The objectives of this study are to make clear the relationship between microstructure and electrical properties and to propose the electrical conduction mechanisms of $RuO_2$ based thick film rsistors(TFRs), and to investigate the ac impedance properties of $RuO_2$-glass composites and to propose equivalent circuit models and conduction mechanisms for the composites.
I. As a function of heat treatment conditions, the relationship between electical properties and microstructure, and electrical conduction mechanisms of $RuO_2$ based TFRs were investigated.
In the case of low sheet resistance(100 ohm/sq.) TFR, the sheet resistivity decreased with increasing the reacion temperature, but again slightly increased above 800℃ with increasing reaction temperature, and TCR trends is positive for all specimen reacted above 600℃. And the complex impedance plots is nearly one point, on the R axis, which represent a resistive component without capacitive components, and the frequency dependence of ac conductivity are similar to $RuO_2$ for all specimen reacted above 600℃. So the conduction mechanism of low sheet resistance TFRs is metallic like chain conduction independent reaction temperatures.
In the case of high sheet resistance(10 Kohm/sq.) TFR, the sheet resistivity linearly decreased with increasing the reaction temperatrue, and TCR value changed from negative to positive with increasing the reaciton temperature. And complex impedance and the frequency dependence of conductivity was very dependent on reaction temperature. When the reaction temperature was 600℃, the ac conductivity lenearly incrased with increasing frequency and the complex impedance plot shows a vertical line representing a lone capacitor circuitse, which is similar to galss. In the cases of specimen reacted at 700-900℃, the complex impedance plot shows semicircle arcs representing RC combination circuits, and the ac conductivity shows constant value to certain frequency, at above this frequency again increased with increasing the frequency. So the conduction mechanisms of high sheet resistance TFR gradually changed from ionic conduction to hopping conduction.
II. As a function of $RuO_2$ volume fraction and heat treatment conditions and glass compositions, the ac complex impedance spectra and ac conductivity dependence of frequency of $RuO_2$ -glass composites were investigated in the frequency range of 1KHz-13 MHz, and equivalent circuits and conduction mechanisms of composites were analyzed based on the spectra and ac conductivity data. Bacause the amount of Ru impurity in glass increases with increasing reaction temperature and tiem, the electrical properties of the metrix will be changed due to the impurity. The smaples reacted at low temperature and short time periods exhibited vertical lines in complex impedance spectra plots, which indicates that the smaples consisted of lone capacitor circuits, and ac conductivity increase with increasing the frequency, which indicate that the ionic conduction. As the temperature and the time increased, the spectra consisted of semicircle arcs representing RC combination circuits and the frequency dependence of the conductivity similar to hopping process. Because the glass gap distance between $RuO_2$ Particles decreases with increasing $RuO_2$ content, the samples having more $RuO_2$ content showed the change from a vertical line to semicircle arcs at lower reaction temperature. For the smaple having 5 volume% $RuO_2$ content and reacted at 1000℃, the equivalent circuit model consisted on only a resistance component, and ac conductivity shows constant value, which indicates that metallic conduction materials.
3-3. 요약
Ag/Pd 계 후막도체에 $RuO_2$를 도전성상으로 하여 제조된 DuPont 1721(저저항), 1741(고저항) 저항체를 인쇄하여 각각을 여러 온도에서 소결하여 저항체의 전기적성질을 측정하고 미세구조를 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 저저항 후막저항체의 경우
(a) 600℃의 소결온도에서는 높은 저항을 보이다 700℃ 이상에서 소결하면 저항은 급격히 감소한 후 소결온도에 따라 약간씩 저항이 증가하였다. 이러한 양상은 glass상의 이동에 의한 막의 미세구조의 형성과 밀접한 관련이 있었다.
(b) 700℃ 이상의 소결온도에서 소결한 막의 TCR은 모두 양의 값을 갖는다.
(c) 복소임피던스 특성 및 교류전기전도도의 주파수 의존성도 도전분말의 그것과 유사 하였다.
(d) 이 경우의 전기전도는 금속과 같은 전기전도 임을 알 수 있었다.
(2) 고저항 후막저항체의 경우
(a) 소결온도가 증가함에 따라 면적저항은 감소하였다.
(b) 700℃에서 소결한 시편은 - TCR을 800℃ 소결한 시편은 +와 - TCR 이 공존 하는 임계현상이 보이다, 그 온도 이상에서는 + TCR로 저항온도특성이 변하였다.
(c) 복소임피던스 특성 및 임피던스의 주파수 특성도 소결온도에 따라 달리 나타남을 알 수 있다.
(d) 고저항체의 전기전도기구는 온도 증가에 따라 증가되는 impurity doping에 의해 변하는 메트릭스의 상태에 따라 이온 전기전도 특성에서 hopping 전도기구로 변하였다.
4-3. 요약
(1) 반응온도의 증가에 따라 복소임피던스 도형은 용량(C) 만으로 구성된 등가회로에서, R과 C가 결합된 등가회로에 해당하는 형태로 변하였다.
(2) 도전분말의 양이 많은 복합계의 경우가 낮은 온도에서 RC가 결합된 등가회로를 얻었고, 도전분말의 양이 5 vol.% 인 경우는 1000℃에서 R 성분 구성된 등가회로를 보였다.
(3) 도전분말의 양이 1 vol.% 인 경우 900℃에서 소결시간이 30분인 때는 C 성분 만으로 등가회로가 구성 되었으나, 소결시간이 길어지면 R과 C가 병렬로 연결된 형태의 등가회로를 보였다.
(4) 반응온도가 증가 함에 따라 전기전도기구는 유리가 갖는 이온 전도 특성에서 비정질 반도체 에서 나타나는 hopping으로 기구가 변하였다.
(5) 도전분말의 양이 5 vol.% 인 경우 1000℃에서 반응한 시편의 교류전기전도 특성은 도전분말의 그것과 유사 하였다.
5-3. 요약
glass 조성 변화에 따른 $RuO_2$ - glass 복합계의 복소임피던스 및 교류전도도의 주파수 의존성을 알아보기 위하여 성분과 성질이 크게 다른 glass 프릿트를 만들어 도전상 $RuO_2$를 glass에 대해 각각 2 vol.% 되게 첨가하여 혼합한 복합계를 여러온도에서 반응하여 얻은 시편의 임피던스를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) glass조성에 $Bi_2O_3$의 양이 많을 수록 glass의 연화점은 낮아졌고, 도전분말의 확산이 활발 하였다.
(2) $Bi_2O_3$를 첨가하지 않아 연화점이 높은 유리를 사용 하였을 때는 1000℃ 까지 용량 만으로 구성된 등가회로에 해당하는 복소임피던스 도형을 얻었다. 교류 전기전도 특성도 glass의 특성과 유사 하였다.
(3) $Bi_2O_3$의 첨가량이 많을 수록 RC 병렬 등가회로에 해당하는 복소 임피던스 특성이 낮은 온도에서 나타났으며, 교류 전기전도 특성도 glass 메트릭스에 doping된 도전분말에의해 비정질 반도체에서 나타나는 특성에 해당하였고, 이 경우의 전기전도기구는 hopping processs에 해당 하였다.
(4) $Bi_2O_3$의 첨가량이 많을 수록 반응온도가 1000℃로 될 때 복소임피던스나 교류 전기전도특성이 금속과 같은 성질을 보였다.
