수열합성법에 의한 초미립 BaTiO3 나노분말 합성 및 특성 평가에 관한 연구

Abstract

BaTiO3 는 높은 유전상수[1, 2]를 가지는 강유전[3] 페로브스카이트 (perovskite) 물질로써 나노압전소자(Nanopiezoelectronics) [4], 적층세라믹콘덴서(Multi-layer Ceramic Capacitor; MLCC) [5]등의 전자 기기에 광범위하게 적용되고 있다. 전자 기기가 점점 소형화, 집적화 되어감에 따라 나노 크기를 가지는 BaTiO3 입자가 요구되고 있다. 특히 MLCC 에서는 BaTiO3 의 입자 크기 감소에 따른 세라믹 유전층의 두께 감소가 성능 향상과 직접적으로 연관된다 [6]. MLCC 의 유전층이 얇아질수록 70 nm 이하의 BaTiO3 분말은 초고용량을 위해서 필수적이다 [7]. 일반적으로 BaTiO3 나노 분말은 고상 반응법[8] 혹은 sol-gel [9], oxalate route [10], homogeneous precipitation [11] 등의 wet-chemical 방법을 통하여 합성되었다. 하지만 이 방법들을 통해 고순도, 고결정의 재료를 얻기 위해서는 700 oC 이상의 하소 공정이 필요하다. 이에 반해 수열합성법(Hydrothermal reaction)을 통하여 크기가 매우 작으면서도 균일한 고결정 BaTiO3 나노 분말을 얻을 수 있는 적합한 방법이다 [12-14]. 합성한 BaTiO3 분말은 X-ray Diffraction (XRD)와 Rietveld refinement를 통하여 그 결정성을 관찰할 수 있다. 이 때의 결정성은 tetragonality 혹은 결정 격자의 c 축과 a 축의 비, 즉 c/a 비율로 나타낼 수 있다. 이러한 입자의 결정성은 입자의 크기가 작아짐에 따라서 cubic(shell)-Tetragonal(core) 구조 [15-17], 격자 OH- 결함 [18] 등의 원인으로 인한 size effect에 의하여 점차 낮아지는 문제를 안고 있으며, BaTiO3 나노 분말의 입자가 100 nm 이하로 작아짐에 따라 XRD를 통한 평가법은 peak broadening등에 의하여 그 정확도의 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Raman spectroscopy [19] 혹은 Pycnometry [20] 등을 이용하는 방법이 제안되고 있다. 본 연구는 기존 100 nm급 BaTiO3 수열합성 공정에 Glycol과 카르복실 산 등을 첨가하여 높은 결정성을 가지는 30 nm급의 BaTiO3 분말을 합성하고, XRD를 통한 결정성 평가법의 대안으로써 분말상태의 유전율을 직접적으로 측정하여 합성된 BaTiO3 입자들의 상대적인 결정화도를 판단하는 방법을 고안하고자 한다.