BaTiO3 has been widely used as primary materials for various electronic devices, especially multilayer ceramic capacitor (MLCC), due to its prominent dielectric properties. The advances in portable devices necessitate the fabrication of miniaturized MLCC maintaining high capacity. In this regard, the size of BaTiO3 powders is essential to be reduced below 100 nm for the thinner dielectric layer. It is also important that the nano - sized BaTiO3 powder has higher dielectric property contradictory to size effect.
This work contains the scope of the establishment of a synthesis technique and characterization methods for the nano-sized BaTiO3 powder. A hydrothermal route with addition of glycol and Hydroxyacetic acid was introduced. The effects of the organic additives were confirmed by in-situ TEM observation. The change of size and distribution of defects inside each particle were characterized by high resolution TEM. BaTiO3 powder with the size of below 30 nm is not easily investigated by conventional XRD Rietveld refinement. To solve this problem, a simple apparatus has been designed to measure the relative dielectric constant of BaTiO3 powder suspension. Based on the relative permittivity of BaTiO3 suspension with various volume fractions, the dielectric constant of BaTiO3 nanopowder itself was calculated by employing Licktenecker’s mixture rule.
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.
