)TiO3-based MLCC with high-energy storage properties and temperature stability

저 자: Lingling Chen, Hongxian Wang, Peiyao Zhao, Chaoqiong Zhu, Ziming Cai, Zhenyong Cen, Longtu Li, Xiaohui Wang